4. Высокопрочные стали

Высокая прочность (ат=450—750 МПа) низколегирован­ных строительных сталей должна сочетаться с малой склон­ностью к хрупким разрушениям. Как отмечалось ранее, од­новременное повышение прочности и снижение хладнолом­кости является весьма сложной проблемой.. Решение ее осуществляется несколькими путями: карбонитридным уп­рочнением сталей, термической обработкой, контролируе­мой прокаткой, созданием малоперлитных и бейнитных ста­лей.

Карбонитридное упрочнение сталей представляет собой способ воздействия на структуру и свойства сталей посред­ством образования упрочняющих дисперсных карбонитрид – ных фаз при легировании стали ванадием и ниобием (ино­гда дополнительно алюминием и титаном) в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,030 %).

Главными факторами карбонитридного упрочнения яв­ляются: собственно дисперсионное упрочнение, измельчение аустенитного и действительного зерна стали, а при опре­деленной технологии — образование субзеренной структу­ры. Вследствие этого стали с карбонитридным упрочнени­ем обладают наивысшей прочностью и наименьшей темпе­ратурой перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Рассмотренные выше стали повышенной прочности, 15ГФ, 15Г2СФ и 10Г2Б также относятся к сталям с карбо­нитридным упрочнением, поскольку упрочняющими фазами в них являются карбиды ванадия и ниобия, в которых часть атомов углерода замещена азотом за счет остаточного азо­та в стали (0,005—0,008 %).

Таблица И. Состав и механические свойства высокопрочных

Содержание основных

Марка стали

С

Sl

Mn

N

14Г2АФ * 16Г2АФ * 18Г2АФпс* 12Г2СМФ 12ГН2МФАЮ

0,12—0,18 0,14—0,20 0,18—0,22 0,09—0,15 0,09—0,16

0,3-0,6 0,3-0,6 0,4-0,7 0,4-0,7 0,4—0,6

1,2—1,6 1,3—1,7 1,3—1,7 1,3—1,7 0,9—1,3

0,015—0,025 0,015—0,025 0,015—0,030 Ост.

0,02—0,03

* Стали могут содержать повышенное содержание меди (0,15—0,25 %), тогда упрочнение.

Введение в сталь повышенного содержания азота (до 0,030%) приводит к образованию комплексных фаз — карбонитридов: V(С, 1N) и Nb (С, N), а также нитридов AlN. Стали с азотом и карбидообразующими элементами об­ладают значительно более высокими механическими свой­ствами. /

10*

147

В табл. 11 приведены данные о составе и свойствах ос­новных высокопрочных сталей с карбонитридным упроч­нением. Наиболее широкое применение из них нашла сталь 16Г2АФ. Нормализация этой стали обеспечивает получение мелкого зерна, вследствие чего сталь имеет по сравнению с другими строительными сталями (ВСтЗсп, 09Г2С и др.) наивысшую прочность и наименьшую температуру перехо­да из вязкого в хрупкое состояние (рис. 78).

Бт, мпа T50, к

Ч 6 8 10 12 П 16 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0

Размер зерна D”^ Lnd”/Z

Рнс. 78. Зависимость предела текучести <ТТ и температуры перехода Tso от раз­мера зерна углеродистой стали СтЗ (I), низколегированной 09Г2С (2) и стали 16Г2АФ (3, 4) с карбоннтрндным упрочнением; 3 — лабораторная; 4 — промыш­ленная плавка (Л. И. Гладштейн)

Сталей с карбонитридным упрочнением

Влементов, %

FfB I "т

В. %

KCU1 МДж/м8 при t, 0C

Состояние поставки**

V

Другие элементы

МПа

—40

—70

0.07-0,12,

0,08—0,14

0,08—0,15

0,07-0,15

0,05—0,10

0,15—0,25Мо

1,4—l,7Ni 0,15—0,25Мо 0,05—0,10А1

550 600 600 700 700

400 450 450 600 600

20 20 19 14 14

0,4 0,4 0,4 0,35

0,3 0,3 0,3

0,3

H H

H или ТУ ТУ ТУ

 

