Ultrawysokowytrzymałe stale o strukturze nanokrystalicznej

Bogdan Garbarz, Jarosław Marcisz, Wojciech Burian

Abstract: Materiały o strukturze nanokrystalicznej charakteryzują się dużym potencjałem do zastosowań praktycznych, szczególnie w konstrukcjach o wymaganej wysokiej odporności na uderzenia, jakie występują w zastosowaniach wojskowych (pancerze), a także w zastosowaniach cywilnych, np. jako materiały konstrukcyjne w górnictwie węglowym i skalnym, oraz osłony odporne na uderzenie. W wielu zastosowaniach podstawowymi parametrami charakteryzującymi materiały konstrukcyjne są wytrzymałość i granica plastyczności oraz ciągliwość. Z tego powodu jednym z głównym kierunków rozwoju technologii wytwarzania stali konstrukcyjnych jest dążenie do uzyskania najwyższych możliwych właściwości wytrzymałościowych, przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganych innych właściwości użytkowych takich jak odporność na pękanie, odkształcalność i/lub spawalność. Najwyższą wartością granicy plastyczności spośród wytwarzanych przemysłowo stali konstrukcyjnych i stopów na bazie Fe charakteryzują się stale maraging, dla których osiągane wartości Re dochodzą do 2,4 GPa przy akceptowalnej do określonych zastosowań ciągliwości (A₅=5- 6%).

Obecnie przedmiotem intensywnych badań w światowych laboratoriach zajmujących się projektowaniem ultrawysokowytrzymałych stali konstrukcyjnych są wysokowęglowe średniostopowe stale bainityczne o dwufazowej strukturze składającej się z nanolistew bezwęglikowego bainitu oraz austenitu resztkowego, stwarzające możliwość osiągnięcia granicy plastyczności do 2,5 GPa i jednocześnie dobrej ciągliwości.

Stale typu maraging

Klasyczne gatunki stali maraging, wynalezione w latach 1960-tych w USA, należą do grupy stali wysokowytrzymałych wysokostopowych opartych na układzie Fe-Ni-Co-Mo-Ti/Al, umacnianych wydzieleniami faz międzymetalicznych w wyniku starzenia przesyconego martenzytu na bazie Fe- 18%Ni, o jak najmniejszej zawartości pierwiastków międzywęzłowych (węgla i azotu). Stale maraging charakteryzują się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy, dobrą ciągliwością przy bardzo wysokiej wytrzymałości, odpornością na kruchość wodorową i korozję naprężeniową oraz dobrą spawalnością. Klasyczne gatunki stali maraging charakteryzują się granicą plastyczności do 2400 MPa. Równolegle z rozwojem klasycznych gatunków stali maraging prowadzono badania nad gatunkami o wyższej granicy plastyczności.

Rysunek 1. Stal maraging umocniona nanowydzieleniami. A - obraz przełomu (SEM), B - rozkład

średnicy cząstek umacniających

Realizowane w Instytucie Metalurgii Żelaza badania mają na celu opracowanie składu chemicznego i technologii wytwarzania ultrawysokowytrzymałej stali maraging, która po zastosowaniu optymalnej obróbki cieplnej wykazywałaby granicę plastyczności na poziomie co najmniej 2,7 GPa i zachowałaby poziom ciągliwości gwarantujący wysoką odporność na pękanie.

W wyniku badań prowadzonych w IMŻ zaprojektowano składy chemiczne stali maraging w następujących klasach granicy plastyczności: MS400-400ksi (2,7 GPa), MS500-500ksi (3,4 GPa) i MS500-550ksi (3,8 GPa). Składy chemiczne ultrawysokowytrzymałych stali maraging opracowano w oparciu o mechanizmy umocnienia funkcjonujące w klasycznych stalach maraging. Obecnie trwają badania nad optymalizacją stosunku wytrzymałości do ciągliwości, metodami modyfikacji składu chemicznego i parametrów obróbki cieplnej.

Wysokowęglowe stale bainityczne

Stale bainityczne o znacząco różniących się strukturach i właściwościach są znane od ponad 80 lat, jednak złożoność i stopień komplikacji procesów w nich zachodzących, są w dalszym ciągu przedmiotem badań ze względu na potencjał rozwojowy właściwości mechanicznych, który jest coraz pełniej wykorzystywany, czyniąc z nich materiał o bardzo dużych możliwościach użytkowych. Wysokowęglowe stale bainityczne ze względu na bardzo dobrą kombinację właściwości mechanicznych (wytrzymałości i ciągliwości) są materiałami przyszłościowymi mogącymi zastąpić obecnie stosowane konwencjonalne stale wysokowytrzymałe. W wyniku badań stali o strukturze bainitycznej prowadzonych w ostatnich kilku latach ustalono, że nanokrystaliczny typ bainitu powstający w wysokowęglowych stalach średniostopowych, charakteryzuje się wyjątkowo korzystnym połączeniem parametrów wytrzymałościowych i plastycznych.

Rysunek 2. Struktura wysokowęglowej stali bainitycznej po obróbce cieplnej. A - obraz struktury (SEM), B - rozkład odległości pomiędzy płytkami bainitu

Wysokowęglowe stale bainityczne stwarzają możliwości uzyskania bardzo wysokich wskaźników wytrzymałościowych (twardość do ok. 700 HV, granica plastyczności do 2,5 - 3,0 GPa) i jednocześnie dobrej ciągliwości, przy stosunkowo niewielkim dodatku pierwiastków stopowych, wynoszącym sumarycznie 5-6 % masowych. Wynikiem dotychczasowych badań w IMŻ jest opracowanie składu chemicznego wysokowęglowej stali bainitycznej oraz parametrów obróbki cieplnej umożliwiających otrzymanie bezwęglikowego bainitu o strukturze nanolistwowej.

Praca finansowana przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego (Projekt "Technologie wytwarzania supertwardych materiałów nanostrukturalnych ze stopów żelaza oraz ich zastosowanie w pancerzach pasywnych i pasywno-reaktywnych" Nr umowy UDA-POIG.01.03.01-00-042/08-00) wykonywanej w ramach konsorcjum pomiędzy Instytutem Metalurgii Żelaza i Wojskowym Instytutem Technicznym Uzbrojenia.

Źródło publikacji: 1. NANOTECHNOLOGIA-PL, Politechnika Warszawska, 14 wrzesień 2010,

Warszawa, materiały konferencyjne.