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]
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]
Общество инженеров-автомобилестроителей (SAE) поддерживает стандарты для марок стали HSLA, поскольку они часто используются в автомобильной промышленности.
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]
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, образовавшийся 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 имеет 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 зерна, закрепляя границу зерна. Они также являются ферритообразователями, которые повышают температуру перехода двухфазной области аустенита-феррита и уменьшают область нерекристаллизации. [12] Уменьшение области нерекристаллизации вызывает образование полос деформации и активированных границ зерен, которые являются альтернативным местом зарождения феррита, отличным от границ зерен. [12]
Другие легирующие элементы в основном предназначены для упрочнения твердого раствора, включая кремний, марганец, хром, медь и никель. [14]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )