Стареюще-стареющая сталь
| Стали |
|---|
 |
| Фазы |
| Микроструктуры |
| Классы |
| Другие материалы на основе железа |
Мартенситно-стареющие стали ( сочетание слов « мартенситная » и «старение») — это стали , которые известны своей превосходной прочностью и вязкостью без потери пластичности . Старение относится к расширенному процессу термообработки. Эти стали представляют собой особый класс очень низкоуглеродистых сверхвысокопрочных сталей, прочность которых достигается не за счет углерода, а за счет интерметаллических соединений выделения . Основным легирующим элементом является от 15 до 25 мас.%) никель ( . [1] Вторичные легирующие элементы, в том числе кобальт , молибден и титан , добавляются для образования интерметаллических выделений . [1] Первоначальная разработка (Бибер из Inco в конце 1950-х годов) проводилась на сталях с содержанием никеля 20 и 25% по массе, в которые небольшие добавки алюминия , титана и ниобия были внесены ; Рост цен на кобальт в конце 1970-х годов привел к разработке безкобальтовых мартенситностареющих сталей. [2]
Обычные марки, не изготовленные из нержавеющей стали, содержат 17–19 мас.% никеля, 8–12 мас.% кобальта, 3–5 мас.% молибдена и 0,2–1,6 мас.% титана. [3] Добавление хрома позволяет получить марки нержавеющей стали, устойчивые к коррозии. Это также косвенно увеличивает прокаливаемость , поскольку для них требуется меньше никеля; Стали с высоким содержанием хрома и никеля обычно являются аустенитными и не способны превращаться в мартенсит при термообработке, тогда как стали с низким содержанием никеля могут превращаться в мартенсит. Альтернативные варианты мартенситностареющих сталей с пониженным содержанием никеля основаны на сплавах железа и марганца с небольшими добавками алюминия, никеля и титана, где используются составы от Fe-9% Mn до Fe-15% Mn. [4] Марганец оказывает такое же действие, что и никель, т.е. стабилизирует аустенитную фазу. Следовательно, в зависимости от содержания марганца мартенситно-стареющие стали Fe-Mn могут быть полностью мартенситными после закалки из высокотемпературной аустенитной фазы или могут содержать остаточный аустенит. [5] Последний эффект позволяет создавать мартенситностареюще-стареющие стали TRIP, где TRIP означает «пластичность, вызванная трансформацией». [6]
Характеристики
[ редактировать ]Благодаря низкому содержанию углерода (менее 0,03%) [7] мартенситностареющие стали обладают хорошей обрабатываемостью . Перед старением их также можно подвергнуть холодной прокатке до 90% без образования трещин. Стареюще-стареющие стали обладают хорошей свариваемостью , но впоследствии их необходимо состарить, чтобы восстановить первоначальные свойства зоны термического влияния . [1]
При термообработке сплав практически не изменяется в размерах, поэтому его часто обрабатывают до окончательных размеров. Благодаря высокому содержанию легированных сталей мартенситностареющие стали обладают высокой прокаливаемостью. Поскольку при охлаждении образуются пластичные мартенситы FeNi, трещины отсутствуют или незначительны. Стали можно азотировать для повышения твердости корпуса и полировать до получения идеальной поверхности.
Ненержавеющие разновидности мартенситностареющей стали умеренно устойчивы к коррозии и устойчивы к коррозии под напряжением и водородному охрупчиванию . Коррозионную стойкость можно повысить путем кадмирования или фосфатирования .
