Высокопрочная низколегированная сталь
| Стали |
|---|
 |
| Фазы |
| Микроструктуры |
| Классы |
| Другие материалы на основе железа |
Высокопрочная низколегированная сталь ( HSLA ) — это тип легированной стали , которая обеспечивает лучшие механические свойства или большую устойчивость к коррозии, чем углеродистая сталь . Стали HSLA отличаются от других сталей тем, что они не изготавливаются в соответствии с определенным химическим составом, а скорее с определенными механическими свойствами. Они имеют содержание углерода от 0,05 до 0,25% для сохранения формуемости и свариваемости . Другие легирующие элементы включают до 2,0% марганца и небольшие количества меди , никеля , ниобия , азота , ванадия , хрома , молибдена , титана , кальция , редкоземельных элементов или циркония . [1] [2] Медь, титан, ванадий и ниобий добавляются для укрепления. [2] Эти элементы предназначены для изменения микроструктуры углеродистых сталей, которая обычно представляет собой ферритно - перлитный агрегат, для получения очень тонкой дисперсии карбидов сплава в почти чистой ферритной матрице. Это устраняет эффект снижения вязкости перлитной объемной доли, но сохраняет и увеличивает прочность материала за счет измельчения размера зерна, что в случае феррита увеличивает предел текучести на 50% для каждого уменьшения среднего диаметра зерна вдвое. Дисперсионное упрочнение также играет незначительную роль. Их предел текучести может быть где-то между 250–590 мегапаскалей (36 000–86 000 фунтов на квадратный дюйм). Из-за своей более высокой прочности и вязкости стали HSLA обычно требуют на 25–30% больше мощности для формования, чем углеродистые стали. [2]
Медь, кремний, никель, хром и фосфор добавляются для повышения коррозионной стойкости. Цирконий, кальций и редкоземельные элементы добавляются для контроля формы сульфидных включений, что повышает формуемость. Они необходимы, поскольку большинство сталей HSLA обладают направленно-чувствительными свойствами. Формуемость и ударная вязкость могут значительно различаться при испытании в продольном и поперечном направлении к зерну. Изгибы, параллельные продольному зерну, с большей вероятностью растрескиваются по внешнему краю, поскольку он испытывает растягивающие нагрузки. Эта направленная характеристика существенно снижается в сталях HSLA, которые были обработаны для контроля формы сульфида. [2]
Они используются в автомобилях, грузовиках, кранах, мостах, американских горках и других конструкциях, которые рассчитаны на большие нагрузки или требуют хорошего соотношения прочности и веса. [2] Поперечные сечения и конструкции из стали HSLA обычно на 20–30 % легче, чем углеродистая сталь с той же прочностью. [3] [4]
Стали HSLA также более устойчивы к ржавчине , чем большинство углеродистых сталей, из-за отсутствия в них перлита — тонких слоев феррита (почти чистого железа) и цементита в перлите. [5] Стали HSLA обычно имеют плотность около 7800 кг/м 3 . [6]
Военная броня в основном изготавливается из легированных сталей, хотя некоторые гражданские броневые пластины для защиты от стрелкового оружия в настоящее время изготавливаются из сталей HSLA с экстремально низкой температурой закалки. [7]
Классификации
- Погодоустойчивые стали : стали, которые имеют лучшую коррозионную стойкость. Типичным примером является COR-TEN.
- Стали контролируемой прокатки : горячекатаные стали, имеющие сильно деформированную аустенитную структуру, которая при охлаждении преобразуется в очень тонкую равноосную ферритную структуру.
- Стали с пониженным содержанием перлита : стали с низким содержанием углерода, которые приводят к небольшому количеству перлита или его отсутствию, но к очень мелкозернистой ферритной матрице. Упрочняются дисперсионным твердением.
- Стали с игольчатым ферритом : эти стали характеризуются очень тонкой высокопрочной структурой игольчатого феррита, очень низким содержанием углерода и хорошей прокаливаемостью .
- Двухфазные стали : Эти стали имеют ферритную микроструктуру, содержащую небольшие, равномерно распределенные участки мартенсита. Эта микроструктура придает сталям низкий предел текучести, высокую скорость упрочнения и хорошую формуемость. [1]
- Микролегированные стали : стали, которые содержат очень небольшие добавки ниобия, ванадия и/или титана для получения измельченного размера зерна и/или дисперсионного твердения.
