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 созданы не с учетом определенного химического состава, а 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., титан , кальций , редкоземельные элементы или цирконий . [1] [2] Медь, титан, ванадий и ниобий добавляются с целью упрочнения. [2] Эти элементы предназначены для изменения микроструктуры углеродистых сталей, который обычно является феррит - перлит совокупность, чтобы произвести очень тонкую дисперсию сплава карбидов в почти чистоме ферритной матрицы. Это устраняет эффект снижения ударной вязкости перлитной объемной доли, но сохраняет и увеличивает прочность материала за счет уменьшения размера зерна, что в случае феррита увеличивает предел текучести на 50% при каждом уменьшении вдвое среднего диаметра зерна. Усиление осадков также играет второстепенную роль. Их предел текучести может составлять 250–590 мегапаскалей (36 000–86 000 фунтов на кв. Дюйм). Из-за их более высокой прочности и ударной вязкости для формования сталей HSLA обычно требуется на 25-30% больше энергии 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 сульфидных включений, что увеличивает формуемость. Они необходимы, потому что большинство сталей HSLA обладают свойствами, чувствительными к направлению. Формуемость и ударная вязкость могут значительно различаться при испытании в продольном и поперечном направлении к волокну. Изгибы, параллельные продольному волокну, с большей вероятностью растрескаются по внешнему краю, поскольку он испытывает растягивающие нагрузки. Эта характеристика направленности существенно снижается у сталей HSLA, обработанных для контроля формы сульфидов. [2]
Они используются в автомобилях, грузовиках, кранах, мостах, американских горках и других конструкциях, которые предназначены для выдерживания больших нагрузок или требуют хорошего соотношения прочности и веса. [2] Поперечные сечения и конструкции из стали HSLA обычно на 20–30% легче, чем углеродистая сталь той же прочности. [3] [4]
Стали HSLA также более устойчивы к ржавчине, чем большинство углеродистых сталей, из-за отсутствия перлита - мелких слоев феррита (почти чистого железа) и цементита в перлите. [5] Плотность стали HSLA обычно составляет около 7800 кг / м 3 . [6]
Военный броневой лист в основном изготавливается из легированных сталей, хотя часть гражданской брони против стрелкового оружия в настоящее время изготавливается из стали HSLA с закалкой при экстремально низких температурах. [7]
Классификации
- Погодостойкие стали : стали с повышенной коррозионной стойкостью. Типичный пример - COR-TEN.
- Стали контролируемой прокатки : горячекатаные стали с сильно деформированной аустенитной структурой, которая при охлаждении превращается в очень мелкую равноосную ферритную структуру.
- Стали с пониженным содержанием перлита: стали с низким содержанием углерода, в которых образуется мало перлита или не образуется вовсе, а образуется ферритная матрица с очень мелким зерном. Он усилен дисперсионным твердением.
- Игольчатый феррит стали : Эти стали характеризуется очень тонким высокой прочностью игольчатого феррита структуры, очень низким содержанием углерода и хорошей прокаливаемостью .
- Двухфазные стали : эти стали имеют ферритную микроструктуру, которая содержит небольшие равномерно распределенные участки мартенсита. Эта микроструктура придает сталям низкий предел текучести, высокую скорость деформационного упрочнения и хорошую формуемость. [1]
- Микролегированные стали : стали, содержащие очень небольшие добавки ниобия, ванадия и / или титана для получения мелкого размера зерна и / или дисперсионного твердения.
Распространенным типом микролегированной стали является HSLA с улучшенной формуемостью. Она имеет предел текучести до 80000 фунтов на квадратный дюйм (550 МПа), но стоит всего на 24% больше, чем сталь A36 (36000 фунтов на квадратный дюйм (250 МПа)). Одним из недостатков этой стали является то, что она на 30-40% менее пластична . В США эти стали соответствуют стандартам ASTM A1008 / A1008M и A1011 / A1011M для листового металла и A656 / A656M для листов. Эти стали были разработаны для автомобильной промышленности, чтобы уменьшить вес без потери прочности. Примеры использования включают дверные балки, элементы шасси, усиливающие и монтажные кронштейны, детали рулевого управления и подвески, бамперы и колеса. [2] [8]
Классы SAE
Общество автомобильных инженеров (SAE) поддерживает стандарты для сталей HSLA , потому что они часто используются в автомобильной промышленности.
