Сталь Гадфільда

Сталь Га́дфільда — зносостійка аустенітна марганцева сталь, що містить 11–14% Mn і 0,9–1,3% вуглецю[1]. Відзначається високим опором зношуванню при динамічних навантаженнях.

Із цієї сталі виготовляють траки деяких гусеничних машин, залізничні хрестовини рейок, зуби ковшів екскаваторів, щоки дробарок, деталі гірничого устаткування, що працюють на зношування в умовах абразивного тертя, високого тиску та ударів.

Хімічний склад сталі Гадфільда

Позначення марок сталі, що відповідають за складом сталі Гадфільда згідно з ДСТУ 8781:2018[2] — 110Г13Л, 110Г13Х2БРЛ, 110Г13Х2Л.

Хімічний склад (%) сталі 110Г13Л (ДСТУ 8781:2018)

C	Mn	Si	Cr	Ni	Cu	S	P
			не більше
0,90–1,50	11,5–14,5	0,30–1,00	1,00	1,00	-	0,050	0,12

Історична довідка

Шолом М1917, що носили бійці п'ятого полку морської піхоти США

У 1878 році дев'ятнадцятирічний англійський металург Роберт Еббот Гадфілд (англ. Robert Hadfield) розпочав свої дослідження сплавів заліза з іншими хімічними елементами. Через чотири роки він створив марганцевисту сталь, яка отримала його ім'я і завдяки своїй високій зносостійкості одразу знайшла застосовування в залізничному транспорті[3]. Сталь Гадфільда стала першою легованою сталлю масового виробництва — з 1882 року.

З листової сталі Гадфільда ​​були виготовлені шоломи піхотинців (англ. Helmet, steel, Mark I), прийняті на озброєння британської армії в 1915 році, і американської армії в 1917 році під позначенням М1917, широко застосовувалися вказаними арміями в роки Першої світової війни — загальна кількість шоломів цього типу перевищила 7,5 млн одиниць[4].

Застосування сталі Гадфільда для виготовлення траків танкових гусениць вперше було освоєне британською фірмою «Віккерс» в кінці 1920-х років. Ця сталь сталь дозволила значно збільшити ресурс гусениць танків з 500 км пробігу (рекорд періоду Першої світової війни) до 4800 км[5].

Фізико-механічні властивості

Після лиття структура сталі складається з аустеніту і надлишкових карбідів марганцю в залізі (Fe, Mn)₃C. При нагріванні карбіди розчиняються в аустеніті, тому після гартування від температури 1100 °С у воді сталь отримує чисто аустенітну структуру з малою твердістю HB 180–220, границею міцності σ_в = 750–1000 МПа; відносним звуженням при розтягу ψ = 40–50 %; ударною в'язкістю a = 300 кДж/м²[6][7]. Марганцевий аустеніт при ударних навантаженнях і після деформації в процесі експлуатації набуває твердості до HRC 50–55.

Сталь із аустенітною структурою характеризується низькою границею плинності, що становить приблизно третину від границі міцності й сильно зміцнюється під дією холодної деформації. Високе зміцнення сталі Гадфільда при пластичній деформації обумовлено тим, що деформація здійснюється переважно шляхом механічного двійникування аустеніту. З одного боку, двійники є ефективними бар'єрами для руху дислокацій і тому зміцнюють сталь. З іншого боку — двійники призводять до релаксації внутрішніх напружень, запобігаючи локалізації пластичної деформації й утворення тріщин.

Сталь 110Г13Л має типові для аустенітних сталей високу в'язкість й пластичність при досить великій міцності. При низькій твердості сталь Гадфільда має надзвичайно високу зносостійкість при терті з тиском і ударами. Це пояснюється зміцненням (наклепом) аустеніту при пластичній деформації в процесі роботи, тобто — ця сталь має підвищену здатність до наклепу (значно більшу, ніж у звичайних сталей із такою ж твердістю). У результаті наклепу збільшується опір до зношування, тому сталь 110Г13Л важко обробляється різальними інструментами[8] і деталі з неї, частіше за все, виготовляють процесом лиття без механічної обробки. В умовах чисто абразивного зношування (наприклад — при терті по піску) ефективного наклепу сталі 110Г13Л не відбувається, що призводить до підвищеного зношування деталей.

Див. також

• Легована сталь
• Зносостійкі сталі

Примітки

1. Міжнародна інженерна енциклопедія. Термінологічний словник. Метали. II том. [Архівовано 12 квітня 2015 у Wayback Machine.] / За ред. Б.О. Прусакова, М. С. Блантера, В. Я. Кершенбаума, В. О. Богуслаєва, С. Б. Бєлікова, А. Д. Коваля. МоторСіч, 2005. С.40
2. ДСТУ 8781:2018 Виливки зі сталі. Загальні технічні умови.
3. Austenitic Manganese Steels Key to Metals AG.(англ.)
4. Mark A. Reynosa The M-1917 helmet. Excerpted from book «U.S. Combat Helmets of the 20th Century»(англ.)
5. Исаев А.В. Антисуворов. — М.: Эксмо, Яуза, 2004. (Гл.6 Зачем Швеции автострадные танки [Архівовано 2012-05-11 у Wayback Machine.])(рос.)
6. Гуляев А. П. Металловедение: Учебник для вузов. — М.: Металлургия, 1986. — 544 с.
7. Худокормова Р. Н., Пантелеенко Ф. Н. Материаловедение: Лаб. практикум: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Л. С. Ляховича. — Минск.: Высшая школа, 1988. — 224 с.
8. Федотьєва Л. П. Сучасний стан і перспективні методи обробки високомарганцевих сталей [Архівовано 2016-03-05 у Wayback Machine.]// Вісник КДПУ. Випуск 6/2006 (41). Ч. 1. C. 31—37.