Марагинговые стали: состав, свойства и применение.

Введение

Сталь, известная своей прочностью и вязкостью.

Маргаринговые стали (образовано от слияния слов "мартенситный" и "старение") – это стали, известные своей превосходной прочностью и вязкостью без потери пластичности. Старение относится к длительному процессу термической обработки. Эти стали представляют собой особый класс ультравысокопрочных сталей с очень низким содержанием углерода, которые получают свою прочность не от углерода, а от осаждения межметаллических соединений. Основным легирующим элементом является 15–25 масс. % никеля. Вторичные легирующие элементы, включая кобальт, молибден и титан, добавляются для формирования межметаллических осадков. Распространенные марки, не являющиеся нержавеющими, содержат 17–19 масс. % никеля, 8–12 масс. % кобальта, 3–5 масс. % молибдена и 0,2–1,6 масс. % титана. Добавление хрома обеспечивает коррозионную стойкость нержавеющих марок. Это также косвенно повышает закаливаемость, поскольку требуется меньше никеля; высокохромистые, высоконикелевые стали обычно аустенитны и не способны превращаться в мартенсит при термической обработке, в то время как низконикелевые стали могут превращаться в мартенсит. Альтернативные варианты маргаринговых сталей с пониженным содержанием никеля основаны на сплавах железа и марганца с незначительными добавками алюминия, никеля и титана, где используются составы от Fe–9 масс. % Mn до Fe–15 масс. % Mn. Марганец оказывает аналогичное никелю воздействие, то есть стабилизирует аустенитную фазу. Следовательно, в зависимости от содержания марганца, стали Fe–Mn маргарингового типа могут быть полностью мартенситными после закалки из высокотемпературной аустенитной фазы или содержать остаточный аустенит. Последний эффект позволяет создавать маргаринговые стали TRIP, где TRIP означает "пластичность, индуцированная фазовым превращением".

Свойства

Благодаря низкому содержанию углерода (менее 0,03%) марганцевые стали обладают хорошей обрабатываемостью. Перед старением их также можно подвергать холодной прокатке до 90% без образования трещин. Марганцевые стали демонстрируют хорошую свариваемость, однако после сварки требуется старение для восстановления исходных свойств в зоне термического влияния. Более высокие марки содержат больше кобальта и титана в сплаве; составы приведены в таблице 1 MIL S 46850D:

+ Составы марганцевых сталей по маркам. Элемент | Марка 200 | Марка 250 | Марка 300 | Марка 350
---|---|---|---|---
Железо | основа | основа | основа | основа
Никель | 17,0–19,0 | 17,0–19,0 | 18,0–19,0 | 18,0–19,0
Кобальт | 8,0–9,0 | 7,0–8,5 | 8,5–9,5 | 11,5–12,5
Молибден | 3,0–3,5 | 4,6–5,2 | 4,6–5,2 | 4,6–5,2
Титан | 0,15–0,25 | 0,3–0,5 | 0,5–0,8 | 1,3–1,6
Алюминий | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 | 0,05–0,15
Предел прочности при растяжении, МПа (ksi) | | | |