Оценка | % Углерода (макс.) | % Марганца (макс.) | % Фосфора (макс.) | % Серы (макс.) | % Кремния (макс.) | Заметки |
---|---|---|---|---|---|---|
942X | 0,21 | 1,35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием или ванадием |
945A | 0,15 | 1,00 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
945C | 0,23 | 1,40 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
945X | 0,22 | 1,35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием или ванадием |
950A | 0,15 | 1,30 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
950B | 0,22 | 1,30 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
950C | 0,25 | 1,60 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
950D | 0,15 | 1,00 | 0,15 | 0,05 | 0,90 | |
950X | 0,23 | 1,35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием или ванадием |
955X | 0,25 | 1,35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
960X | 0,26 | 1,45 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
965X | 0,26 | 1,45 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
970X | 0,26 | 1,65 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
980X | 0,26 | 1,65 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Обработка ниобием, ванадием или азотом |
Оценка | Форма | Предел текучести (мин) [фунт / кв. Дюйм (МПа)] | Предел прочности на разрыв (мин) [фунт / кв. Дюйм (МПа)] |
---|---|---|---|
942X | Плиты, профили и стержни до 4 дюймов. | 42 000 (290) | 60 000 (414) |
945A, C | Лист и полоса | 45 000 (310) | 60 000 (414) |
Плиты, формы и стержни: | |||
0–0,5 дюйма | 45 000 (310) | 65 000 (448) | |
0,5–1,5 дюйма | 42 000 (290) | 62 000 (427) | |
1,5–3 дюйма | 40 000 (276) | 62 000 (427) | |
945X | Лист, полоса, пластины, профили и стержни до 1,5 дюйма. | 45 000 (310) | 60 000 (414) |
950A, B, C, D | Лист и полоса | 50 000 (345) | 70 000 (483) |
Плиты, формы и стержни: | |||
0–0,5 дюйма | 50 000 (345) | 70 000 (483) | |
0,5–1,5 дюйма | 45 000 (310) | 67 000 (462) | |
1,5–3 дюйма | 42 000 (290) | 63 000 (434) | |
950X | Лист, полоса, пластины, профили и стержни до 1,5 дюйма. | 50 000 (345) | 65 000 (448) |
955X | Лист, полоса, пластины, профили и стержни до 1,5 дюйма. | 55 000 (379) | 70 000 (483) |
960X | Лист, полоса, пластины, профили и стержни до 1,5 дюйма. | 60 000 (414) | 75 000 (517) |
965X | Лист, полоса, пластины, профили и стержни до 0,75 дюйма. | 65 000 (448) | 80 000 (552) |
970X | Лист, полоса, пластины, профили и стержни до 0,75 дюйма. | 70 000 (483) | 85 000 (586) |
980X | Лист, полоса и пластины до 0,375 дюйма. | 80 000 (552) | 95 000 (655) |
Классифицировать | Свариваемость | Формуемость | Стойкость |
---|---|---|---|
Худший | 980X | 980X | 980X |
970X | 970X | 970X | |
965X | 965X | 965X | |
960X | 960X | 960X | |
955X, 950C, 942X | 955X | 955X | |
945C | 950C | 945C, 950C, 942X | |
950B, 950X | 950D | 945X, 950X | |
945X | 950B, 950X, 942X | 950D | |
950D | 945C, 945X | 950B | |
950A | 950A | 950A | |
Лучший | 945A | 945A | 945A |
Контролируемая прокатка сталей HSLA
Механизм
Контролируемая прокатка
Контролируемая прокатка - это метод измельчения зерен стали путем введения большого количества центров зародышеобразования феррита в аустенитную матрицу путем прокатки с контролем температуры, что увеличивает прочность стали. Во время контролируемой прокатки выделяют три основных этапа: [12]
1) Деформация в области рекристаллизации . На этом этапе аустенит подвергается рекристаллизации и измельчению и, таким образом, может измельчать зерна феррита на более поздней стадии.
2) Деформация в нерекристаллизационной области. Зерна аустенита, удлиненные в результате прокатки и полосы деформации, также могут присутствовать в полосе. Удлиненные границы зерен и полосы деформации - все это центры зарождения феррита.
