Мартенситная сталь

Сталь, известная своей прочностью и вязкостью

Мартенситные стали ( гибрид « мартенситный » и «стареющий») — это стали , которые известны тем, что обладают превосходной прочностью и вязкостью без потери пластичности . Старение относится к длительному процессу термообработки. Эти стали представляют собой особый класс сверхнизкоуглеродистых сверхвысокопрочных сталей, которые получают свою прочность не от углерода, а от осаждения интерметаллических соединений. Основным легирующим элементом является 15–25 % по весу никеля . ^[1] Вторичные легирующие элементы, которые включают кобальт , молибден и титан , добавляются для получения интерметаллических осадков . [ ^1] Первоначальная разработка (Бибером из Inco в конце 1950-х годов) была выполнена на 20 и 25% по весу никелевых сталях, к которым были сделаны небольшие добавки алюминия , титана и ниобия ; рост цен на кобальт в конце 1970-х годов привел к разработке мартенситных сталей без кобальта. ^[2]

Обычные, не нержавеющие марки содержат 17–19% по весу никеля, 8–12% по весу кобальта, 3–5% по весу молибдена и 0,2–1,6% по весу титана. ^[3] Добавление хрома позволяет получить нержавеющие марки, устойчивые к коррозии. Это также косвенно повышает прокаливаемость , поскольку для них требуется меньше никеля; стали с высоким содержанием хрома и никеля, как правило, являются аустенитными и не способны превращаться в мартенсит при термообработке, в то время как стали с низким содержанием никеля могут превращаться в мартенсит. Альтернативные варианты мартенситно-стареющих сталей с пониженным содержанием никеля основаны на сплавах железа и марганца с небольшими добавками алюминия, никеля и титана, где использовались составы от Fe-9% по весу Mn до Fe-15% по весу Mn. ^[4] Марганец оказывает такое же действие, как и никель, то есть стабилизирует аустенитную фазу. Таким образом, 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 разрабатывать мартенситно-стареющие TRIP-стали, где TRIP означает пластичность, вызванную трансформацией. ^[6]

Характеристики

Благодаря низкому содержанию углерода (менее 0,03%) ^[7] мартенситностареющие стали обладают хорошей обрабатываемостью . Перед старением их также можно подвергать холодной прокатке до 90% без образования трещин. Мартенситностареющие стали обладают хорошей свариваемостью , но затем их необходимо старить для восстановления первоначальных свойств в зоне термического влияния . ^[1]

При термообработке сплав имеет очень мало размерных изменений, поэтому его часто обрабатывают до окончательных размеров. Благодаря высокому содержанию легирующих элементов мартенситно-стареющие стали обладают высокой прокаливаемостью. Поскольку при охлаждении образуются пластичные мартенситы FeNi, трещины отсутствуют или незначительны. Стали можно азотировать для повышения твердости и полировать до получения чистой поверхности.

Не нержавеющие сорта мартенситной стали умеренно коррозионно -стойкие и противостоят коррозии под напряжением и водородной хрупкости . Коррозионная стойкость может быть повышена путем кадмирования или фосфатирования .

Марки мартенситностареющей стали

Мартенситностареющие стали обычно описываются числом (например, марки стали SAE 200, 250, 300 или 350), которое указывает приблизительную номинальную прочность на растяжение в тысячах фунтов на квадратный дюйм (ksi); составы и требуемые свойства определены в военном стандарте США MIL-S-46850D. ^[8] Более высокие марки содержат больше кобальта и титана в сплаве; приведенные ниже составы взяты из таблицы 1 MIL-S-46850D:

Это семейство известно как мартенситные стали 18Ni, из-за процентного содержания никеля. Существует также семейство мартенситных сталей без кобальта, которые дешевле, но не настолько прочны; одним из примеров является Fe-18.9Ni-4.1Mo-1.9Ti. Были проведены российские и японские исследования мартенситных сплавов Fe-Ni-Mn. ^[2]

Цикл термообработки

Сначала сталь отжигают при температуре около 820 °C (1510 °F) в течение 15–30 минут для тонких сечений и в течение 1 часа на каждые 25 мм (1 дюйм) толщины для толстых сечений, чтобы обеспечить формирование полностью аустенитизированной структуры. Затем следует воздушное охлаждение или закалка до комнатной температуры для формирования мягкого, сильно дислоцированного железоникелевого реечного (недвойникованного) 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) дает тонкую дисперсию интерметаллических фаз Ni ₃ (X,Y) вдоль дислокаций, оставленных мартенситным превращением, где X и Y являются растворенными элементами, добавленными для такого осаждения. Перестаривание приводит к снижению стабильности первичных, метастабильных, когерентных выделений, что приводит к их растворению и замене полукогерентными фазами Лавеса, такими как Fe2Ni _/ Fe2Mo _. Дальнейшая чрезмерная термообработка приводит к распаду мартенсита и возвращению его в аустенит.