Марки мартенситностареющей стали
[ редактировать ]Маржастрастно-стареющие стали обычно обозначаются числом (например, марки стали SAE 200, 250, 300 или 350), которое указывает приблизительную номинальную прочность на разрыв в тысячах фунтов на квадратный дюйм (тысячи фунтов на квадратный дюйм); составы и требуемые свойства определены военным стандартом США MIL-S-46850D. [8] Более высокие марки содержат в сплаве больше кобальта и титана; приведенные ниже составы взяты из таблицы 1 MIL-S-46850D:
| Элемент | 200 класс | 250 класс | Оценка 300 | Оценка 350 |
|---|---|---|---|---|
| Железо | баланс | баланс | баланс | баланс |
| Никель | 17.0–19.0 | 17.0–19.0 | 18.0–19.0 | 18.0–19.0 |
| Кобальт | 8.0–9.0 | 7.0–8.5 | 8.5–9.5 | 11.5–12.5 |
| Молибден | 3.0–3.5 | 4.6–5.2 | 4.6–5.2 | 4.6–5.2 |
| Титан | 0.15–0.25 | 0.3–0.5 | 0.5–0.8 | 1.3–1.6 |
| Алюминий | 0.05–0.15 | 0.05–0.15 | 0.05–0.15 | 0.05–0.15 |
| Предел прочности, МПа (ksi) | 1,379 (200) | 1,724 (250) | 2,068 (300) | 2,413 (350) |
Это семейство известно как мартенситностареющие стали 18Ni из-за содержания в них никеля. Существует также семейство мартенситностареющих сталей, не содержащих кобальта, которые дешевле, но не так прочны; одним из примеров является Fe-18,9Ni-4,1Mo-1,9Ti. В России и Японии проводились исследования мартенситностареющих сплавов Fe-Ni-Mn. [2]
Цикл термообработки
[ редактировать ]Сталь сначала отжигают при температуре примерно 820 ° C (1510 ° F) в течение 15–30 минут для тонких профилей и в течение 1 часа на толщину 25 мм (1 дюйм) для тяжелых профилей, чтобы обеспечить образование полностью аустенитизированной структуры. За этим следует охлаждение на воздухе или закалка до комнатной температуры с образованием мягкого, сильно смещенного железо-никелевого пластинчатого (недвойникового) мартенсита. Последующее старение ( дисперсионное твердение ) более распространенных сплавов в течение примерно 3 часов при температуре от 480 до 500 °C (от 900 до 930 °F) приводит к образованию мелкой дисперсии интерметаллических фаз Ni 3 (X,Y) вдоль дислокаций, оставленных мартенситным слоем. трансформация, где X и Y — растворенные элементы, добавленные для такого осаждения. Перестарение приводит к снижению стабильности первичных метастабильных когерентных выделений, что приводит к их растворению и замене полукогерентными фазами Лавеса, такими как Fe 2 Ni/Fe 2 Mo. Дальнейшая чрезмерная термообработка приводит к разложению мартенсита. и возвращение к аустениту.
В более новых составах мартенситностареющих сталей выявлены другие интерметаллические стехиометрии и кристаллографические связи с исходным мартенситом, в том числе ромбоэдрические и массивные комплексные Ni 50 (X,Y,Z) 50 (Ni 50 M 50 в упрощенных обозначениях).
Обработка мартенситностареющей стали
[ редактировать ]Стареюще-стареющие стали являются популярным классом конструкционных материалов из-за их превосходных механических свойств среди различных категорий сталей. Их механические свойства можно адаптировать для различных применений с использованием различных технологий обработки. Некоторые из наиболее широко используемых методов обработки для изготовления и настройки механического поведения мартенситностареющих сталей перечислены ниже:
- Обработка на раствор : Как описано в разделе «Цикл термообработки», мартенситностареющая сталь нагревается до определенного диапазона температур, после чего ее быстро закаливают. На этом этапе легирующие элементы растворяются и однородная микроструктура достигается . Достигнутая таким образом однородная микроструктура улучшает общее механическое поведение мартенситностареющих сталей, например вязкость разрушения и сопротивление усталости.
