Магнитогорский государственный университет им. Г. И. Носова, Магнитогорск, Россия

П. П. Полецков, профессор кафедры обработки материалов давлением им. М. И. Бояршинова, докт. техн. наук
Н. В. Копцева, профессор кафедры литейных процессов и материаловедения, докт. техн. наук
А. С. Кузнецова, доцент инжинирингового центра, канд. техн. наук, эл. почта: allakuznetsova.mgtu@mail.ru
А. Е. Гулин, доцент инжинирингового центра, канд. техн. наук

Представлены результаты исследования высокопрочных хладостойких сталей для применения в тяжелонагруженной строительной технике и промышленном оборудовании ответственного назначения системы С – Si – Mn с содержанием 0,15-0,22 % С трех вариантов легирования с различным содержанием никеля, меди, молибдена и микролегирующих добавок ниобия, ванадия, титана и бора, в которых целевые значения механических характеристик (σ_0,2 ≥ 950 МПа, σ_в ≥ 1200 МПа, δ₅ ≥ 10%, HBW ≥ 350, KСV^-70 ≥ 30 Дж/см²) достигают после закалки за счет формирования смешанной бейнитно-мартенситной структуры. Установлено, что при введении в сталь системы С – Si – Mn легирующих добавок (Ni + Mo + Cu) в количестве до 0,35 % повышение хладостойкости обеспечивается за счет снижения содержания С до 0,18 %, а одновременное возрастание прочностных характеристик достигается за счет увеличения содержания Mn до 1,29 %. При введении в сталь до 2,0 % (Ni + Mo + Cu) наилучшее сочетание прочностных свойств и хладостойкости обеспечивается при содержании С до 0,21 % и Mn до 0,73 %. Микродобавка титана до 0,030 % способствует незначительному увеличению дисперсности бейнитно-мартенситной структуры в данной стали. Наилучший комплекс механических свойств достигается в стали с аналогичным содержанием элементов (Ni + Mo + Cu) в количестве до 2,0 % в системе 0,22 % С – 0,75 % Mn за счет дополнительного микролегирования до 0,075 % (Nb + V). Микродобавки ниобия и ванадия оказали определяющее влияние на хладостойкость за счет увеличения дисперсности низкотемпературных продуктов превращения аустенита. Увеличение содержания легирующих добавок (Ni + Mo + Cu) свыше 2,0 % не обеспечивает значительного прироста прочностных характеристик по сравнению со сталями первого варианта легирования.
Исследование выполнено в ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г. И. Носова» за счет гранта Российского научного фонда № 23-19-20018 от 20.04.2023, а также средств Минобрнауки Челябинской области (Соглашение № 30-2025-002767 от 07.07.2025 г.), https://rscf.ru/project/23-19-20018/.

1. Полецков П. П., Гулин А. Е., Емалеева Д. Г. и др. Анализ актуальных направлений исследований в области производства многофункциональных материалов для экстремальных условий эксплуатации // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2021. Т. 19. № 3. С. 109–114.
2. Хлусова Е. И., Сыч О. В. Создание хладостойких конструкционных материалов для Арктики. История, опыт, современное состояние // Инновации. 2018. № 11 (241). С. 85–92.
3. Адищев П. Г., Целищев А. С., Хаврин И. А. Обзор хладостойких высокопрочных сталей // Сталь. 2025. № 3. С. 29–32.
4. Хлусова Е. И., Сыч О. В., Орлов В. В. Хладостойкие стали. Структура, свойства, технологии // ФММ. 2021. Т. 122. № 6. С. 621–657.
5. Попов А. В., Худякова В. А., Севастьянов Г. М. и др. Влияние легирующий элементов на характеристики сталей, предназначенных для применения в условиях низких и криогенных температур // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2024. № 4. С. 108–121.
6. Хлусова Е. И., Голосиенко С. А., Мотовилина Г. Д. и др. Влияние легирования на структуру и свойства высокопрочной хладостойкой стали после термической и термомеханической обработки // Вопросы материаловедения. 2007. № 1(49). С. 20–32.
7. Никитин В. Н., Настич С. Ю., Смирнов Л. А. и др. Высокопрочные стали с экономным легированием для карьерного транспорта и горнодобывающей техники // Сталь. 2016. № 10. С. 57–66.
8. Полецков П. П., Копцева Н. В., Ефимова Ю. Ю., Кузнецова А. С. Экспериментальное исследование трещиноустойчивости при сварке высокопрочной стали повышенной хладостойкости // Черные металлы. 2024. № 12. С. 35–40.
9. Poletskov P. P., Koptseva N. V., Efimova Yu. Yu., Kuznetsova A. S. Development and research of forming the properties in cold resistant steels with strength class not less than 950 MPa for the components of heavy carrying and lifting machines // CIS Iron and Steel Review. 2024. Vol. 28. P. 63–68.
10. Шиляев П. В., Богач Д. И., Краснов М. Л. и др. Механические свойства и структурное состояние листового проката из высокопрочной износостойкой свариваемой стали H500 MAGSTRONG // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 11 (785). C. 8–12.
11. Poletskov P. P., Koptseva N. V., Efimova Yu. Yu., Kuznetsova A. S. Influence of heat treatment on forming the complex of properties for high-strength cold-resistance steel // CIS Iron and Steel Review. 2023. Vol. 25. Р. 73–78.
12. Никитина В. Р., Пазилова У. А., Хлусова Е. И. Влияние ванадия и ниобия на фазовые превращения в хромоникельмолибденовой судостроительной стали // Вопросы материаловедения. 2023. № 2 (114). С. 15–26.
13. Тарасов Г. Ф., Горбуля А. И. Термическая обработка сталей как фактор повышения их износостойкости при низких температурах // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева. 2005. № 3. С. 253–257.
14. De-Castro D., Eres-Castellanos A., Vivas J., Caballero F. G., San-Martin D., Capdevila C. Morphological and crystallographic features of granular and lath-like bainite in a low carbon microalloyed steel // Mater. Characterization. 2022. Vol. 184. 111703. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111703
15. Майсурадзе М. В., Юдин Ю. В., Куклина А. А. Повышение ударной вязкости при формировании бейнитной структуры в высокопрочной стали HY-TUF // Металлург. 2019. № 8. С. 69–76.
16. Caballero F.G., Roelofs H., Hasler St., Capdevila C. et al. Influence of bainite morphology on impact toughness of continuously cooled cementite free bainitic steels // Mater. Sci. and Technol. 2012. Vol. 28. P. 95–102. DOI: 10.1179/1743284710Y.0000000047
17. Rampelberg C., Allain S. Y. P., Geandier G., Teixeira J., Lebel F., Sourmail T. Carbide-free bainite transformations above and below martensite start temperature investigated by in-situ high-energy X-ray diffraction // JOM. 2021. Vol. 73. P. 3181–3194. DOI: 10.1007/s11837-021-04903-8
18. Майсурадзе М. В., Куклина А. А., Рыжков М. А. и др. Особенности образования бейнита в стали 20Х2Г2СНМА при изотермической закалке // Металлург. 2023. № 7. С. 23–32.
19. ГОСТ 7564-97. Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний. – Введ. 01.01.1999.
20. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. – Введ. 01.01.1986.
21. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. – Введ. 01.01.1979
22. ГОСТ 9012-59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. – Введ. 01.01.1960.
23. Полецков П. П., Копцева Н. В., Кузнецова А. С. и др. Создание экономнолегированных хладостойких сталей с уровнем прочности не менее 950 МПа для тяжелонагруженной техники // Металловедение и термическая обработка металлов. 2024. № 12 (834). С. 17–24.
24. ГОСТ 8233-56. Сталь. Эталоны микроструктуры. – Введ. 01.01.1957.