В обозначении марки добавляется буква «Д». ** H — нормализация, ТУ —термо-

В стали 16Г2АФ упрочнение сочетается с понижением порога хладноломкости благодаря получению зерна разме­ром 10—20 мкм (№ 9—11), тогда как в обычной низколе­гированной стали типа 14Г2 зерно имеет размер 60—80 мкм (№ 5—6) — рис. 79. Отличительной особенностью сталей с карбонитридным упрочнением является то, что их механи­ческие свойства мало зависят от сечения проката. Более вы­сокую прочность (ат<600 МПа) имеет сложнолегирован-

Рис. 79. Действительное зерно низколегированной стали 14Г2 (а) и стали с карбонитридным упрочнением 16Г2АФ (б), Х200 (А. В. Рудченко)

Ная сталь 12Г2СМФ и ее хладостойкая модификация — сталь 12ГН2МФАЮ. Эти стали обладают высоким комп­лексом механических свойств после термического улучше­ния (закалка и высокий отпуск).

Стали с карбонитридным упрочнением применяют для изготовления наиболее ответственных сварных металлокон­струкций, эксплуатируемых в обычных климатических ус­ловиях, а также в сооружениях северного исполнения, экс­плуатируемых в районах с температурой ниже —40°С. Так, сталь 16Г2АФ широко применяется при сооружении мощ­ных металлургических агрегатов (доменных печей, конвер­теров ит. п.), железнодорожных и автомобильных мостов, труб магистральных газопроводов, телемачт, резервуаров нефтехранилищ и других ответственных сооружений.

Достигаемая при этом экономия металла в сравнении с его расходом на конструкции из обычной низколегирован­ной стали типа 10Г2С1 и 14Г2 составляет 15—30%, а по сравнению с конструкциями из углеродистой стали СтЗ— около 30—50 %.

Малоперлитные стали имеют пониженное содержание углерода (до 0,10%), что приводит к уменьшению количе­ства перлита в стали, а следовательно, к повышению удар­ной вязкости и пластичности, снижению порога хладнолом­кости и улучшению свариваемости. При этом снижение прочностных характеристик компенсируется введением в ¦сталь карбонитридообразующих элементов — ванадия, нио­бия, азота и алюминия. Следовательно, малоперлитные ста­ли являются разновидностью сталей с карбонитридным уп­рочнением при пониженном в них содержании углерода. В СССР разработана малоперлитная сталь 09Г2ФБ, содер­жащая 0,04—0,08 % V, 0,02—0,05 % Nb и до 0,015 % N. Та­кая сталь имеет мелкозернистую структуру феррита с дис­персными карбонитридами ванадия и ниобия и небольшим количеством перлита (до 5—10%)- Оптимальная структу­ра стали и высокие механические свойства достигаются после контролируемой прокатки.

Контролируемая прокатка — разновидность термомеха­нической обработки, она представляет собой обработку ме­талла давлением, регламентируемую определенной темпе­ратурой окончания прокатки ( — 800—850°С) и заданной степенью обжатия (15—20%) в последних пропусках.

Контролируемая прокатка позволяет получить опти­мальное сочетание прочности и вязкости при использова­нии сталей с карбонитридным упрочнением. Карбонитриды тормозят процессы возврата и рекристаллизации после про­катки, что обеспечивает получение мелкого зерна стали, хорошо развитой субзеренной структуры и дисперсионного упрочнения. Применение контролируемой прокатки исклю­чает последующую термическую обработку.

Малоперлитная сталь 09Г2ФБ после контролируемой прокатки обеспечивает следующие механические свойства: Ов>560 МПа, От^460 МПа, КСи~15°с =0,9 МДж/м2; KCU_60°C =0,6 МДж/м2. Такую сталь используют для из­готовления магистральных газопроводных труб северного исполнения. Применение контролируемой прокатки эффек­тивно и для других сталей с карбонитридным упрочнением.

Низкоуглеродистые бейнитные стали благодаря легиро­ванию имеют такую устойчивость переохлажденного аусте­нита, которая обеспечивает после контролируемой прокатки превращения аустенита с образованием продуктов про­межуточного превращения — игольчатого феррита. Типич­ным представителем таких сталей является сталь 08Г2МФБ (СО,08% С, -1,6% Mn; -0,2% Mo, -0,06 % V и -0,05% Nb).

