Высокопрочная низколегированная сталь
| Стали |
|---|
 |
| Фазы |
| Микроструктуры |
| Классы |
| Другие материалы на основе железа |
Высокопрочная низколегированная сталь ( HSLA ) — это тип легированной стали , который обеспечивает лучшие механические свойства или большую устойчивость к коррозии, чем углеродистая сталь . Стали HSLA отличаются от других сталей тем, что они изготовлены с учетом не определенного химического состава, а скорее определенных механических свойств. Содержание углерода в них составляет от 0,05 до 0,25%, что позволяет сохранять формуемость и свариваемость . 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] Для упрочнения добавляют медь, титан, ванадий и ниобий. [2] Эти элементы предназначены для изменения микроструктуры углеродистых сталей, которая обычно представляет собой ферритно - перлитный агрегат, для получения очень мелкой дисперсии карбидов сплава в почти чистой ферритной матрице. Это устраняет эффект снижения ударной вязкости, связанный с перлитной объемной долей, но сохраняет и увеличивает прочность материала за счет уменьшения размера зерна, что в случае феррита увеличивает предел текучести на 50% на каждое уменьшение вдвое среднего диаметра зерна. Усиление осадков также играет незначительную роль. Их предел текучести может составлять от 250 до 590 мегапаскалей (36 000–86 000 фунтов на квадратный дюйм). Из-за более высокой прочности и ударной вязкости стали HSLA обычно требуют на 25–30% больше энергии для формовки по сравнению с углеродистыми сталями. [2]
Медь, кремний, никель, хром и фосфор добавляются для повышения коррозионной стойкости. Цирконий, кальций и редкоземельные элементы добавляются для контроля формы включений сульфидов, что повышает формуемость. Это необходимо, поскольку большинство сталей HSLA обладают чувствительными к направлению свойствами. Формируемость и ударная вязкость могут значительно различаться при испытаниях в продольном и поперечном направлении волокон. Изгибы, параллельные продольному волокну, с большей вероятностью растрескаются по внешнему краю, поскольку он испытывает растягивающие нагрузки. Эта направленная характеристика существенно снижается в сталях HSLA, обработанных для контроля формы сульфидов. [2]
Они используются в легковых и грузовых автомобилях, 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 из углеродистой стали той же прочности. [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 доспехи для защиты от стрелкового оружия теперь изготавливаются из сталей HSLA с закалкой при экстремально низких температурах. [7]
Классификации
[ редактировать ]- Погодоустойчивые стали : стали с лучшей коррозионной стойкостью. Типичным примером является COR-TEN.
- Контрольно-катаные стали : горячекатаные стали, которые имеют сильно деформированную аустенитную структуру, которая при охлаждении превращается в очень мелкую равноосную ферритную структуру.
- Стали с пониженным содержанием перлита : Стали с низким содержанием углерода, в которых перлит практически отсутствует, а имеет очень мелкозернистую ферритную матрицу. Укрепляется дисперсионным твердением.
- Игольчатые ферритные стали : Эти стали характеризуются очень тонкой, высокопрочной игольчатой ферритной структурой, очень низким содержанием углерода и хорошей прокаливаемостью .
- Двухфазные стали : эти стали имеют ферритную микроструктуру, содержащую небольшие, равномерно распределенные участки мартенсита. Такая микроструктура придает сталям низкий предел текучести, высокую скорость наклепа и хорошую формуемость. [1]
- Микролегированные стали : Стали, которые содержат очень небольшие добавки ниобия, ванадия и/или титана для получения измельченного зерна и/или дисперсионного твердения.
Распространенным типом микролегированной стали является HSLA улучшенной формуемости. Он имеет предел текучести до 80 000 фунтов на квадратный дюйм (550 МПа), но стоит всего на 24% дороже, 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 использование этих сталей регламентируется стандартами ASTM A1008/A1008M и A1011/A1011M для листового металла и A656/A656M для пластин. Эти стали были разработаны для автомобильной промышленности с целью снижения веса без потери прочности. Примеры использования включают дверные балки, элементы шасси, усиливающие и монтажные кронштейны, детали рулевого управления и подвески, бамперы и колеса. [2] [8]
Преимущества стали HSLA
[ редактировать ]Превосходная прочность: пластины HSLA обеспечивают исключительную прочность, что делает их идеальными для тяжелых условий эксплуатации. В то же время они уменьшают общий вес конструкций или техники.