- Старение мартенситностареющих сталей : это важный этап обработки, поскольку этот этап приводит к выделению интерметаллических соединений, таких как Ni 3 Al, Ni 3 Mo, Ni 3 Ti и т. д. Полукогерентные выделения, полученные при нормальном старении, и некогерентные выделения, полученные после перестарения, способствуют улучшение механического поведения за счет активации различных механизмов упрочнения, связанных с торможением движения дислокаций выделениями. Механизмы упрочнения, такие как преципитационное упрочнение , когда выделения препятствуют движению дислокаций посредством механизма Орована или изгиба дислокаций, приводят к увеличению предела прочности мартенситностареющих сталей. Старение также полезно для уменьшения микроструктурных неоднородностей, которые могут возникнуть из-за неравномерного распределения тепла вдоль направления сборки в образцах, изготовленных с помощью аддитивной дуги. [9]
- Лазерная сварка в слое порошка (LPBF) : Лазерная сварка в слое порошка — это метод аддитивного производства, используемый для создания компонентов сложной геометрии с использованием порошкового металла, который сплавляется вместе слой за слоем с использованием локализованного источника тепла с высокой плотностью мощности, такого как лазер . Материалы могут быть адаптированы для придания им определенных механических свойств путем оптимизации параметров процесса, связанных с LPBF. Было замечено, что такие параметры обработки, как скорость лазерного сканирования, мощность и пространство сканирования, могут оказывать существенное влияние на механические свойства мартенситностареющей стали 300, такие как прочность на разрыв , микротвердость и ударная вязкость . Наряду с параметрами обработки важную роль играет и вид термической обработки, которой подвергают стали LPBF. Замечено, что параметры обработки, имеющие более высокую величину, снижают относительную плотность образца из-за быстрого испарения или создания пустот и пор. Также наблюдается снижение микротвердости и прочности стали после обработки на раствор из-за реверсия аустенита и исчезновение ячеистой микроструктуры. С другой стороны, обработка старением после обработки на раствор увеличивает микротвердость и прочность стали на разрыв, что объясняется образованием выделений, таких как Ni 3 Mo, Ni 3 Ti, Fe 2 Mo. Ударная вязкость увеличивается после обработки на раствор, но снижается после старения. Обработка, которую можно объяснить основной микроструктурой, состоящей из крошечных выделений, действующих как области концентраторов напряжений для образования трещин. [10] Образование наноразмерных выделений интерметаллидов после процесса старения приводит к заметному увеличению текучести и предела прочности при растяжении, но существенному снижению пластичности материала. Это изменение макроскопического поведения материала может быть связано с эволюцией микроструктуры от морфологии трещин с ямочками до квазискола. [11] Старение с последующей обработкой на раствор селективных сталей, выплавленных лазером, также снижает количество остаточного аустенита в мартенситной матрице и приводит к изменению ориентации зерен. [12] Старение может в некоторой степени уменьшить пластическую анизотропию, но на направленность свойств во многом влияет история его изготовления. [13]
- Сильная пластическая деформация : приводит к увеличению плотности дислокаций в материалах, что, в свою очередь, способствует легкому образованию интерметаллических выделений из-за наличия более быстрых путей диффузии через ядра дислокаций. Было замечено, что пластическая деформация перед старением приводит к сокращению пикового времени старения и увеличению пиковой твердости. [14] Морфология выделений в сильно пластически деформированной стали изменяется и становится пластинчатой при старении, что объясняется более высокой плотностью дислокаций. Это, в свою очередь, приводит к значительному снижению пластичности и увеличению прочности материала. Наряду с морфологией, ориентация выделений также играет важную роль в микромеханизме деформации, поскольку они вызывают анизотропию механических свойств. [15]
Использование
[ редактировать ]Прочность и пластичность мартенситностареющей стали на стадии предварительного старения позволяют формовать из нее более тонкие оболочки ракет и ракет, чем из других сталей, что снижает вес при заданной прочности. [16] Стареюще-стареющие стали имеют очень стабильные свойства и даже после перестаривания из-за чрезмерной температуры лишь незначительно размягчаются. Эти сплавы сохраняют свои свойства при слегка повышенных рабочих температурах и имеют максимальную рабочую температуру более 400 °C (750 °F). [ нужна ссылка ] Они подходят для компонентов двигателей, таких как коленчатые валы и шестерни, а также бойков автоматического оружия, которые периодически переходят от нагревания к охлаждению при значительной нагрузке. Их равномерное расширение и легкая обрабатываемость перед старением делают мартенситностареющую сталь полезной в быстроизнашивающихся компонентах сборочных линий и штампов . Другие сверхвысокопрочные стали, такие как сплавы AerMet , не так поддаются механической обработке из-за содержания в них карбидов.
