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. Они имеют содержание углерода от 0,05 до 0,25%, что позволяет сохранить 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] Медь, титан, ванадий и ниобий добавляются в целях упрочнения. [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 где-то между 250–590 мегапаскалями (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]
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]
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]
Общество инженеров автомобильной промышленности (SAE) поддерживает стандарты для марок стали HSLA, поскольку они часто используются в автомобильной промышленности.
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 подвергаются нагартовке.
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]
Контрольно-катаные стали HSLA обычно имеют более высокую прочность и ударную вязкость, а также более низкую температуру пластично-хрупкого перехода [15] и свойства вязкого 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 расширяя область нерекристаллизации и замедляя 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 нитридообразователями [13] , где образующиеся выделения могут препятствовать росту 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 вызывает образование полос деформации и активированных границ зерен, которые являются альтернативными местами зарождения феррита, отличными от границ зерен. [13]
Другие легирующие элементы в основном предназначены для упрочнения твердого раствора, включая кремний, марганец, хром, медь и никель. [15]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )