Пути повышения прочности судостроительной стали

Как уже отмечалось, углерод, азот и другие элементы, образующие твердые растворы внедрения, наиболее эффективно упрочняют феррит. В то же время предельная концентрация этих элементов в судокорпусной стали ограничена (для углерода, например, она не превышает 0,18—0,22%) в силу их отрицательного влияния на пластичность, вязкость, свариваемость и чувствительность к деформационному старению. Имеются данные, что увеличение предела текучести стали на 15 МПа путем повышения содержания углерода или азота вызывает смещение порога хладноломкости в сторону более высоких температур на 10 и 30 °С соответственно. Поэтому при создании судокорпусных сталей повышенной прочности реализуют другие механизмы упрочнения: измельчение зерна; упрочнение феррита атомами легирующих элементов, образующими твердые растворы замещения; упрочнение феррита выделениями частиц второй фазы ферритно-перлитной структуры (дисперсионное упрочнение).

Зависимость предела текучести от размера зерна описывается соотношением Холла — Петча σ_Т = σi + kd-0,5, где σi — напряжение течения при движении дислокаций внутри зерен; k — постоянный параметр; d — диаметр зерна. Очень важным является то обстоятельство, что измельчение зерен наряду с упрочнением ведет к повышению пластичности и ударной вязкости стали, понижению температуры перехода в хрупкое состояние (рис. 5.17). Известно, что величина зерна при нагреве стали в аустенитной области зависит от температуры и продолжительности выдержки, а также от наличия в аустените включений второй фазы — нитридов, карбидов или оксидов. Располагающиеся преимущественно по границам зерен эти частицы играют роль барьеров, тормозящих миграцию границ зерен и, таким образом, способствующих получению мелкозернистой структуры. Для измельчения зерна в судокорпусные стали обычно добавляют алюминий, который образует с растворенными в жидком металле азотом и кислородом соединения AlN и Al₂O₃. Дополнительный эффект от использования алюминия заключается в том, что он, образуя нитриды, связывает азот.

Рис. 5.17. Влияние размера зерна на предел текучести (1) и температуру Т перехода стали с содержанием 0,1 % С в хрупкое состояние (2)

Повышение предела текучести стали с алюминием на 15 МПа сопровождается одновременным понижением порога хладноломкости примерно на 27 °С. Измельчение зерна может быть также обеспечено путем введения в сталь небольших количеств ниобия или ванадия, образующих карбиды и карбонитриды типов NbC, VC, Nb(CN), а также путем легирования марганцем.