Легированная сталь — это сталь , в которую добавлены различные элементы в количестве от 1,0% до 50% по весу, как правило, для улучшения ее механических свойств .
Легированные стали делятся на две группы: низколегированные и высоколегированные. Граница между ними является спорной. Смит и Хашеми определяют разницу в 4,0%, [1] в то время как Дегармо и др . определяют ее в 8,0%. [2] Большинство легированных сталей являются низколегированными.
Простейшие стали — это железо (Fe), легированное (0,1–1%) углеродом (C) и ничем другим (за исключением небольших примесей); их называют углеродистыми сталями . Однако легированная сталь охватывает стали с дополнительными (металлическими) легирующими элементами. Распространенные легирующие элементы включают марганец (Mn) (наиболее распространенный), никель (Ni), хром (Cr), молибден (Mo), ванадий (V), кремний (Si) и бор (B). Менее распространенные легирующие элементы включают алюминий (Al), кобальт (Co), медь (Cu), церий (Ce), ниобий (Nb), титан (Ti), вольфрам (W), олово (Sn), цинк (Zn), свинец (Pb) и цирконий (Zr).
Легированные стали по-разному улучшают прочность , твердость , вязкость , износостойкость , коррозионную стойкость , прокаливаемость и горячую твердость . Для достижения этих улучшенных свойств металлу может потребоваться особая термическая обработка в сочетании со строгими протоколами охлаждения.
Хотя легированные стали изготавливались на протяжении столетий, их металлургия не была хорошо понята, пока прогрессирующая химическая наука девятнадцатого века не раскрыла их состав. Легированные стали прежних времен были дорогой роскошью, изготавливаемой по образцу «секретных рецептов» и выкованной в такие инструменты, как ножи и мечи. Легированные стали машинного века были разработаны как улучшенные инструментальные стали и как недавно доступные нержавеющие стали . Легированные стали имеют множество применений, от ручных инструментов и столовых приборов до лопаток турбин реактивных двигателей и в ядерных реакторах.
Благодаря ферромагнитным свойствам железа некоторые сплавы находят важное применение там, где их реакция на магнетизм имеет большое значение, в том числе в электродвигателях и трансформаторах.
Легирующие элементы добавляются для достижения определенных свойств в результате. Легирующие элементы могут влиять на множество свойств — гибкость, прочность, формуемость и закаливаемость. [4] Как правило, легирующие элементы добавляются в меньших процентах (менее 5%) для повышения прочности или закаливаемости или в больших процентах (более 5%) для достижения таких свойств, как коррозионная стойкость или экстремальная температурная стабильность. [2]
Легирующие элементы имеют тенденцию образовывать либо твердые растворы, либо соединения, либо карбиды.
Легирующие элементы также оказывают влияние на эвтектоидную температуру стали.
Свойства стали зависят от ее микроструктуры: расположения различных фаз , некоторые более твердые, некоторые с большей пластичностью . На атомном уровне четыре фазы автомобильной стали включают мартенсит (самая твердая, но самая хрупкая), бейнит (менее твердая), феррит (более пластичная) и аустенит (наиболее пластичная). Фазы упорядочиваются сталеваром путем манипулирования интервалами (иногда всего лишь секундами) и температурами процесса нагрева и охлаждения. [9]
TRIP-стали преобразуются под действием деформации из относительно пластичных в относительно твердые под действием деформации, например, при автомобильной аварии. Такая деформация преобразует аустенитную микроструктуру в мартенситную микроструктуру. TRIP-стали используют относительно высокое содержание углерода для создания аустенитной микроструктуры. Относительно высокое содержание кремния/алюминия подавляет осаждение карбидов в области бейнита и помогает ускорить образование феррита/бейнита. Это помогает удерживать углерод для поддержки аустенита при комнатной температуре. Специальный процесс охлаждения снижает превращение аустенита в мартенсит во время формовки. TRIP-стали обычно требуют изотермической выдержки при промежуточной температуре во время охлаждения, что приводит к образованию некоторого количества бейнита. Дополнительные требования к кремнию/углероду требуют модификации цикла сварки, такой как использование пульсирующей сварки или сварки с разбавлением. [10]
В одном подходе сталь нагревают до высокой температуры, немного охлаждают, выдерживают в стабильном состоянии в течение некоторого времени, а затем закаливают. Это создает островки аустенита, окруженные матрицей более мягкого феррита, с областями более твердого бейнита и мартенсита. Полученный продукт может поглощать энергию без разрушения, что делает его полезным для автомобильных деталей, таких как бамперы и стойки. Доступны три поколения усовершенствованной высокопрочной стали. Первое было создано в 1990-х годах, увеличивая прочность и пластичность. Второе поколение использовало новые сплавы для дальнейшего повышения пластичности, но было дорогим и сложным в производстве. Третье поколение начинает внедряться. Усовершенствованные схемы нагрева и охлаждения увеличивают как прочность, так и пластичность (по сравнению со 2-м поколением). Утверждается, что эти стали приближаются к прочности более ранних сталей почти в десять раз; и они намного дешевле в производстве. [10]