Большинство легированных конструкционных сталей после закалки и низкого отпуска могут иметь высокие значения временного сопротивления (σв >1700 МПа) и предела текучести (σ02>1500 МПа) при достаточно высоких значениях пластичности (относительное удлинение и относительное сужение). Однако конструктивная прочность низко отпущенных легированных сталей обычно понижена из-за повышенной чувствительности к надрезам вследствие низкого сопротивления хрупкому разрушению.
При выборе рационального легирования и режимов отпуска низко отпущенной стали необходимо учитывать развитие в интервале 200-300 °С явления необратимой отпускной хрупкости (отпускная хрупкость I рода), сопровождающегося значительным падением ударной вязкости. В связи с этим отпуск высокопрочной стали проводят при температурах ниже провала ударной вязкости (если при этом общая пластичность стали не слишком низка) или чаще при температурах выше провала ударной вязкости, т. е. выше 300 °С. Роль легирования при этом заключается в повышении устойчивости мартенсита (необходимо сохранить высокие прочностные свойства при возможно более высоких температурах отпуска), обеспечении необходимой прокаливаемости, повышении сопротивления хрупкому разрушению.
Углерод является элементом, наиболее сильно упрочняющим мартенсит. Предел текучести мартенсита быстро возрастает с увеличением содержания углерода до 0,4 %, но далее рост прочности замедляется. В то же время увеличение содержания углерода сверх 0,4 % приводит к ухудшению свариваемости и вязкости разрушения. Поэтому содержание углерода в большинстве высокопрочных сталей не превышает 0,4 %.
Легирующими элементами являются марганец, кремний, никель, хром, молибден; общее содержание трех последних элементов лежит между 2 и 4 %. Величины прочности достигают σв = 1700 МПа.
При легировании высокопрочных сталей карбидообразующими элементами при прочих равных условиях рекомендуется использовать легирующие элементы, карбиды которых легче растворяются при нагреве под закалку, так как остаточные не растворившиеся карбиды значительно снижают хрупкую прочность низко отпущенной стали, а излишне высокие температуры аустенитизации нежелательны, поскольку укрупнение действительного аустенитного зерна понижает ударную вязкость. Полезным является легирование высокопрочной стали никелем (иногда в сочетании с кобальтом), так как никель повышает вязкость стали. В последнее время разработаны высокопрочные стали, в которых высокий комплекс свойств достигается благодаря получению дисперсных нитридных фаз. Эти стали легируют азотом (0,02-0,04 %) и нитридообразующими элементами. Нитриды ванадия VN и алюминия ALN обеспечивают получение при нагреве под закалку мелкозернистой стали, а растворенный в аустените азот значительно увеличивает прокаливаемость стали. Такие стали, как 35Х2АФ, 40Х2АФБ, обеспечивают после закалки и низкого отпуска высокий комплекс свойств в сечениях до 50 мм.
Вязкость разрушения высокопрочных низко отпущенных сталей с мартенситной структурой в основном определяется прочностью границ действительного аустенитного зерна, в то время как характеристики прочности в большей степени связаны с размерами мартенситных пакетов, строением мартенсита, наличием других фаз (остаточного аустенита, феррита).
На рис. 2.1 приведена зависимость вязкости разрушения К1с и ударной вязкости КСU от размера аустенитного зерна. С увеличением размера зерна низко отпущенных сталей ударная вязкость высокопрочных сталей со структурой отпущенного мартенсита падает, однако вязкость разрушения изменяется по кривой с минимумом при диаметре зерна 10-15 мкм.
Рис. 2.1 Влияние размера зерна аустенита на вязкость разрушения и ударную вязкость стали со структурой мартенсита
Поэтому наиболее рациональный путь повышения конструктивной прочности - это получение сталей со сверхмелким зерном менее 10 мкм.
Содержание вредных примесей серы и фосфора в высокопрочной низко отпущенной стали должно быть минимальным. Особенно вредно влияние фосфора, интенсивно понижающего хрупкую прочность стали. Сера существенно понижает характеристику вязкости разрушения К1с (рис. 2.2). Кроме того, сера и фосфор (а также углерод) ухудшают свариваемость стали.