Это семейство известно как 18Ni марганцевые стали, по процентному содержанию никеля. Существует также семейство марганцевых сталей без кобальта, которые дешевле, но не столь прочны; одним из примеров является Fe 18.9Ni 4.1Mo 1.9Ti. Российские и японские исследования проводились в области сплавов Fe Ni Mn. Лазерное порошковое сплавление (LPBF): Лазерное порошковое сплавление – это аддитивная технология, используемая для создания компонентов сложной геометрии из порошкового металла, который сплавляется слой за слоем с помощью локализованного источника тепла высокой плотности мощности, такого как лазер. Состав материалов можно адаптировать для достижения определенных механических свойств путем оптимизации параметров процесса, связанных с LPBF. Установлено, что параметры обработки, такие как скорость сканирования лазером, мощность и шаг сканирования, оказывают значительное влияние на механические свойства стали марки 300, такие как предел прочности при растяжении, микротвердость и ударная вязкость. Наряду с параметрами обработки, важную роль играет также тип термической обработки, применяемой к сталям, изготовленным методом LPBF. Параметры обработки с более высокими значениями снижают относительную плотность образца из-за быстрого испарения или образования пустот и пор. Также отмечается, что микротвердость и прочность стали снижаются после отжига из-за обратного превращения аустенита и исчезновения клеточной микроструктуры. С другой стороны, старение после отжига повышает микротвердость и предел прочности на растяжение стали, что связано с образованием выделений, таких как Ni3Mo, Ni3Ti, Fe2Mo. Ударная вязкость увеличивается после отжига, но уменьшается после старения, что может быть связано с микроструктурой, состоящей из мелких выделений, действующих как концентраторы напряжений для образования трещин. Формирование наноразмерных выделений интерметаллических соединений после процесса старения приводит к значительному увеличению предела текучести и прочности на разрыв, но к существенному снижению пластичности материала. Это изменение макроскопического поведения материала можно связать с эволюцией микроструктуры от ямочного типа разрушения до квазирасщепляющегося. Отжиг, за которым следует старение, сталей, изготовленных методом селективного лазерного плавления, также уменьшает количество остаточного аустенита в мартенситной матрице и приводит к изменению ориентации зерен. Старение может в некоторой степени уменьшить пластическую анизотропию, но направленность свойств в значительной степени определяется историей изготовления. Сильная пластическая деформация: Она приводит к увеличению плотности дислокаций в материалах, что, в свою очередь, облегчает образование интерметаллических выделений благодаря наличию более быстрых путей диффузии через дислокационные ядра. Установлено, что пластическая деформация перед старением приводит к сокращению времени пикового старения и увеличению пиковой твердости. Морфология выделений в сильно пластически деформированной стали изменяется и становится пластинчатой при перестаревании, что связано с более высокой плотностью дислокаций. Это, в свою очередь, приводит к значительному снижению пластичности и увеличению прочности материала. Наряду с морфологией, ориентация выделений также играет важную роль в микромеханизме деформации, поскольку они индуцируют анизотропию механических свойств.

That family is known as the 18Ni maraging steels, from its nickel percentage. There is also a family of cobalt free maraging steels which are cheaper but not quite as strong; one example is Fe 18.9Ni 4.1Mo 1.9Ti. There has been Russian and Japanese research in Fe Ni Mn maraging alloys. Laser Powder Bed Fusion (LPBF): Laser Powder Bed Fusion is an additive manufacturing technique used to create components of intricate geometries using a powder metal which is fused together layer by layer using localized high power density heat source such as a laser. The materials can be tailored to have specific mechanical properties by optimizing the process parameters associated with LPBF. It has been observed that processing parameters such as laser scanning speed, power and the scanning space can have significant effects on the mechanical properties of 300 maraging steel such as tensile strength, microhardness, and impact toughness. Along with the processing parameters, the type of heat treatment subjected to LPBF steels also play an important role. It is observed that processing parameters which have a higher magnitude reduce the relative density of the sample due to rapid vaporization or creation of voids and pores. It is also observed that the microhardness and strength of the steel decreases after solution treatment due to austenite reversion and disappearance of cellular microstructure. On the other hand, aging treatment after solution treatment increases the microhardness and tensile strength of steel which is attributed to formation of precipitates such as Ni3Mo, Ni3Ti, Fe2Mo. The impact toughness increases after solution treatment but decreases after aging treatment, which can be attributed to the underlying microstructure consisting of tiny precipitates acting as regions of stress concentrators for crack formation. Formation of nanoscale precipitates of intermetallic compounds after aging process lead to marked increase in yield and ultimate tensile strength but substantial reduction in ductility of the material. This change in macroscopic behavior of the material can be linked to the evolution of microstructure from dimple to quasi cleavage fracture morphology. Aging followed by solution treatment of selective laser melted steels also reduces the amount of retained austenite in the martensitic matrix and lead to change in the grain orientation. Aging can reduce the plastic anisotropy to some extent, but directionality of properties is largely influenced by its fabrication history. Severe plastic deformation: It leads to increase in dislocation density in the materials which in turn assists in the ease of formation of intermetallic precipitates due to availability of faster diffusion pathways through the dislocation cores. It has been observed that plastic deformation before aging leads to reduced peak aging time and increase in peak hardness. Precipitate morphology in severely plastically deformed steel changes and becomes plate like when overaged which is attributed to higher dislocation density. This in turn leads to significant reduction in ductility and increase in strength of the material. Along with morphology, the orientation of precipitates also play an important role in micromechanism of deformation as they induce anisotropy to the mechanical properties.