Экономичность: несмотря на свои улучшенные свойства, пластины HSLA экономически эффективны благодаря меньшему расходу материала и увеличенному сроку службы.
Коррозионная стойкость: эти пластины устойчивы к коррозии, обеспечивая более длительный срок службы даже в суровых условиях.
Улучшенная свариваемость: пластины HSLA легче сваривать, что обеспечивает эффективность процессов изготовления и строительства.
Универсальность: благодаря возможности изготовления пластин HSLA различных размеров и размеров они находят универсальное применение в различных отраслях промышленности. [9]
Классы SAE
[ редактировать ]Общество инженеров автомобильной промышленности (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 | Обработанный 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 | |
| 945Х | 0.22 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | Обработанный 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 | |
| 950Д | 0.15 | 1.00 | 0.15 | 0.05 | 0.90 | |
| 950Х | 0.23 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | Обработанный ниобием или ванадием |
| 955Х | 0.25 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
| 960X | 0.26 | 1.45 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
| 965X | 0.26 | 1.45 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
| 970X | 0.26 | 1.65 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
| 980X | 0.26 | 1.65 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
| Оценка | Форма | Предел текучести (мин) [psi (МПа)] | Предел прочности на разрыв (мин) [psi (МПа)] |
|---|---|---|---|
| 942X | Плиты, профили и стержни диаметром до 4 дюймов. | 42,000 (290) | 60,000 (414) |
| 945А, С | Лист и полоса | 45,000 (310) | 60,000 (414) |
| Плиты, 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) | |
| 945Х | Листы, полосы, пластины, профили и стержни толщиной до 1,5 дюйма. | 45,000 (310) | 60,000 (414) |
| 950А, Б, С, Д | Лист и полоса | 50,000 (345) | 70,000 (483) |
| Плиты, 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) | |
| 950Х | Листы, полосы, пластины, профили и стержни толщиной до 1,5 дюйма. | 50,000 (345) | 65,000 (448) |
| 955Х | Листы, полосы, пластины, профили и стержни толщиной до 1,5 дюйма. | 55,000 (379) | 70,000 (483) |
| 960X | Листы, полосы, пластины, профили и стержни 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 | Формируемость | Прочность |
|---|---|---|---|
| Худший | 980X | 980X | 980X |
| 970X | 970X | 970X | |
| 965X | 965X | 965X | |
| 960X | 960X | 960X | |
| 955Х, 950С, 942Х | 955Х | 955Х | |
| 945С | 950С | 945С, 950С, 942Х | |
| 950Б, 950Х | 950Д | 945Х, 950Х | |
| 945Х | 950Б, 950Х, 942Х | 950Д | |
| 950Д | 945С, 945Х | 950Б | |
| 950А | 950А | 950А | |
| Лучший | 945А | 945А | 945А |
Контролируемая прокатка HSLA сталей
[ редактировать ]Механизм
[ редактировать ]Контролируемая прокатка
Контролируемая прокатка — это метод измельчения зерна стали путем введения большого количества центров зародышеобразования феррита в аустенитную матрицу путем ее прокатки при точно контролируемой температуре, тем самым увеличивая прочность стали. Выделяют три основных этапа управляемой прокатки: [13]
1) Деформация в областях рекристаллизации . На этом этапе аустенит рекристаллизуется и измельчается, что позволяет измельчить ферритные зерна на более позднем этапе.
2) Деформация в нерекристаллизационных областях. Зерна аустенита удлиняются при прокатке. Полосы деформации могут присутствовать и внутри полосы. Удлиненные границы зерен и полосы деформации являются местами зарождения феррита.
3) Деформация в аустенитно-ферритной двухфазной области. Зародыши феррита и аустенит дополнительно упрочняются.
Усиление механизма
Контрольно-катаные стали HSLA содержат комбинацию различных механизмов упрочнения. Основной эффект упрочнения достигается за счет измельчения зерна ( упрочнение границ зерен ), при котором прочность увеличивается по мере уменьшения размера зерна. Другие механизмы включают упрочнение твердого раствора и дисперсионное упрочнение микролегированными элементами. [14] [15] После того как сталь достигает температуры аустенитно-ферритной области, ее дополнительно упрочняют закалкой . [14] [13]
Механические свойства
[ редактировать ]Стали HSLA, прокатанные с контролем, обычно имеют более высокую прочность и ударную вязкость, а также более низкую температуру пластично-хрупкого перехода. [15] и свойства пластичного разрушения. [14] Ниже приведены некоторые распространенные микролегированные элементы, используемые для улучшения механических свойств.
