ДЕФОРМИРУЕМАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ОБЛЕГЧЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2011 года по МПК C22C38/06 C22C38/04 C22C38/02 

Изобретение относится к деформируемой стали для облегченных конструкций согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, обладающей свойствами, обусловленными деформационным фазовым превращением (TRIP: Transformation Induced Plasticity) и превращением в результате деформации двойникованием (TWIP: Twinning Induced Plasticity).

Такие типы деформируемых сталей для облегченных конструкций известны (DE 102004061284 A1; DE 19727759 A1; DE 10128544 A1). В этих и подобных им сталях при наличии в них собственных напряжений в материале и в зависимости от структуры и прочности может происходить вызываемое водородом замедленное охрупчивание и, как следствие этого, растрескивание.

Для решения этой проблемы уже предложено ограничивать содержание водорода величиной до <20 ч./млн, предпочтительно <5 ч./млн (DE 102004061284 A1).

Это предложение хотя и эффективное, но недостаточное, так как даже при низком содержании водорода может наступать эффект водородного охрупчивания. Кроме того, по разным причинам при выплавке стали могут происходить превышения максимального значения водорода, которые хотя и допустимы в отношении легирования, однако увеличивают риск появления водородного охрупчивания.

Задачей изобретения является создание родственной стали для облегченных конструкций, которая при сохранении очень хороших механических свойств (вязкости, прочности) не обладает эффектом замедленного водородного охрупчивания.

Эта задача решается в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения в сочетании с его отличительными признаками. Оптимальные варианты развития являются предметом зависимых пунктов формулы.

Согласно техническому решению изобретения указанная выше проблема решается посредством новой концепции легирования. Эта концепция отличается тем, что низкому содержанию марганца соответствует повышенное содержание углерода, а повышенному содержанию марганца - низкое содержание углерода, причем парные показатели С-Мn в системе координат С-Мn располагаются приблизительно по одной прямой соединяющей линии, удаленной от соединяющей линии парных показателей С-Мn, находящихся в равновесном состоянии между фазами γ(аустенит kfz) и фазами α' (мартенсит krz).

В этой новой концепции легирования используется знание того, что фаза γ аустенита (kfz) и фаза ∈ мартенсита (hdp) характеризуются высокой растворимостью водорода, в то время как фаза α' мартенсита (krz) обладает существенно меньшей растворимостью водорода. При возникновении эффекта TRIP, в зависимости от состава сплава, фаза α' мартенсита образуется частично посредством метастабильной фазы ∈ мартенсита. На участках деформации материала, например, под действием сжимающего напряжения более плотно упакованная фаза ∈ мартенсита вследствие принципа минимального воздействия может присутствовать и после деформации и переходить в фазу α' мартенсита после снятия напряжения.

При таком переходе из фазы ∈ мартенсита в фазу α' мартенсита водород должен выделяться вследствие низкой растворимости и вызывает либо атомарное, либо рекомбинированное ослабление материала, в данном случае его разрыв.

Добавка алюминия и/или кремния в сплав с содержанием углерода и марганца ведет к дестабилизации фазы ∈ мартенсита. Это снижает опасность водородного охрупчивания и создает большую свободу действия для сталевара в случае превышения максимального содержания водорода, обеспечивая отнесение разлитого расплава к допустимой категории. Меньшая степень отбраковки повышает выход годного и, следовательно, эффективность способа.

Предпочтительно, чтобы алюминий и кремний добавлялись приблизительно в одинаковом количестве.

Независимо от добавки алюминия и/или кремния содержание углерода является решающим фактором в предлагаемой концепции легирования, так как углерод стабилизирует аустенитную фазу и вытесняет водород из свободных позиций решетки.

Полоса разброса вокруг соединяющей линии оптимальных парных значений С-Мn должна составлять: для содержания углерода ±0,15%, предпочтительно ±0,1%, для содержания марганца±2,5%, предпочтительно ±1,5%.

Например, сплавы с содержанием: 0,7% С, 15% Мn, 2,5% Аl, 2,5% Si, а также 0,4% С, 18% Mn, 2,5% Аl, 2,5% Si обладают превосходными механическими свойствами, как это будет показано ниже, и не подвержены замедленному растрескиванию (delayed fracture).

После отжига при 850°С приведенный в первом примере сплав обладает пределом текучести R_p,2 480 МПа и прочностью 850 МПа при относительном удлинении А 58%. Эти показатели для сплава во втором примере, также после отжига при 850°С, составляют: R_p0,2 450 МПа, R_m 790 МПа и А 53%. Вторым параметром служит произведение от умножения прочности на относительное удлинение, которое служит мерой свойств материала. Этот показатель составляет для сплава в первом примере 49,300 и во втором примере - 41,870 (%×МПа).

На чертеже в системе координат содержание С нанесено через содержание Мn. Сплошная прямая, соединяющая линия, показывает парные значения С-Мn, располагающиеся вследствие добавки алюминия и/или кремния в равновесном состоянии относительно фазы γ аустенита и фазы α' мартенсита.

Штриховая соединяющая линия, отстоящая от равновесной линии, характеризует парные значения оптимальной концепции легирования в отношении свойств материала при исключении замедленного растрескивания. Расположенная над штриховой соединяющей линией штриховка означает полосу разброса качества, в пределах которой могут еще ожидаться оптимальные результаты.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформируемой стали для облегченных конструкций, обладающей TRIP и TWIP свойствами. Сталь содержит в вес.%: углерод 0,05-≤1,0, алюминий 0,0-≤11,0, кремний 0,0-≤6,0, марганец 9,0-≤25,0, водород <20 ч./млн, железо и неизбежные примеси - остальное. Суммарное содержание алюминия и кремния составляет более 0,05. Парные значения углерода и марганца 0,7С/15Мn, 2,5% Аl, 2,5% Si и 0,4C/18Mn, 2,5% Al, 2,5% Si расположены в системе координат С-Мn приблизительно на одной прямой соединяющей линии, отстоящей от парных значений углерода и марганца, находящихся в равновесном состоянии между фазой γ аустенита и фазой α' мартенсит. Полоса разброса вокруг соединяющей линии оптимальных парных значений углерода и марганца составляет: для содержания углерода ±0,15%, а для содержания марганца ±2,5%. Сталь при сохранении высоких механических свойств не обладает эффектом замедленного водородного охрупчивания. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Деформируемая сталь для легких конструкций со свойствами TRIP и TWIP, содержащая, вес.%:
С 0,05-≤1,0 Al 0,0-≤11,0 Si 0,0-≤6,0 A1+Si >0,05 Mn 9,0-≤25,0 H <20 ч./млн,

остальное - железо и неизбежные примеси, причем в зависимости от состава сплава присутствуют разные фазы, отличающаяся тем, что низкому содержанию марганца соответствует повышенное содержание углерода и повышенному содержанию марганца соответствует низкое содержание углерода, при этом парные значения С-Мn 0,7С/15Мn, 2,5% Al, 2,5% Si и 0,4C/18Mn, 2,5% Al, 2,5% Si располагаются в системе координат С-Мn приблизительно на одной прямой соединяющей линии, отстоящей от парных значений С-Мn, находящихся в равновесном состоянии между фазой γ аустенита и фазой α' мартенсит, при этом полоса разброса вокруг соединяющей линии оптимальных парных значений С-Мn составляет: для содержания углерода ±0,15% и для содержания марганца ±2,5%.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что алюминий и кремний содержатся приблизительно в одинаковом количестве.

3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что полоса разброса составляет: для содержания углерода ±0,1% и для содержания марганца ±1,5%.