Распространенным типом микролегированной стали является улучшенная формуемость HSLA. Она имеет предел текучести до 80 000 фунтов на квадратный дюйм (550 МПа), но стоит всего на 24% больше, чем сталь A36 (36 000 фунтов на квадратный дюйм (250 МПа)). Одним из недостатков этой стали является то, что она на 30–40% менее пластична . В США эти стали диктуются стандартами ASTM A1008/A1008M и A1011/A1011M для листового металла и A656/A656M для пластин. Эти стали были разработаны для автомобильной промышленности, чтобы уменьшить вес без потери прочности. Примерами использования являются дверные балки, элементы шасси, армирующие и монтажные кронштейны, детали рулевого управления и подвески, бамперы и колеса. [2] [8]
Классы SAE
Общество инженеров-автомобилестроителей (SAE) поддерживает стандарты для марок стали HSLA, поскольку они часто используются в автомобильной промышленности.
| Оценка | % углерода (макс.) | % Марганца (макс.) | % фосфора (макс.) | % серы (макс.) | % кремния (макс.) | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 942X | 0,21 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием или ванадием |
| 945А | 0,15 | 1.00 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 945С | 0,23 | 1.40 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 945X | 0,22 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием или ванадием |
| 950А | 0,15 | 1.30 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 950Б | 0,22 | 1.30 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 950С | 0,25 | 1.60 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 950D | 0,15 | 1.00 | 0,15 | 0,05 | 0,90 | |
| 950X | 0,23 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием или ванадием |
| 955X | 0,25 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием, ванадием или азотом |
| 960X | 0,26 | 1.45 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием, ванадием или азотом |
| 965X | 0,26 | 1.45 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием, ванадием или азотом |
| 970X | 0,26 | 1.65 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием, ванадием или азотом |
| 980X | 0,26 | 1.65 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработано ниобием, ванадием или азотом |
| Оценка | Форма | Предел текучести (мин) [psi (МПа)] | Предел прочности на растяжение (мин) [psi (МПа)] |
|---|---|---|---|
| 942X | Пластины, профили и прутки размером до 4 дюймов. | 42,000 (290) | 60 000 (414) |
| 945А, С | Лист и полоса | 45 000 (310) | 60 000 (414) |
| Пластины, формы и стержни: | |||
| 0–0,5 дюйма. | 45 000 (310) | 65 000 (448) | |
| 0,5–1,5 дюйма. | 42,000 (290) | 62,000 (427) | |
| 1,5–3 дюйма. | 40 000 (276) | 62,000 (427) | |
| 945X | Листы, полосы, пластины, профили и прутки толщиной до 1,5 дюйма. | 45 000 (310) | 60 000 (414) |
| 950А, Б, В, Г | Лист и полоса | 50 000 (345) | 70 000 (483) |
| Пластины, формы и стержни: | |||
| 0–0,5 дюйма. | 50 000 (345) | 70 000 (483) | |
| 0,5–1,5 дюйма. | 45 000 (310) | 67 000 (462) | |
| 1,5–3 дюйма. | 42,000 (290) | 63,000 (434) | |
| 950X | Листы, полосы, пластины, профили и прутки толщиной до 1,5 дюйма. | 50 000 (345) | 65 000 (448) |
| 955X | Листы, полосы, пластины, профили и прутки толщиной до 1,5 дюйма. | 55 000 (379) | 70 000 (483) |
| 960X | Листы, полосы, пластины, профили и прутки толщиной до 1,5 дюйма. | 60 000 (414) | 75 000 (517) |
| 965X | Листы, полосы, пластины, профили и прутки толщиной до 0,75 дюйма. | 65 000 (448) | 80 000 (552) |
| 970X | Листы, полосы, пластины, профили и прутки толщиной до 0,75 дюйма. | 70 000 (483) | 85 000 (586) |
| 980X | Листы, полосы и пластины толщиной до 0,375 дюйма. | 80 000 (552) | 95 000 (655) |
| Классифицировать | Свариваемость | Формуемость | Прочность |
|---|---|---|---|
| Худший | 980X | 980X | 980X |
| 970X | 970X | 970X | |
| 965X | 965X | 965X | |
| 960X | 960X | 960X | |
| 955X, 950C, 942X | 955X | 955X | |
| 945С | 950С | 945С, 950С, 942Х | |
| 950Б, 950Х | 950D | 945X, 950X | |
| 945X | 950B, 950X, 942X | 950D | |
| 950D | 945С, 945Х | 950Б | |
| 950А | 950А | 950А | |
| Лучший | 945А | 945А | 945А |
Контролируемая прокатка сталей HSLA
Механизм
Управляемая качка
Контролируемая прокатка — это метод измельчения зерна стали путем введения большого количества центров зарождения феррита в аустенитную матрицу путем прокатки при точно контролируемой температуре, тем самым увеличивая прочность стали. Существует три основных этапа контролируемой прокатки: [12]
1) Деформация в областях рекристаллизации . На этом этапе аустенит рекристаллизуется и измельчается, что позволяет измельчать зерна феррита на более позднем этапе.
2) Деформация в областях, не прошедших рекристаллизацию. Зерна аустенита удлиняются при прокатке. Внутри полосы также могут присутствовать полосы деформации. Удлиненные границы зерен и полосы деформации являются местами зарождения феррита.
