New Advanced High Strength Steels

В последние годы были достигнуты значительные успехи в повышении механической прочности сталей с целью уменьшить общую массу конструкций, особенно автомобилей. В зависимости от применения повышение прочности не должно достигаться за счёт ухудшения формуемости и эксплуатационных свойств.

Разработка сверхвысокопрочных сталей требует поиска новых компромиссов между этими свойствами для оптимизации конечной микроструктуры. «New Advanced High Strength Steels» анализирует взаимодействия между механическими свойствами при растяжении и такими свойствами, как деформационное упрочнение, анизотропия, сопротивление разрушению, долговечность при усталости, коррозионная стойкость, безопасность при столкновении, сохранение свойств обрезанной кромки, стойкость к водороду и свариваемость.

Книга также рассматривает связи между параметрами микроструктуры высокопрочных сталей и перечисленными свойствами. Она показывает металлургические разработки, которые были необходимы для появления этих новых поколений сталей.

Книга завершается взглядом на будущие разработки сверхвысокопрочных сталей.

Представляя новую книгу о металлургии современных сталей, уместно поместить тему в исторический и экономический контекст. В 1900 году мировое производство стали составляло около 50 миллионов метрических тонн; в 1950 году — 200 миллионов тонн, а в 2018 году — 1 800 миллионов тонн. Сравнение производства в разных странах отражает сложную экономическую и, увы, временами военную конкуренцию XX века и первых двадцати лет XXI века. Если рассмотреть такой экономический показатель, как производство автомобилей, то теперь в мире выпускается около 90 миллионов машин, каждая из которых содержит примерно 900 кг стали. Эта цифра отражает два существенных аспекта книги. При рассмотрении применения стали в автомобилях она уже не является просто сырьём: детальная природа стали интегрирована в конструкцию автомобиля. Этот принципиальный акцент на проектировании как материала, так и инженерного изделия виден в названиях глав книги и в составе их авторов. Авторы представляют и академические учреждения, и сталелитейную промышленность. Вместе они предлагают не стандартный учебник по детальной металлургии современных сталей, а очень широкий и глубокий анализ множества свойств в контексте применения стали, её поведения в сложной последовательности производственных процессов и функциональности материала. Поэтому книга имеет большую ценность и для студента, и для практикующих инженеров и проектировщиков разных отраслей.

По существу, физическая металлургия современных сталей объединяет факторы микроструктуры, свойств и проектирования, и практически все главы этой книги отражают такую концепцию. Они также отражают достижения как экспериментальных методов анализа, так и математического моделирования. Это очень ясно показано в главе 2, где упругая и пластическая анизотропия рассматриваются вместе с прогнозами подробной формы поверхности текучести, важными для анализа операций формования листа. После 1950 года анализ микроструктуры сталей существенно изменился благодаря развитию разнообразных методов растровой и просвечивающей электронной микроскопии, а также новых методов, таких как атомно-зондовая томография (APT). Возможности этих достижений ярко показаны в главе 9 на примере замечательного изображения сегрегации водорода у малой частицы карбида ванадия в высокопрочной стали. Исследование и характеризация стальных микроструктур стали гораздо более количественными. Вместо того чтобы характеризовать стали по доминирующим фазам — аустенитной, ферритной, перлитной, бейнитной или мартенситной, — теперь можно количественно определять доминирующие масштабы длины в микроструктуре: размер зерна, размер и расстояние между вторыми фазами, толщину, отношение сторон и пространственную ориентацию двойников и различных пластинчатых фаз или плотность таких дефектов, как дислокации. Масштабы длины позволяют напрямую связывать микроструктуру с основными механическими свойствами, включая предел текучести и способность к деформационному упрочнению. Кроме того, различные основные виды разрушения — скол, вязкое и межзеренное разрушение — можно характеризовать критическими напряжениями, связанными с масштабом микроструктуры. Эта принципиальная связь микроструктуры и свойств ясно и изящно развита в главах о деформационном упрочнении (глава 1), сопротивлении разрушению (глава 3) и усталости (глава 4) вместе с моделями, основанными либо на накоплении и динамическом возврате дислокаций, либо на механике разрушения.

Два аспекта микроструктуры, которые труднее исследовать и количественно описать, — природа и свойства различных границ раздела и градиентов микроструктуры. Однако они необходимы для понимания и инженерной разработки и процессов нанесения покрытий, таких как цинкование, и сварки. Эти аспекты рассматриваются в книге так, чтобы связать важные особенности микроструктуры с конкретными параметрами процессов.

Выше было высказано мнение, что важный сдвиг парадигмы при работе с высокопрочными конструкционными сталями состоит в переходе от заданных сталей и конструкций к интегральному представлению взаимосвязи микроструктуры, свойств и проектирования. Именно включение проектирования представляет наибольшую трудность, поскольку оно предполагает не только проектирование в контексте процесса и изделия, но и переход масштаба от микроскопического — и даже наноскопического — к полномасштабному макроскопическому. Этот аспект рассматривается в главах о сопротивлении при столкновении (глава 7) и формуемости (глава 8). При анализе столкновения необходимо учитывать поведение материала при очень высоких скоростях деформации и связывать подробные сведения о механических свойствах и критериях разрушения различных высокопрочных сталей с конечно-элементными моделями поведения конкретных автомобильных компонентов. Аналогично оценка формуемости намного сложнее одноосного испытания на растяжение, поскольку включает взаимодействие стали с процессом формования и последовательность сложных напряжённых состояний. Рассмотрение этих тем в книге создаёт ценную интеллектуальную связь между металлургом и проектировщиком изделия.

Подводя итог, это не стандартный металлургический учебник: он всесторонне рассматривает разработку и применение современных высокопрочных сталей, объединяя структуру и использование современных сталей таким образом, который имеет фундаментальную ценность для очень широкой аудитории и будет долго полезен технологическому сообществу.

Стремление получить более прочные стали, вероятно, восходит к истокам первых превращений смеси руды и древесного угля в железо. Этим занимались халибы и хетты на Южном Кавказе. Хетты, несомненно, первыми применили железо в оружии: хеттские клинописные таблички XVIII века до н. э. свидетельствуют о производстве железного оружия. Что касается халибов, они были первыми металлургами, получившими сталь в начале первого тысячелетия до н. э.: «твёрдое железо халибов» высоко ценилось за свою твёрдость. В железном веке стремление к более прочным сталям усилилось. Было обнаружено, что термообработка в углеродсодержащих остатках с последующим отпуском позволяет изготавливать очень стойкое оружие и инструменты. Следует помнить, что в то время оружие главным образом отливали из бронзы, и тот, кто освоил производство более стойкого оружия, получал стратегическое преимущество, позволявшее установить господство.

I.1. Стали — богатая металлургия

Столь древнее использование железа и стали стало возможным благодаря широкому распространению железной руды в земной коре и особым характеристикам этого сплава, делающим его одновременно пластичным и прочным. Эти свойства главным образом происходят из некоторых особенностей сталей и сплавов на основе пары железо–углерод. Прежде всего, структура железа зависит от температуры: феррит, или α-железо, с объёмно-центрированной кубической структурой при температурах ниже 912°C; аустенит, или γ-железо, с гранецентрированной кубической структурой между 912 и 1394°C; и, наконец, снова фаза с объёмно-центрированной кубической структурой между 1394 и 1538°C — температурой плавления чистого железа. Эти различные фазы наследуются сталями, а содержание углерода и разных легирующих элементов может влиять на размеры областей существования фаз и на критические температуры. Например, при 1154°C растворимость углерода в аустените превышает 2% по массе, тогда как в феррите она чрезвычайно мала и при комнатной температуре составляет несколько частей на миллион. Кроме того, малый размер атомов углерода по сравнению с атомами железа приводит к образованию твёрдого раствора внедрения: атомы углерода размещаются внутри решётки, образованной атомами железа.

Наконец, углерод может образовывать эвтектоидную составляющую — перлит, состоящий из чередующихся параллельных пластин почти чистого железа и карбида железа, цементита Fe3C. Фактически эта составляющая представляет собой слоистый композит, сочетающий деформируемую и твёрдую фазы.

Именно эти особенности микроструктуры стали придают ей столь разные твёрдость, деформируемость, вязкость и другие свойства. Регулируя химический состав и термомеханические процессы, инженер располагает всем набором металлургических механизмов. Изменяя содержание углерода, можно разрабатывать разные семейства сталей: от самых мягких ферритных безмежузельных сталей (IF) с пределом текучести чуть выше 100 МПа до перлитных марок, прочность которых растёт по мере уменьшения расстояния между пластинами цементита. Поскольку растворимость углерода в феррите сравнительно мала, добавление титана и ниобия позволяет получить мелкие упрочняющие выделения. В высокопрочных низколегированных сталях (HSLA) карбонитриды размером около 10 нм и малый размер зерна, рост которого ограничивают выделения, обеспечивают прочность до 800 МПа. Наконец, повышая содержание углерода, можно создать целый ряд двухфазных сталей с ферритной матрицей и всё большей объёмной долей островков перлита. Механические свойства этих сталей непосредственно связаны с объёмной долей твёрдой фазы.

Одновременно существование аустенитной фазы при высокой температуре позволяет варьировать скорости охлаждения после горячей деформации или термообработки, чтобы получать метастабильные фазы. Мартенсит и бейнит упрочняются пересыщенным содержанием углерода и множеством дислокаций, возникающих при неравновесном превращении. Эти упрочняющие фазы достигают предела текучести выше 1000 МПа. Сочетая состав стали и кинетику охлаждения из аустенитной области, можно получать двухфазные стали (DP), в которых мартенсит является твёрдой фазой в более деформируемой ферритной или бейнитной матрице.

Добавление некоторых легирующих элементов, например никеля или марганца, настолько сильно расширяет область аустенита, что при определённых химических составах стали могут сохранять гранецентрированную кубическую структуру при комнатной температуре. Так происходит в аустенитных нержавеющих сталях, где более 11% хрома по массе обеспечивает защиту поверхности, а дальнейшее добавление 8–10% никеля стабилизирует аустенит. Поэтому марка 18-10 — 18% Cr и 10% Ni — стала наиболее распространённой для столовых приборов и бытовых изделий. Стоимость никеля и её изменчивость побудили искать другие легирующие элементы, способные стабилизировать аустенит, преимущество которого состоит в высокой скорости деформационного упрочнения и потенциальном удлинении при растяжении более 50%. Стали с высоким содержанием марганца, порядка 22% по массе, и углерода, около 0,6% по массе, представили второе поколение передовых высокопрочных сталей — TWIP-стали с пластичностью, наведённой двойникованием.

Наконец, позднее были разработаны стали, сочетающие ферритно-бейнитную матрицу и островки метастабильного аустенита, способного превращаться в мартенсит под действием напряжения или деформации: TRIP-стали с пластичностью, наведённой превращением. Эти стали демонстрируют новый способ упрочнения, поскольку доля второй упрочняющей фазы растёт в процессе деформации. Механизм позволяет сочетать высокую механическую прочность — более 1200 МПа — с удлинением при растяжении свыше 15%. Точный контроль термомеханических циклов, особенно ступенчатого охлаждения, позволяет промышленно выпускать эти передовые высокопрочные марки третьего поколения, полезные для облегчения конструкций и повышения их безопасности.

Из этих немногих, не исчерпывающих примеров ясно, что богатство и особенности металлургии стали сделали возможным развитие, продолжающееся и сегодня.

I.2. Сталь — насыщенная история

До XVII века стали менялись мало, а главным способом упрочнения оставалась закалка без изучения её механизмов. Одну из первых моделей упрочнения приписывают Рене Декарту в 1639 году. Он ввёл понятия «частиц огня» при высокой температуре, «частиц воздуха» при медленном охлаждении и «частиц воды» при быстром охлаждении. Таким образом, упрочнение стали должно было происходить из-за замены «частиц огня» меньшими «частицами воды». В 1671 году Жак Ро использовал теорию Декарта, объясняя, что «внезапное» охлаждение не позволяет частицам вернуться в исходное положение. Они как бы замораживаются, приводя к более плотной и «прочной» стали. Работа Рене Антуана Фершо де Реомюра 1722 года «Искусство превращения кованого железа в сталь и размягчения литого железа» стала поворотной. На основе наблюдения структуры металла, проявлявшейся на поверхностях излома, он предложил объяснение механизма упрочнения стали через «молекулярные превращения», вызываемые теплом. В молекулах он различал «частицы железа» и «частицы сульфидов и солей» и объяснял, что сталь становится твёрже, поскольку при быстром охлаждении «частицы сульфидов и солей» не могут удалиться и закрепляются в стали. Однако Реомюр не смог определить природу этих частиц. Их последовательно называли «флогистоном», «плюмбаго», а в 1800 году — «углеродом». Все эти академические работы дали сильный импульс лучшему пониманию сталей и их индустриализации. В XVIII и первой половине XIX века по всей Европе и Америке развивалась промышленность «цементованных сталей», отвечавшая потребностям машиностроения в деталях с высокой поверхностной твёрдостью. Закалённые стали из-за их твёрдости были также очень востребованы в военной области, что подтверждает трактат Гаспара Монжа «Описание искусства изготовления пушек», опубликованный в 1794 году. Однако до начала XIX века проектирование сталей основывалось только на эмпирических данных.

В 1868 году в докладе Русскому техническому обществу «Структура стали» инженер Обуховского сталелитейного завода в Санкт-Петербурге Чернов доказал существование критических температур превращения стали в твёрдом состоянии. Он определил критическую температуру, выше которой необходимо нагреть сталь, если её хотят упрочнить быстрым охлаждением. Это был важный шаг вперёд: работа Чернова позволила Юхану Бринеллю в 1885 году описать упрочнение при охлаждении как процесс либо сохранения «закалочного углерода» в виде «закалочного углерода» при высокой скорости охлаждения, либо превращения «закалочного углерода» в «цементованный углерод» при низкой скорости охлаждения. В 1881 и 1888 годах Абель и Мюллер идентифицировали «цементованный углерод» как соединение Fe3C. Несколько лет спустя Флорис Осмонд назвал его цементитом. Работа Осмонда имеет большое значение: в 1885 и 1887 годах он установил важность различных состояний углерода и показал существование двух аллотропных разновидностей железа — α-железа и β-железа. Он приписал упрочняющие свойства способности стали сохранять при комнатной температуре устойчивую высокотемпературную β-фазу, названную им «гарденитом». Однако высокотемпературная и низкотемпературная β-фазы не могли иметь одинаковые состав и структуру, поскольку одна была немагнитной, а другая — магнитной. Чтобы разрешить противоречие, Альберт Совёр предложил рассматривать высокотемпературную фазу как твёрдый раствор, а не определённое соединение; этот раствор мог при охлаждении распадаться на карбиды, диспергированные в магнитной ферритной матрице. Это был важный шаг: упрочнение стали теперь понималось не как удержание высокотемпературной β-фазы, а как её распад.

В 1897 году Ле Шателье представил теорию, разработанную совместно с Осмондом, и заключил, что выше 900°C сталь состоит из однородного немагнитного твёрдого раствора углерода в γ-железе. При медленном охлаждении этот раствор ведёт себя подобно водному раствору, содержащему эвтектоид с 0,8% углерода, названный перлитом. При быстром охлаждении образование перлита предотвращается и формируется магнитный твёрдый раствор. В честь металлографа Адольфа Мартенса этот раствор назвали мартенситом, а γ-железо Осмонд назвал аустенитом. Тем временем Робертс-Остен в 1895 году предложил первую диаграмму Fe-C. Применив правило фаз, объяснённое Гиббсом в 1878 году, Розебом в работе 1900 года «Железо и сталь с точки зрения учения о фазах» предложил диаграмму Fe-C, очень похожую на используемую сегодня. К концу XIX века механизмы упрочнения отпущенных сталей можно было считать выясненными.

Одновременно эффективно работали крупные сталелитейные заводы, основанные на процессах Бессемера–Томаса или Сименса–Мартена, легирующие металлы были доступны в больших количествах, а спрос рос в таких разных областях, как вооружение, железнодорожное строительство, станки и энергетика. Были созданы все условия для преобразования сталелитейной промышленности и развития стали в XX веке. Уже в 1880 году сталь вытеснила пудлинговое железо. Интерес к так называемым специальным легированным сталям быстро возрос, поскольку добавление легирующих элементов придавало сталям замечательные свойства, главным образом использовавшиеся при изготовлении снарядов, пушек и брони. С 1880 года соответствующие заводы стали разрабатывать всё более стойкие специальные стали в самоподдерживающемся процессе: прочность и вязкость снарядов росли по мере увеличения твёрдости броневых плит, и наоборот. Снаряды из хромистой стали производились уже в 1882 году, а броня из никелевой стали — в 1891 году. В развитии легированных сталей можно отметить патент сэра Роберта Хэдфилда 1882 года на революционную сталь с 1,2% углерода и 12% марганца, патент сталелитейного завода Крезо на производство феррохромов и никелевых нержавеющих сталей, исчерпывающе описанных в работе Леона Гийе 1902 года «Микрографическое и механическое исследование никелевых сталей». Кроме того, в 1899 году американцы Тейлор и Маунсел Уайт открыли самозакаливающиеся быстрорежущие инструментальные стали на основе хрома и вольфрама, промышленное производство которых началось в США в 1910 году.

Открытие рентгеновской дифракции Максом фон Лауэ в 1912 году и создание первого просвечивающего электронного микроскопа Кноллем и Руска в 1932 году сопровождали развитие стали. Этот период отмечает переход от эмпирической металлургии к научной. Понятие дислокации ввели Орован, Тейлор и Полани в 1934 году. Роль дислокаций в пластической деформации, дисперсионном упрочнении, упрочнении твёрдого раствора и зернограничном упрочнении была понята задолго до их непосредственного наблюдения в просвечивающем электронном микроскопе Хиршем и Уиланом в 1952 году. Первый критерий разрушающего напряжения на основе теории упругости Гриффит опубликовал в 1921 году под названием «Явления разрушения и течения в твёрдых телах». Эта работа, продолженная Ирвином в 1948 году и Орованом в 1949 году, была развита и дала основу современной механике разрушения.

Лучшее знание взаимосвязи микроструктуры и свойств сталей, промышленное развитие и потребности послевоенного периода привели к созданию сталей с постоянно улучшаемыми механическими свойствами. В конце Первой мировой войны европейские правительства осознали стратегическое значение сталелитейной отрасли. В 1920-е годы автомобильная отрасль стала жизненно важной для национальной торговли и промышленности. Начиная с 1930 года в Европе сталь производили не только в слитках, но и в виде проката, листов, балок, рельсов, труб, проволоки, колёс, стыковых накладок и осей.

1970-е годы обозначили разрыв с прежней моделью развития сталей из-за сочетания нескольких факторов. С одной стороны, рост цен на энергию после нефтяных кризисов 1973 и 1979 годов значительно повлиял на потребление энергии, производство, транспортные расходы и стоимость переработки; с другой стороны, уже в 1970 году появились первые европейские нормы выбросов загрязняющих и вредных частиц автомобилями. Наконец, росло международное осознание экологических проблем. В 1970 году доклад Медоуз предупреждал об истощении сырьевых ресурсов, а Стокгольмская конференция 1972 года впервые поставила экологические вопросы на международную повестку. С тех пор эти тенденции усилились: энергия дорожает, нормы выбросов становятся строже, а государственные органы вводят финансовые санкции за выбросы CO2. В таком контексте облегчение стальных конструкций стало важной задачей сталелитейной промышленности. Выбранная стратегия решения этой задачи главным образом основывалась на уменьшении толщины разрабатываемой продукции. Однако она требует всё более прочных сталей, прежде всего из-за требований жёсткости и/или ударной стойкости. В самом деле, при одинаковой поглощаемой энергии любое относительное уменьшение толщины должно компенсироваться ещё большим относительным повышением механической прочности. Этот сдвиг парадигмы лежит в основе разработки передовых высокопрочных сталей.

I.3. Стали — непрерывное развитие

Эта тенденция, наблюдаемая во многих отраслях — автомобилестроении, упаковке, строительстве и энергетике, — требует поиска новых компромиссов между механической прочностью и свойствами при обработке и эксплуатации.

Можно отметить усилия по облегчению упаковочных сталей. За последние двадцать лет их толщина в среднем уменьшилась на 33%. Например, средняя толщина банки сократилась с 0,20 мм в 1986 году до 0,13 мм сегодня.

Автомобильная отрасль также следовала этой тенденции. В 1990-е годы потребность в облегчении привела к массовому применению HSLA-сталей, микролегированных ниобием и титаном. Их прочность составляла около 750 МПа. Теперь широко применяются сверхвысокопрочные стали прочностью 1500 МПа. Макроскопический анализ показывает, что в настоящее время они составляют более 15% сталей, используемых в автомобилях. Целевая прочность для автомобилей теперь равна 2000 МПа. Для удовлетворения этого требования разработаны разные семейства сталей. Многофазные двухфазные и TRIP-стали имеют хорошую формуемость и главным образом используются для холодного формования деталей сложной формы. Уровни прочности достигают 1200 МПа, при этом разработки направлены к 1500 МПа. Для горячекованых или горячештампованных деталей в основном применяются бейнитные или мартенситные марки с прочностью от 1000 до 2000 МПа.

В энергетике изменение рабочих температур — их повышение в тепловых электростанциях или снижение для таких сред, как природный газ или жидкий водород, — требует улучшать такие свойства высокопрочных сталей, как жаропрочность или сопротивление холодному разрушению, то есть вязкость. Примерами служат бейнитные и мартенситные марки для газотранспортных труб или электростанций, разрабатываемые ради превосходной трещиностойкости. Особое внимание уделяют их свариваемости, которая может потребовать значительного снижения содержания углерода. Для работы при очень низких температурах, например с природным газом или водородом, предлагаются стали с высоким содержанием никеля — 7–9% по массе.

Автомобильная отрасль хорошо иллюстрирует развитие сверхвысокопрочных сталей. С 1990-х годов их коммерческое применение расширялось в ответ на задачи безопасности и снижения массы. В 2010 году в Европе было продано 1,3 миллиона тонн этих сталей с максимальной прочностью свыше 450 и до 2000 МПа. При двузначных годовых темпах роста в 2018 году в Европе продали более 4 миллионов тонн сверхвысокопрочных сталей. Учитывая, что на Европу приходится около 20% мирового автомобилестроения, разумно предположить, что в 2020-е годы мировой объём превысит 20 миллионов тонн.

С коммерческой точки зрения к сверхвысокопрочным сталям относят многофазные стали (за исключением HSLA), DP, TRIP, CP, ферритно-бейнитные, бейнитные и мартенситные марки. В 2018 году производство TWIP-сталей составляло лишь незначительную долю производства сверхвысокопрочных сталей.

Ближайшие годы откроют новые перспективы развития сталей. Потребуется отвечать на экологические задачи — сокращение выбросов CO2 и увеличение доли переработанной стали в производстве. Как предпочтительный строительный материал сталь будет способствовать достижению целей устойчивого развития в этой сфере. Новые производственные процессы, например аддитивное производство, также открывают для материала новые возможности. Поэтому свойства и прогресс сталей, подтверждённые десятилетиями опыта, имеют прекрасные перспективы развития.

Эта книга, главным образом посвящённая высокопрочным сталям, основана на компромиссах между механической прочностью и такими свойствами, как деформационное упрочнение, анизотропия, повреждение и разрушение, сопротивление усталости и долговечность, коррозионная и окислительная стойкость, сопротивление при столкновении, стойкость обрезанной кромки, стойкость к водороду и свариваемость. Опираясь на обзор физических механизмов, лежащих в основе требуемых свойств, книга должна дать лучшее понимание металлургических разработок в микроструктуре, химическом составе и процессах получения, которые были необходимы для появления этих новых поколений сталей. Таким образом, будучи главным образом адресованной студентам и молодым инженерам, книга также стремится предложить подход к разработке и инновациям, который может стать полезным руководством для их будущих задач как специалистов по материалам.