В новых составах мартенситностареющих сталей обнаружены другие интерметаллические стехиометрии и кристаллографические соотношения с исходным мартенситом, включая ромбоэдрический и массивный комплекс Ni ₅₀ (X,Y,Z) ₅₀ (Ni ₅₀ M ₅₀ в упрощенной записи).

Обработка мартенситностареющей стали

Мартенситные стали являются популярным классом конструкционных материалов из-за их превосходных механических свойств среди различных категорий стали. Их механические свойства могут быть адаптированы для различных применений с использованием различных методов обработки. Некоторые из наиболее широко используемых методов обработки для производства и настройки механического поведения мартенситных сталей перечислены ниже:

• Обработка раствором : Как описано в разделе Цикл термической обработки, мартенситно-стареющая сталь нагревается до определенного температурного диапазона, после чего она быстро закаливается. На этом этапе легирующие элементы растворяются, и достигается однородная микроструктура . Достигнутая таким образом однородная микроструктура улучшает общее механическое поведение мартенситно-стареющих сталей, такое как вязкость разрушения и сопротивление усталости.
• Старение мартенситностареющих сталей : это важный этап обработки, поскольку этот этап приводит к осаждению интерметаллических соединений, таких как Ni ₃ Al, Ni ₃ Mo, Ni ₃ Ti и т. д. Полукогерентные осадки, полученные во время нормального старения, и некогерентные осадки, полученные после перестаривания, способствуют улучшению механического поведения за счет активации различных механизмов упрочнения, связанных с затруднением движения дислокаций выделениями. Механизмы упрочнения, такие как упрочнение выделениями , когда выделения препятствуют движению дислокаций через механизм Орована или изгиб дислокации, приводят к увеличению предельной прочности мартенситностареющих сталей. Старение также полезно для уменьшения микроструктурных неоднородностей, которые могут возникать из-за неравномерного распределения тепла вдоль направления построения в образцах, изготовленных методом дуговой аддитивной обработки. ^[9]
• Лазерная порошковая сплавка (LPBF) : Лазерная порошковая сплавка — это технология аддитивного производства, используемая для создания компонентов сложной геометрии с использованием порошкового металла, который сплавляется вместе слой за слоем с использованием локализованного источника тепла высокой плотности мощности, такого как лазер . Материалы могут быть адаптированы для получения определенных механических свойств путем оптимизации параметров процесса, связанных с LPBF. Было замечено, что параметры обработки, такие как скорость сканирования лазера, мощность и пространство сканирования, могут оказывать значительное влияние на механические свойства мартенситно-стареющей стали 300, такие как предел прочности , микротвердость и ударная вязкость . Наряду с параметрами обработки важную роль также играет тип термической обработки, которой подвергаются стали LPBF. Замечено, что параметры обработки, которые имеют более высокую величину, снижают относительную плотность образца из-за быстрого испарения или создания пустот и пор. Также замечено, что микротвердость и прочность стали снижаются после обработки на твердый раствор из-за реверсии аустенита и исчезновения ячеистой микроструктуры. С другой стороны, старение после обработки на твердый раствор увеличивает микротвердость и прочность стали на растяжение, что объясняется образованием осадков, таких как Ni ₃ Mo, Ni ₃ Ti, Fe ₂ Mo. Ударная вязкость увеличивается после обработки на твердый раствор, но уменьшается после обработки на старение, что можно объяснить базовой микроструктурой, состоящей из крошечных осадков, действующих как области концентраторов напряжений для образования трещин. ^[10] Образование наномасштабных осадков интерметаллических соединений после процесса старения приводит к заметному увеличению текучести и предельной прочности на растяжение, но существенному снижению пластичности материала. Это изменение макроскопического поведения материала может быть связано с эволюцией микроструктуры от ямочной до квазисколовой морфологии излома. ^[11] Старение с последующей обработкой на твердый раствор селективно расплавленных лазером сталей также уменьшает количество остаточного аустенита в мартенситной матрице и приводит к изменению ориентации зерен. ^[12] Старение может в некоторой степени уменьшить пластическую анизотропию, но направленность свойств в значительной степени зависит от истории его изготовления. ^[13]
• Сильная пластическая деформация : приводит к увеличению плотности дислокаций в материалах, что в свою очередь способствует легкому образованию интерметаллических осадков 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 осадков в стали, подвергнутой сильной пластической деформации, изменяется и становится пластинчатой ​​при перестаривании, что объясняется более высокой плотностью дислокаций. Это, в свою очередь, приводит к значительному снижению пластичности и повышению прочности материала. Наряду с морфологией, ориентация осадков также играет важную роль в микромеханизме деформации, поскольку они вызывают анизотропию механических свойств. ^[15]