В фехтовании обычно лезвия, используемые на соревнованиях, проводимых под эгидой Международной федерации эскрима, изготавливаются из мартенситностареющей стали. Лезвия для мартенситностареющей стали лучше подходят для фольги и шпаги , поскольку распространение трещин в мартенситностареющей стали происходит в 10 раз медленнее, чем в углеродистой стали, что приводит к менее частым поломкам лезвия и меньшему количеству травм. [я] [17] Нержавеющая мартенситностареющая сталь используется в рамах велосипедов (например, Reynolds 953, представленный в 2013 году). [18] и для гольфа . головки клюшек [19] Он также используется в хирургических компонентах и шприцах для подкожных инъекций, но не подходит для лезвий скальпелей, поскольку отсутствие углерода не позволяет ему хорошо удерживать режущую кромку.
Американский производитель струн для музыкальных инструментов Эрни Болл изготовил специальный тип для электрогитары струн из мартенситностареющей стали, утверждая, что этот сплав обеспечивает большую мощность и улучшенный тональный отклик. [20]
Производство, импорт и экспорт мартенситностареющих сталей некоторыми организациями, такими как США, [21] находится под пристальным контролем международных органов, поскольку он особенно подходит для использования в газовых центрифугах для обогащения урана ; [22] отсутствие мартенситностареющей стали существенно затрудняет процесс обогащения урана. В старых центрифугах использовались алюминиевые трубки, а в современных — композит из углеродного волокна. [ нужна ссылка ]
Физические свойства
[ редактировать ]- Плотность : 8,1 г/см 3 (0,29 фунта/дюйм 3 )
- Удельная теплоемкость , в среднем для 0–100 °C (32–212 °F): 452 Дж/кг·К (0,108 БТЕ/фунт·°F)
- Температура плавления : 1413 °C (2575 °F).
- Теплопроводность : 25,5 Вт/м·К
- Средний коэффициент теплового расширения : 11,3×10. −6 К −1 (20.3×10 −6 °Ф −1 )
- Предел текучести при растяжении : обычно 1400–2400 МПа (200–350 фунтов на квадратный дюйм). [23]
- Предельная прочность на разрыв : обычно 1,6–2,5 ГПа (230–360 фунтов на квадратный дюйм). Существуют марки до 3,5 ГПа (510 фунтов на квадратный дюйм).
- Удлинение при разрыве: до 15%.
- Вязкость разрушения K IC : до 175 МПа·м. 1 ⁄ 2
- Модуль Юнга : 210 ГПа (30 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) [24]
- Модуль сдвига : 77 ГПа (11,2 × 10 6 фунт на квадратный дюйм)
- Модуль объемной деформации : 140 ГПа (20 × 10 6 фунт на квадратный дюйм)
- Твердость (состаренная): 50 HRC (класс 250); 54 HRC (класс 300); 58HRC (класс 350) [25] [26] [27]
См. также
[ редактировать ]- Аэрмет
- USAF-96 и сталь Eglin (недорогие мартенситностареющие стали с меньшим количеством никеля и других дорогих материалов).
Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Однако представление о том, что лезвия из мартенситностареющей стали ломаются, является городской легендой фехтования . Испытания показали, что характер разрушения лопаток углеродистой и мартенситностареющей стали одинаков из-за сходства режима нагружения при изгибе. Кроме того, трещина, скорее всего, зародится в той же точке и будет распространяться по тому же пути (хотя и гораздо медленнее), поскольку распространение трещин при усталости является пластическим, а не микроструктурным явлением.
- ^ Jump up to: а б с Дегармо, Э. Пол; Блэк, Джей Ти; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, с. 119, ISBN 0-471-65653-4
- ^ Jump up to: а б Ша, Вт; Го, Z (26 октября 2009 г.). Стареюще-стареющие стали: моделирование микроструктуры, свойств и применение . Эльзевир.
- ^ ИНКО. «Стареюще-стареющая сталь с 18% никеля – инженерные свойства» . Никелевский институт .
- ^ Раабе, Д.; Сандлёбес, С.; Миллан, Джей-Джей; Понге, Д.; Ассади, Х.; Хербиг, М.; Чой, П.П. (2013), «Технология сегрегации обеспечивает наномасштабное фазовое превращение мартенсита в аустенит на границах зерен: путь к пластичному мартенситу», Acta Materialia , 61 (16): 6132–6152, Bibcode : 2013AcMat..61.6132R , doi : 10.1016/j.actamat.2013.06.055 .
- ^ Дмитриева О.; Понге, Д.; Инден, Г.; Миллан, Дж.; Чой, П.; Ситсма, Дж.; Раабе, Д. (2011), «Химические градиенты на границах фаз между мартенситом и аустенитом в стали, изученные с помощью атомно-зондовой томографии и моделирования», Acta Materialia , 59 (1): 364–374, arXiv : 1402.0232 , Bibcode : 2011AcMat.. 59..364D , doi : 10.1016/j.actamat.2010.09.042 , ISSN 1359-6454 , S2CID 13781776
- ^ Раабе, Д.; Понге, Д.; Дмитриева О.; Сандер, Б. (2009), «Стали с давлением 1,5 ГПа, закаленные нанопреципитатом, с неожиданно высокой пластичностью», Scripta Materialia , 60 (12): 1141, doi : 10.1016/j.scriptamat.2009.02.062
- ^ Адриан П. Муриц, Введение в аэрокосмические материалы , стр. 244, Эльзевир, 2012 г. ISBN 0857095153 .
- ^ Военная спецификация 46850D: СТАЛЬ: ПРЮК, ПЛАСТИНА, ЛИСТ, ПОЛОСА, ПОКОВКИ И ПРОФИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ, СПЛАВ 18 ПРОЦЕНТОВ НИКЕЛЯ, МАРАГИРОВАНИЕ, 200 KSI, 250 KSI, 300 KSI И 350 KSI, ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО, доступно на http://everyspec. .com/MIL-SPECS/MIL-SPECS-MIL-S/MIL-S-46850D_19899/
- ^ Сюй, Сянфан; Гангули, Суприйо; Дин, Цзялуо; Го, Шунь; Уильямс, Стюарт; Мартина, Филомено (2018), «Микроструктурная эволюция и механические свойства мартенситностареющей стали, полученной с помощью процесса производства проволоки + дуговой добавки», Характеристика материалов , 143 : 152–162, doi : 10.1016/j.matchar.2017.12.002 , hdl : 1826 /12819 , S2CID 115137237
- ^ Бай, Ючао; Ян, Юнцян; Ван, Ди; Чжан, Минкан (2017), «Механизм влияния параметров процесса и механизм эволюции механических свойств мартенситностареющей стали 300 путем селективной лазерной плавки», Материаловедение и инженерия: A , 703 : 116–123, doi : 10.1016/j.msea.2017.06 .033
- ^ Сурьяванши, Джьоти; Прашант, КГ; Рамамурти, У. (2017), «Свойства растягивания, разрушения и роста усталостных трещин 3D-печатной мартенситностареющей стали посредством селективного лазерного плавления», Journal of Alloys and Compounds , 725 : 355–364, doi : 10.1016/j.jallcom. 2017.07.177
- ^ Мутуа, Джеймс; Наката, Шинья; Онда, Тецухико; Чен, Чжун-Чун (2018), «Оптимизация параметров выборочного лазерного плавления и влияние посттермической обработки на микроструктуру и механические свойства мартенситностареющей стали», Materials & Design , 139 : 486–497, doi : 10.1016/j.matdes. 2017.11.042