3) Деформация в двухфазной области аустенита-феррита. Феррит зарождается, а аустенит дополнительно упрочняется.
Механизм укрепления
Стали HSLA с контролируемой прокаткой содержат комбинацию различных механизмов упрочнения. Основной эффект упрочнения достигается за счет измельчения зерна ( упрочнение границ зерна ), при котором прочность увеличивается с уменьшением размера зерна. Другие механизмы включают упрочнение твердого раствора и преципитационное упрочнение микролегированными элементами. [13] [14] После того, как сталь проходит температуру аустенитно-ферритной области, она затем дополнительно упрочняется за счет деформационного упрочнения . [13] [12]
Механические свойства
Стали HSLA, подвергнутые контролируемой прокатке, обычно обладают более высокой прочностью и вязкостью, а также более низкой температурой перехода из вязко-хрупкого состояния [14] и свойствами вязкого разрушения. [13] Ниже приведены некоторые распространенные микролегированные элементы, используемые для улучшения механических свойств.
Влияние микролегированных элементов
Ниобий: Nb может повысить температуру рекристаллизации примерно на 100 °C, [12] тем самым расширяя область нерекристаллизации и замедляя рост зерна. Nb может повысить как прочность, так и ударную вязкость за счет упрочнения выделениями и измельчения зерна. [14] Более того, Nb является сильным карбидо/нитридообразователем, образованный Nb(C, N) может препятствовать росту зерна во время перехода аустенита в феррит. [14]
Ванадий: V может значительно повысить прочность и температуру перехода за счет упрочнения осаждением. [14]
Титан: Ti обеспечивает небольшое увеличение прочности как за счет измельчения зерна, так и за счет преципитационного упрочнения.
Nb, V и Ti — три распространенных легирующих элемента в сталях HSLA. Все они являются хорошими карбидо- и нитридообразователями, [12] где образующиеся осадки могут предотвращать рост зерен, закрепляя границы зерен. Они также являются ферритообразователями, которые повышают температуру перехода двухфазной области аустенит-феррит и уменьшают область нерекристаллизации. [12] Уменьшение области нерекристаллизации вызывает образование полос деформации и активированных границ зерен, которые являются альтернативными местами зарождения феррита, отличными от границ зерен. [12]
Другие легирующие элементы в основном предназначены для упрочнения твердого раствора, включая кремний, марганец, хром, медь и никель. [14]
Ссылки
- ^ ab "Классификация углеродистых и низколегированных сталей" . Получено 2008-10-06 .
- ^ abcdef "HSLA Steel". 2002-11-15. Архивировано из оригинала 2009-12-30 . Получено 2008-10-11 .
- ↑ Дегармо, стр. 116.
- ^ Плотность такая же, как у углеродистой стали, см. следующий абзац.
- ^ Кант, Кришан; Кумар, Лалит; Верма, Каника; Рават, Дипак (10 апреля 2016 г.). «Влияние различных параметров процесса при испытании на растяжение и ударную вязкость на качество сварных соединений стали HSLA во время сварки под флюсом». Международный журнал научных исследований в области науки, техники и технологий . 2 (2): 652– 659. doi :10.32628/IJSRSET1622216 (неактивен 1 ноября 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link) - ^ "Свойства нержавеющей стали для применения в структурной автомобильной промышленности" (PDF) . Euro Inox. Июнь 2000 г. Архивировано из оригинала (PDF) 28-09-2007 . Получено 14-08-2007 .
- ^ "Swebor Armor 500 баллистическая защитная сталь" (PDF) . Swebarmor . Архивировано из оригинала (PDF) 2020-01-14 . Получено 2018-05-21 .
- ^ Холоднокатаная листовая сталь, архивировано из оригинала 2008-04-30 , извлечено 2008-10-11
- ↑ Оберг, стр. 440-441.
- ↑ Оберг, стр. 441.
- ↑ Оберг, стр. 442.
- ^ abcdef Тамура, Имао (1988). Термомеханическая обработка высокопрочных низколегированных сталей . Баттервортс. ISBN 978-0-408-11034-1.[ нужна страница ]
- ^ abc Morrison, WB; Chapman, JA (8 июля 1976 г.). "Конференция, посвященная столетию Розенхайна - 3. Настоящее и будущее развития материалов 3.2 Управляемая прокатка". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Серия A, Математические и физические науки . 282 (1307): 289– 303. doi :10.1098/rsta.1976.0119. S2CID 136154334.
- ^ abcdef Танака, Т. (январь 1981 г.). «Управляемая прокатка стальных пластин и полос». International Metals Reviews . 26 (1): 185– 212. doi :10.1179/imtr.1981.26.1.185.
Источники
- Дегармо, Э. Пол; Блэк, Дж. Т.; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
- Оберг, Э. и др. (1996), Справочник по машиностроению (25-е изд.), Industrial Press Inc.