Использует

Прочность и пластичность мартенситной стали на стадии предварительного старения позволяют формировать из нее более тонкие ракетные и ракетные оболочки, чем из других сталей, что снижает вес при заданной прочности. ^[16] Мартенситные стали обладают очень стабильными свойствами и даже после перестаривания из-за чрезмерной температуры лишь слегка размягчаются. Эти сплавы сохраняют свои свойства при умеренно повышенных рабочих температурах и имеют максимальные рабочие температуры более 400 °C (750 °F). ^{[ необходима цитата ]} Они подходят для деталей двигателей, таких как коленчатые валы и шестерни, а также ударников автоматического оружия, которые многократно переходят из горячего состояния в холодное под значительной нагрузкой. Их равномерное расширение и легкая обрабатываемость до старения делают мартенситную сталь полезной для изготовления быстроизнашивающихся компонентов сборочных линий и штампов . Другие сверхвысокопрочные стали, такие как сплавы AerMet , не так поддаются обработке из-за содержания в них карбидов.

В фехтовании клинки , используемые в соревнованиях, проводимых под эгидой Fédération Internationale d'Escrime, обычно изготавливаются из мартенситностареющей стали. Мартенситностареющие клинки превосходны для рапиры и шпаги , поскольку распространение трещин в мартенситностареющей стали в 10 раз медленнее, чем в углеродистой стали, что приводит к менее частой поломке клинка и меньшему количеству травм. ^{[i] [17]} Нержавеющая мартенситностареющая сталь используется в рамах велосипедов (например, Reynolds 953, представленная в 2013 году) ^[18] и головках клюшек для гольфа . ^[19] Она также используется в хирургических компонентах и ​​шприцах для подкожных инъекций, но не подходит для лезвий скальпелей, поскольку отсутствие углерода не позволяет ей сохранять хорошую режущую кромку.

Мартенситностареющая сталь используется в нефтегазовом секторе в качестве скважинных инструментов и компонентов благодаря своей высокой механической прочности. ^[20] Устойчивость стали к водородной хрупкости имеет решающее значение в скважинных средах, где воздействие сероводорода (H₂S) может привести к деградации материала и выходу его из строя. ^[21]

Американский производитель струн для музыкальных инструментов Эрни Болл создал специальный тип струн для электрогитары из мартенситностареющей стали, утверждая, что этот сплав обеспечивает большую выходную мощность и улучшенную тональную реакцию. ^[22]

Производство, импорт и экспорт мартенситностареющих сталей некоторыми субъектами, такими как Соединенные Штаты, ^[23] тщательно контролируется международными органами, поскольку они особенно подходят для использования в газовых центрифугах для обогащения урана ; ^[24] отсутствие мартенситностареющей стали значительно затрудняет процесс обогащения урана. В старых центрифугах использовались алюминиевые трубки, в то время как в современных используется композит из углеродного волокна. ^{[ необходима цитата ]}