- ^ Муни, Барри; Курусис, Кириак I; Рагхавендра, Рамеш (2019), «Пластическая анизотропия мартенситностареющей стали, изготовленной аддитивным способом: влияние ориентации конструкции и термической обработки», Аддитивное производство , 25 : 19–31, doi : 10.1016/j.addma.2018.10.032 , hdl : 10344 /7510 , S2CID 139243144
- ^ Тянь, Цзялун; Ван, Вэй; Ли, Хуабин; Шахзад, М. Бабар; Шан, Иинь; Цзян, Чжоухуа; Ян, Ке (2019), «Влияние деформации на дисперсионное твердение мартенситностареющей стали в процессе старения», Характеристика материалов , 155 : 109827, doi : 10.1016/j.matchar.2019.109827 , S2CID 199188852
- ^ Джейкоб, Кевин; Рой, Абхинав; Гурураджан, член парламента; Джая, Б. Нагамани (2022), «Влияние дислокационной сети на морфологию выделений и деформационное поведение в мартенситностареющих сталях: моделирование и экспериментальное подтверждение», Materialia , 21 : 101358, doi : 10.1016/j.mtla.2022.101358 , S2CID 246668007
- ^ Джоби Уоррик (11 августа 2012 г.). «Ядерная уловка: выдавая себя за производителя игрушек, китайский торговец якобы искал американские технологии для Ирана» . Вашингтон Пост . Проверено 21 февраля 2014 г.
- ^ Джувиналл, Роберт С.; Маршек, Курт М. (2006). Основы проектирования компонентов машин (Четвертое изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 69. ИСБН 978-0-471-66177-1 .
- ^ «Рейнольдсу исполняется 120 лет: история технологии Рейнольдса» . www.reynoldstechnology.biz . 20 декабря 2018 года . Проверено 29 декабря 2022 г.
- ^ «Стареющая сталь в клюшках для гольфа» . Компендиум по гольфу . Проверено 29 декабря 2022 г.
- ^ «Обтягивающие струны для электрогитары из M-стали» . Эрни Болл . Проверено 15 июля 2020 г.
Струны для электрогитары Ernie Ball M-Steel изготовлены из запатентованного суперкобальтового сплава, намотанного на шестигранную проволоку из мартеинговой стали, что обеспечивает более богатое и полное звучание с мощным звучанием низких частот.
- ^ Сводные федеральные правила, часть 110 — экспорт и импорт ядерного оборудования и материалов , получено 11 ноября 2009 г.
- ^ Патрикаракос, Дэвид (ноябрь 2012 г.). Ядерный Иран: рождение атомного государства . ИБ Таурис. п. 168. ИСБН 978-1-78076-125-1 .
- ^ «Стареющие стали» . imoa.info . Международная молибденовая ассоциация . Проверено 8 апреля 2015 г.
- ^ Оуэ, Юджи; Мацумото, Кодзи (10 сентября 2007 г.). «Контактная усталость скольжения-качения и износ мартенситностареющего стального ролика с ионным азотированием и мелкодисперсной дробеструйной обработкой». Носить . 263 (1–6): 782–789. дои : 10.1016/j.wear.2007.01.055 .
- ^ «Мастеризация стали 250 / VASCOMAX 250» . Сервис Стил Аэроспейс . 10 декабря 2019 г.
- ^ «Мастеризация стали 300 / VASCOMAX 300» . Сервис Стил Аэроспейс . 10 декабря 2019 г.
- ^ «Мастеризация стали 350 / VASCOMAX 350» . Сервис Стил Аэроспейс . 10 декабря 2019 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Таблицы данных по мартенситностареющей стали. Архивировано 15 августа 2016 г. на Wayback Machine.