Применение

Прочность и пластичность маргающих сталей на стадии предварительного старения позволяют изготавливать более тонкие обшивку ракет и ракетных корпусов, чем из других сталей, что снижает вес при сохранении заданной прочности. Маргающие стали обладают очень стабильными свойствами и даже после пересыщения из-за чрезмерной температуры смягчаются лишь незначительно. Эти сплавы сохраняют свои свойства при умеренно повышенных рабочих температурах и имеют максимальную рабочую температуру свыше 538 °C. Они подходят для деталей двигателей, таких как коленчатые валы и шестерни, а также для ударников автоматического оружия, которые циклически подвергаются нагреву и охлаждению под значительной нагрузкой. Их равномерное расширение и легкая обрабатываемость до старения делают маргающую сталь полезной для деталей с высокой степенью износа на сборочных линиях и в штампах. Другие высокопрочные стали, такие как сплавы AerMet, менее поддаются обработке из-за содержания карбидов. В фехтовании клинки, используемые на соревнованиях под эгидой Международной федерации фехтования, обычно изготавливаются из маргающей стали. Клинки из маргающей стали превосходят клинки для фехтования на рапирах и шпагах, поскольку скорость распространения трещин в маргающей стали в 10 раз ниже, чем в углеродистой стали, что приводит к менее частым поломкам клинка и меньшему количеству травм. Однако представление о том, что клинки из маргающей стали ломаются ровно, является фехтовальным городским мифом. Испытания показали, что характер поломки клинков из углеродистой и маргающей стали идентичен из-за схожести режима нагружения при изгибе. Кроме того, трещина, скорее всего, начнет развиваться в одной и той же точке и распространяться по одному и тому же пути (хотя и гораздо медленнее), поскольку распространение трещин при усталости материала. Нержавеющая маргающая сталь используется в рамах велосипедов (например, Reynolds 953, представленная в 2013 году) и головках гольф-клюшек. Она также применяется в хирургических инструментах и шприцах, но не подходит для скальпельных лезвий, поскольку отсутствие углерода не позволяет им сохранять хорошую режущую кромку. Американский производитель струн для музыкальных инструментов Ernie Ball производит специальный тип струн для электрогитар из маргающей стали, утверждая, что этот сплав обеспечивает большую выходную мощность и улучшенную тональную характеристику. Производство, импорт и экспорт маргающих сталей определенными организациями, такими как Соединенные Штаты, тщательно контролируется международными органами, поскольку они особенно подходят для использования в газовых центрифугах для обогащения урана; отсутствие маргающей стали значительно затрудняет процесс обогащения урана. В старых центрифугах использовались алюминиевые трубы, а в современных – композитные материалы на основе углеродного волокна.

Maraging steel's strength and malleability in the pre aged stage allows it to be formed into thinner rocket and missile skins than other steels, reducing weight for a given strength. Maraging steels have very stable properties and, even after overaging due to excessive temperature, only soften slightly. These alloys retain their properties at mildly elevated operating temperatures and have maximum service temperatures of over They are suitable for engine components, such as crankshafts and gears, and the firing pins of automatic weapons that cycle from hot to cool repeatedly while under substantial load. Their uniform expansion and easy machinability before aging make maraging steel useful in high wear components of assembly lines and dies. Other ultra high strength steels, such as AerMet alloys, are not as machinable because of their carbide content. In the sport of fencing, blades used in competitions run under the auspices of the Fédération Internationale d'Escrime are usually made with maraging steel. Maraging blades are superior for foil and épée because crack propagation in maraging steel is 10 times slower than in carbon steel, resulting in less frequent breaking of the blade and fewer injuries. However, the notion that maraging steel blades break flat is a fencing urban legend. Testing has shown that the blade breakage patterns in carbon steel and maraging steel are identical due to the similarity in the loading mode during bending. Additionally, a crack is likely to start at the same point and propagate along the same path (although much more slowly), as crack propagation in [[fatigue (material) Stainless maraging steel is used in bicycle frames (e. g. Reynolds 953 introduced in 2013) and golf club heads. It is also used in surgical components and hypodermic syringes, but is not suitable for scalpel blades because the lack of carbon prevents it from holding a good cutting edge. American musical instrument string producer Ernie Ball has made a specialist type of electric guitar string out of maraging steel, claiming that this alloy provides more output and enhanced tonal response. The production, import, and export of maraging steels by certain entities, such as the United States, is closely monitored by international authorities because it is particularly suited for use in gas centrifuges for uranium enrichment; lack of maraging steel significantly hampers the uranium enrichment process. Older centrifuges used aluminum tubes, while modern ones use carbon fiber composite.