Физические свойства

• Плотность : 8,1 г/см ³ (0,29 фунта/дюйм ³ )
• Удельная теплоемкость , средняя 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 ^K  − ¹ (20,3×10−6 ^°  F ⁻¹ )
• Предел текучести при растяжении : обычно 1400–2400 МПа (200–350 тыс. фунтов на кв. дюйм) ^[25]
• Предел прочности на разрыв : обычно 1,6–2,5 ГПа (230–360 ksi). Существуют марки до 3,5 ГПа (510 ksi)
• Удлинение при разрыве: до 15%
• Трещиностойкость K _{IC : до 175 МПа·м} ^{1 ⁄ 2}
• Модуль Юнга : 210 ГПа (30 × 10 ⁶  фунтов на квадратный дюйм) ^[26]^
• Модуль сдвига : 77 ГПа (11,2 × 10 ⁶  фунтов на кв. дюйм)^
• Модуль упругости : 140 ГПа (20 × 10 ⁶  фунтов на кв. дюйм)^
• Твердость (состаренная): 50 HRC (класс 250); 54 HRC (класс 300); 58 HRC (класс 350) ^{[27] [28] [29]}

Смотрите также

• Аэрмет
• Сталь USAF-96 и Eglin (недорогие мартенситностареющие стали с меньшим содержанием никеля и других дорогих материалов.)

Ссылки

1. Однако представление о том, что лезвия из мартенситной стали ломаются, является городской легендой фехтовальщиков . Испытания показали, что модели поломки лезвий из углеродистой и мартенситной стали идентичны из-за сходства режима нагрузки при изгибе. Кроме того, трещина, скорее всего, начнется в одной и той же точке и будет распространяться по тому же пути (хотя и гораздо медленнее), поскольку распространение трещин при усталости является пластическим явлением, а не микроструктурным.

