У подавляющего большинства среднеуглеродистых сталей предел прочности не превышает 1200-1300 МПа. Однако современная техника требует применения сталей с пределом прочности не менее 1500 МПа, обладающих по возможности меньшей чувствительностью к концентраторам напряжений. Таких показателей можно добиться или производством мелкозернистых сталей с номерами зернистости 8…13 баллов, или легированием элементами, снижающими порог хладноломкости (например, никелем), или проведением специальной термической обработки. На сегодняшний день последние два направления являются наиболее перспективными.
Одновременно с введением в сталь никеля в нее вводят такие элементы, как кремний, марганец, молибден, вольфрам и ванадий. Эти элементы препятствуют упрочнению мартенсита при отпуске, позволяя несколько повысить температуру отпуска, тем самым полнее снять внутренние закалочные напряжения.
К таким сталям можно отнести следующие марки: 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 40ХН2СМА, 30Х5МСФА. После закалки с температуры 900 °С и низкого отпуска предел прочности таких сталей доходит до 2000 МПа, а ударная вязкость с использованием образцов с U-образным надрезом доходит до 0,55 МДж/м2.
Не менее эффективной для повышения предела прочности среднеуглеродистых сталей является термомеханическая обработка, совмещающая два механизма упрочнения - пластическую деформацию аустенита и закалку - в единый технологический процесс. В зависимости от условий пластической деформации аустенита различают два вида термомеханической обработки: высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО).
При ВТМО (рисунок 1) сталь деформируют при температуре выше Ас3 и сразу же проводят закалку, чтобы не допустить рекристаллизации аустенита. После закалки проводят низкий отпуск. В результате пластической деформации происходит измельчение аустенита, а после закалки образуется мелкоигольчатый мартенсит. Последующий низкий отпуск приводит к уменьшению концентрации углерода в α-растворе, что приводит к повышению ударной вязкости.
При НТМО (рисунок 2) сталь нагревают до температур выше Ас3 и проводят быстрое охлаждение до температур 500-550 °С. Пластическая деформация проводится при температурах несколько ниже того интервала, при котором происходит рекристаллизация, но при этом следует избегать возможности образования бейнитных структур.
НТМО позволяет в наибольшей степени повысить предел прочности (до 2800 МПа), однако проведение такой обработки в технологическом отношении является более сложным процессом по сравнению с ВТМО. НТМО требует при деформировании большего обжатия, доходящего до 90 %, более мощного оборудования. Все это заметно увеличивает энергоемкость процесса. Поэтому НТМО чаще всего назначается для изделий небольшого сечения и простых форм. Кроме того, такая обработка назначается только для сталей, у которых большая устойчивость переохлажденного аустенита. Например, 30ХГСА, 38ХН3МА, 40ХН, 40ХНМА и т.п.
Среди высокопрочных сталей особую группу представляют мартенситно-стареющие стали. Их особенность в том, что концентрация углерода в них не превышает 0,03 % при высокой концентрации никеля, доходящей до 25 %. Кроме того, в составе таких сталей могут присутствовать такие элементы, как Co, Mo, Ti, Al, Cr и др.
Высокая прочность этих сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного превращения и старения мартенсита. Благодаря высокой концентрации никеля, который стабилизирует γ-твердый раствор, сильно снижается температура γ - α превращения, которое даже при небольших скоростях охлаждения протекает по мартенситному типу. Поэтому мартенситно-стареющие стали закаливают с 800-860 °С на воздухе. Такая закалка приводит к фиксированию пересыщенного железоникелевого α-твердого раствора.
Благодаря высокому содержанию никеля, кобальта и малой концентрации углерода, дислокации в таких сплавах обладают высокой подвижностью, что приводит к повышению пластичности (δ = 18…20 %, ψ = 75…85 %) и ударной вязкости (KCU = 2…3 МДж/м2).
Основное упрочнение достигается в результате старения при температурах 480-520 °С, когда из мартенсита выделяются мелкодисперсные частицы вторичных фаз: Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo и др. При этом наибольший эффект упрочнения при старении вызывают титан и алюминий.
Из мартенситно-стареющих сталей можно отметить такие марки, как 03Х11Н10М2Т, 03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10. Предел прочности у них составляет 1600-2500 МПа. Они характеризуются малой чувствительностью к надрезам и высоким сопротивлением хрупкому разрушению, что обеспечивает им высокую конструкционную прочность в широком температурном диапазоне (от криогенных температур до 450-500 °С). У них практически неограниченная прокаливаемость, хорошая свариваемость, ковкость и обрабатываемость резанием. Недостатком этих сталей является их высокая стоимость.
За последнее время начали появляться совершенно новые высокопрочные стали, относящиеся к классу метастабильных аустенитных сталей (так называемые трипстали). Примерами таких сталей могут служить марки 25Н25М4Г и 30Х9Н8М4Г2С2. Закалка таких сталей проводится с температур 1000-1100 °С.
Одной из особенностей этих сталей является то, что граница начала мартенситного превращения (Мн) лежит ниже 0 °С. Это приводит к высокой вязкости аустенита, хотя и снижает предел текучести. Для упрочнения они подвергаются пластическй деформации при степенях обжатия 50-80 % и при температуре 400-600 °С, лежащей ниже температуры рекристаллизации. При такой обработке деформационное упрочнение совмещается с карбидным упрочнением, происходящим в результате деформационного старения и приводит к повышению предела текучести до 1800 МПа.
Высокая пластичность и вязкость достигаются в результате мартенситного превращения при деформировании. Это происходит в результате того, что аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами. Он становится менее устойчивым (метастабильным). Главное достоинство этих сталей в том, что у них отмечается наиболее высокое сопротивление развитию трещины, что обеспечивает их высокую надежность.