3) Деформация в двухфазной области аустенит-феррит. Зародыши феррита и аустенита подвергаются дальнейшему упрочнению.
Механизм усиления
Стали HSLA, подвергнутые контролируемой прокатке, содержат комбинацию различных механизмов упрочнения. Основной эффект упрочнения достигается за счет измельчения зерна ( упрочнение границ зерен ), когда прочность увеличивается по мере уменьшения размера зерна. Другие механизмы включают упрочнение твердого раствора и дисперсное упрочнение микролегированных элементов. [13] [14] После того, как сталь проходит температуру аустенитно-ферритной области, она подвергается дальнейшему упрочнению путем деформационного упрочнения . [13] [12]
Механические свойства
Стали HSLA, подвергнутые контролируемой прокатке, обычно имеют более высокую прочность и ударную вязкость, а также более низкую температуру вязко-хрупкого перехода [14] и свойства 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 без рекристаллизации и замедляя рост зерен. Nb может как увеличить прочность, так и ударную вязкость за счет ускоренного упрочнения и измельчения зерна. [14] Кроме того, Nb является сильным карбид / нитридообразователем, образующийся Nb (C, N) может препятствовать росту зерен во время перехода аустенит-феррит. [14]
Ванадий: V может значительно повысить прочность и температуру перехода за счет упрочнения осадка. [14]
Титан: Ti имеет небольшое увеличение прочности как за счет измельчения зерна, так и за счет упрочнения осадка.
Nb, V и Ti являются тремя распространенными легирующими элементами в стали HSLA. Все они хорошо образуют карбиды и нитриды [12], где образующиеся выделения могут предотвратить рост зерен за счет закрепления границ зерен. Все они также являются ферритообразователями, которые увеличивают температуру перехода двухфазной области аустенит-феррит и уменьшают область отсутствия рекристаллизации. [12] Уменьшение области без рекристаллизации вызывает образование полос деформации и активированных границ зерен, которые являются альтернативными участками зарождения феррита, отличными от границ зерен. [12]
Другие легирующие элементы предназначены в основном для упрочнения твердого раствора, включая кремний, марганец, хром, медь и никель. [14]
Рекомендации
- ^ a b «Классификация углеродистых и низколегированных сталей» . Проверено 6 октября 2008 .
- ^ а б в г д е «HSLA Steel» . 2002-11-15. Архивировано из оригинала на 2010-01-03 . Проверено 11 октября 2008 .
- ^ ДеГармо, стр. 116.
- ^ Та же плотность, что и у углеродистой стали, см. Следующий абзац.
- ^ Кришан Кант, Лалит Кумар, Каника Верма, Дипак Рават, «Влияние различных параметров процесса при испытании на растяжение и вязкость на качество сварных соединений стали HSLA во время дуговой сварки под флюсом», Международный журнал научных исследований в области науки, техники и технологий (IJSRSET ), Online ISSN: 2394-4099, Print ISSN: 2395-1990, Volume 2 Issue 2, pp. 652-659, март-апрель 2016 г. URL журнала: http://ijsrset.com/IJSRSET1622216}}
- ^ «Свойства нержавеющей стали для автомобильной конструкции» (PDF) . Euro Inox. Июнь 2000 Архивировано из оригинала (PDF) на 2007-09-28 . Проверено 14 августа 2007 .
- ^ "Сталь баллистической защиты Swebor Armor 500" (PDF) . Swebarmor .
- ^ Холоднокатаная листовая сталь , архивировано из оригинала 30 апреля 2008 г. , извлечено 11 октября 2008 г.
- ^ Оберг, стр. 440-441.
- ^ Оберг, стр. 441.
- ^ Оберг, стр. 442.
- ^ а б в г д е Тамура, Имао (1988). Термомеханическая обработка высокопрочных низколегированных сталей . Баттерворт.
- ^ а б в Моррисон, WB (1976). «Контролируемая прокатка». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 282 : 289–303.
- ^ а б в г д е Танака, Т. (1981). «Контролируемая прокатка стального листа и полосы». Международные обзоры металлов . 26: 1 : 185–212.
Источники
- Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
- Oberg, E .; и другие. (1996), Справочник по машинному оборудованию (25-е изд.), Industrial Press Inc.