1. Дегармо, Э. Пол; Блэк, Дж. Т.; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, стр. 119, ISBN 0-471-65653-4
2. Sha, W; Guo, Z (2009-10-26). Мартенситностареющие стали: моделирование микроструктуры, свойств и применения . Elsevier.
3. INCO. "18%-ная никелевая мартенситностареющая сталь – Технические свойства". Институт никеля .
4. Раабе, Д.; Сандлёбес, С.; Миллан, Дж. Дж.; Понге, Д.; Ассади, Х.; Хербиг, М.; Чой, ПП (2013), «Сегрегационная инженерия 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.
5. 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
6. Раабе, Д.; Понге, Д.; Дмитриева, О.; Сандер, Б. (2009), «Нано-преципитатно-упрочненные 1,5 ГПа стали с неожиданно высокой пластичностью», Scripta Materialia , 60 (12): 1141, doi :10.1016/j.scriptamat.2009.02.062
7. Адриан П. Муриц, Введение в аэрокосмические материалы, стр. 244, Elsevier, ISBN 0857095153, 2012 г. 
8. Военные технические условия 46850D: СТАЛЬ: ПРУТКИ, ПЛИТЫ, ЛИСТЫ, ПОЛОСЫ, ПОКОВКИ И ПРОФИЛИ, 18-ПРОЦЕНТНЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ, МАРЖЕВИТНО-СТАРЕЮЩАЯ, 200 KSI, 250 KSI, 300 KSI и 350 KSI, ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА, доступно на сайте http://everyspec.com/MIL-SPECS/MIL-SPECS-MIL-S/MIL-S-46850D_19899/
9. Xu, Xiangfang; Ganguly, Supriyo; Ding, Jialuo; Guo, Shun; Williams, Stewart; Martina, Filomeno (2018), «Микроструктурная эволюция и механические свойства мартенситностареющей стали, произведенной методом аддитивного производства проволока + дуга», Materials Characterization , 143 : 152–162, doi : 10.1016/j.matchar.2017.12.002, hdl : 1826/12819 , S2CID  115137237
10. Бай, Юйчао; Ян, Юнцян; Ван, Ди; Чжан, Минкан (2017), «Механизм влияния параметров процесса и механизм эволюции механических свойств мартенситно-стареющей стали 300 путем селективной лазерной плавки», Материаловедение и машиностроение: A , 703 : 116–123, doi : 10.1016/j.msea.2017.06.033
11. Suryawanshi, Jyoti; Prashanth, KG; Ramamurty, U. (2017), «Свойства растяжения, разрушения и роста усталостных трещин мартенситно-стареющей стали, напечатанной на 3D-принтере с помощью селективной лазерной плавки», Журнал сплавов и соединений , 725 : 355–364, doi :10.1016/j.jallcom.2017.07.177
12. Мутуа, Джеймс; Наката, Шинья; Онда, Тетсухико; Чэнь, Чжун-Чунь (2018), «Оптимизация параметров селективной лазерной плавки и влияние последующей термической обработки на микроструктуру и механические свойства мартенситно-стареющей стали», Materials & Design , 139 : 486–497, doi :10.1016/j.matdes.2017.11.042
13. Муни, Барри; Курусис, Кириакос I; Рагхавендра, Рамеш (2019), «Пластическая анизотропия мартенситностареющей стали, изготовленной аддитивным способом: влияние ориентации сборки и термообработки», Аддитивное производство , 25 : 19–31, doi : 10.1016/j.addma.2018.10.032, hdl : 10344/7510 , S2CID  139243144
14. Тянь, Цзялун; Ван, Вэй; Ли, Хуабинг; Шахзад, М. Бабар; Шань, Иинь; Цзян, Чжоухуа; Ян, Кэ (2019), «Влияние деформации на поведение дисперсионного твердения мартенситностареющей стали в процессе старения», Характеристика материалов , 155 : 109827, doi : 10.1016/j.matchar.2019.109827, S2CID  199188852
15. Jacob, Kevin; Roy, Abhinav; Gururajan, MP; Jaya, B Nagamani (2022), "Влияние дислокационной сети на морфологию выделений и деформационное поведение мартенситно-стареющих сталей: моделирование и экспериментальная проверка", Materialia , 21 : 101358, doi :10.1016/j.mtla.2022.101358, S2CID  246668007
16. Джоби Уоррик (2012-08-11). «Ядерная уловка: выдавая себя за производителя игрушек, китайский торговец якобы искал американские технологии для Ирана». The Washington Post . Получено 2014-02-21 .
17. Джувиналл, Роберт С.; Маршек, Курт М. (2006). Основы проектирования компонентов машин (четвертое издание). John Wiley & Sons, Inc. стр. 69. ISBN 978-0-471-66177-1.
18. "Reynolds исполняется 120: история Reynolds Technology". www.reynoldstechnology.biz . 20 декабря 2018 г. Получено 29 декабря 2022 г.
19. "Мартенсово-стареющая сталь в клюшках для гольфа". Golf Compendium . Получено 29.12.2022 .
20. "Влияние мартенситностареющей стали 18NI300-AM на 3D-печать". Stanford Advanced Materials . Получено 1 августа 2024 г.
21. Гаррисон, WM; Муди, NR (2012). "Глава 12 - Водородное охрупчивание высокопрочных сталей". В Gangloff, Richard (ред.). Газообразная водородная хрупкость материалов в энергетических технологиях . Woodhead Publishing. стр. 421–492. ISBN 9781845696771.
22. "Slinky M-Steel Electric Guitar Strings". Ernie Ball . Получено 15 июля 2020 г. Струны для электрогитары Ernie Ball M-Steel изготовлены из запатентованного сплава Super Cobalt, обернутого вокруг шестигранной проволоки из стали Maraging, что обеспечивает более насыщенный и полный тон с мощным откликом на низких частотах.
23. Свод федеральных правил, часть 110 — экспорт и импорт ядерного оборудования и материалов , получено 11 ноября 2009 г.
24. Патрикаракос, Дэвид (ноябрь 2012 г.). Ядерный Иран: рождение атомного государства . ИБ Таурис. п. 168. ИСБН 978-1-78076-125-1.
25. "Maraging Steels". imoa.info . Международная ассоциация молибдена . Получено 8 апреля 2015 г. .
26. Охуэ, Юджи; Мацумото, Кодзи (10 сентября 2007 г.). «Усталость при контакте скольжения–качения и износ мартенситно-стареющего стального ролика с ионным азотированием и мелкодисперсной дробеструйной обработкой». Wear . 263 (1–6): 782–789. doi :10.1016/j.wear.2007.01.055.
27. "Maraging 250 / VASCOMAX 250 Steel". Service Steel Aerospace . 10 декабря 2019 г.
28. "Maraging 300 / VASCOMAX 300 Steel". Service Steel Aerospace . 10 декабря 2019 г.
29. "Maraging 350 / VASCOMAX 350 Steel". Service Steel Aerospace . 10 декабря 2019 г.

Внешние ссылки

• Технические характеристики мартенситностареющей стали Архивировано 15 августа 2016 г. на Wayback Machine