Влияние микролегированных элементов
Ниобий: Nb может повысить температуру рекристаллизации примерно на 100 °C, [13] тем самым расширяется область нерекристаллизации и замедляется рост зерна. Nb может повысить прочность и ударную вязкость за счет упрочнения выделений и измельчения зерна. [15] Более того, Nb является сильным карбидо-нитридообразователем, образующийся Nb(C, N) может препятствовать росту зерен во время перехода от аустенита к ферриту. [15]
Ванадий: V может значительно повысить прочность и температуру перехода за счет упрочнения осадка. [15]
Титан: Ti имеет небольшое увеличение прочности как за счет измельчения зерна, так и за счет упрочнения выделений.
Nb, V и Ti — три распространенных легирующих элемента в сталях HSLA. Все они являются хорошими карбидо- и нитридными формовщиками. [13] где образующиеся осадки могут предотвратить рост зерен за счет закрепления границ зерен. Все они также являются ферритообразователями, которые повышают температуру перехода двухфазной области аустенит-феррит и уменьшают область нерекристаллизации. [13] Уменьшение области нерекристаллизации приводит к образованию полос деформации и активированных границ зерен, которые являются альтернативным местом зарождения феррита, отличным от границ зерен. [13]
Другие легирующие элементы в основном предназначены для упрочнения твердого раствора, включая кремний, марганец, хром, медь и никель. [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Классификация углеродистых и низколегированных сталей» . Проверено 6 октября 2008 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж «ХСЛА Сталь» . 15 ноября 2002 г. Архивировано из оригинала 30 декабря 2009 г. Проверено 11 октября 2008 г.
- ^ Дегармо, с. 116.
- ^ Та же плотность, что и у углеродистой стали, см. следующий абзац.
- ^ Кант, Кришан; Кумар, Лалит; Верма, Каника; Рават, Дипак (10 апреля 2016 г.). «Влияние различных параметров процесса при испытаниях на растяжение и ударную вязкость на качество сварных соединений стали HSLA во время дуговой сварки под флюсом» . Международный журнал научных исследований в области науки, техники и технологий . 2 (2): 652–659. doi : 10.32628/IJSRSET1622216 (неактивен 31 января 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ) - ^ «Свойства нержавеющей стали для автомобильных конструкций» (PDF) . Евро Инокс. Июнь 2000 г. Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2007 г. Проверено 14 августа 2007 г.
- ^ «Сталь баллистической защиты Swebor Armor 500» (PDF) . Свебармор . Архивировано из оригинала (PDF) 14 января 2020 г. Проверено 21 мая 2018 г.
- ^ Холоднокатаная листовая сталь , заархивировано из оригинала 30 апреля 2008 г. , получено 11 октября 2008 г.
- ^ «Получите лучшую цену на высокопрочную низколегированную сталь для ваших проектов» . www.eckhardtsteel.com . Проверено 20 октября 2023 г.
- ^ Оберг, стр. 440-441.
- ^ Оберг, с. 441.
- ^ Оберг, с. 442.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Тамура, Имао (1988). Термомеханическая обработка высокопрочных низколегированных сталей . Баттервортс. ISBN 978-0-408-11034-1 . [ нужна страница ]
- ^ Jump up to: а б с Моррисон, ВБ; Чепмен, Дж. А. (8 июля 1976 г.). «Конференция, посвященная столетию Розенхайна - 3. Развитие материалов настоящее и будущее 3.2 Управляемая прокатка». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 282 (1307): 289–303. дои : 10.1098/rsta.1976.0119 . S2CID 136154334 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Танака, Т. (январь 1981 г.). «Контролируемая прокатка стального листа и полосы». Международные обзоры металлов . 26 (1): 185–212. дои : 10.1179/imtr.1981.26.1.185 .
Источники
[ редактировать ]- Дегармо, Э. Пол; Блэк, Джей 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 машинного оборудования (25-е изд.), Industrial Press Inc.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