Дополнительно к механизмам упрочнения, действую­щим в сталях с карбонитридным упрочнением после конт­ролируемой прокатки, в низкоуглеродистых бейнитных ста­лях имеется повышенная плотность дислокаций (деформа­ционное упрочнение). Сталь 08Г2МФБ со структурой игольчатого феррита и малоуглеродистого бейнита после контролируемой прокатки обеспечивает 600 МПа, >470 МПа, 6>20%, KCU-1S°G=0,9 МДж/м2, KCU-60°g= 0,65 МДж/м2.

Сталь 08Г2МФБ также предназначена для изготовления газопроводных труб.

В СССР задача создания высокопрочных и хладостой­ких сталей и их эффективного использования в строитель­стве решена благодаря применению сталей с карбонитрид­ным упрочнением, легированных недефицитным для нашей страны ванадием в сочетании с азотом и алюминием.

5. Арматурные стали

Арматурная сталь в виде стержней, гладких и периодичес­кого профиля, применяется для армирования железобетон­ных конструкций. Последние бывают ненапряженными и предварительно напряженными. Арматурные стержни в предварительно напряженной железобетонной конструкции работают на растяжение и испытывают большие нагрузки. В зависимости от напряжений применяют сталь разных классов прочности. Арматурные стали горячекатаные по­ставляют по ГОСТ 5781—82, а термомеханически и терми­чески упрочненные — по ГОСТ 10884—81.

В табл. 12 приведены гарантируемые механические свой­ства для семи классов арматурных сталей и рекомендуемые в каждом классе стали и их обработка.

Стали классов Al, AII и AIII используют для ненапря­женных конструкций, а более высокопрочные стали клас­сов AIV и выше применяют для армирования предваритель­но напряженного железобетона. Горячекатаные стали удо­влетворяют требованиям классов от AI до AV. По мере увеличения класса прочности возрастает степень легирова­ния сталей.

На металлургических заводах СССР в процессе производства ста­ли широко применяется термическое упрочнение арматуры. Технология термоупрочнения подобна технологии термоупрочиення е ирокатиого нагрева сталей для строительных металлоконструкций. Термическое упрочнение стержневой арматуры проводят на выходе стержня из про­катной клети. На специальных устройствах осуществляется прерванное охлаждение, обеспечивающее самоотпуск стали. Применяемая техио-

Т те

«я

SjB

Sg

АО О

0 о id о ° S PQ к

CB. H

~ S

S о

•a Sr

R

<я а

1

S о S I ах Ею

Со

Е

U =S

Е в

S а

=S V

.9

T – u

X 3 a о. >. fr­ee S о. я

X 3 о. о f о X

А

S а

Cf S

Ч

XO

Рекомендуемая сталь

Термомеханически н термически уп­рочненное состоя­ние

ИУоо

О

(-hSO(-H(_ U OgOOO о

T I – „-о « .

I I а (N (N <N..<N S

О сCjO..«и..UMOU

«Я Ю 55 U (J (J U о U о I-H IN ^^ЮООООООООСО

ИИсмсмсмсчсмсмсмсмсмсм

Горячекатаное состояние

ВСтЗсп;

ВСтЗпс;

ВСтЗкп;

СтЗсп, СтЗпс,

СтЗкп

ВСтЗсп,

ВСтЗпс, 18Г2С, 10ГТ

35ГС; 25Г2С 80С; 20X2ГЦ 23Х2Г2Т

Испытание на нзгнб в холодном состоянии

Диаметр оп­равки (d— диаметр стержня)

S а "в iO^a <3-

– СО СО С^Ю (S ю ю ю, ю_

Град

А g ® о 22 Ss ю ю

А

ЕО

О-

I I I CN gcN g g Ч

«О

Ю от ^ STi^ St^ S S S

H С

МПа

240

300

400 (450) 600 (600) 800 (800)

(1000)

(1200)

D С

380

500

600 (600) 900 (800) 1050 (1000)

(1200)

(1400)

Класс стали

A-I

A-II

A-III A-IV A-V

A-VI A-VII

Логия позволяет использовать эффект высокотемпературной термоме­ханической обработкиВ результате термоупрочнения получается мелкозернистая структура с дисперсной феррито-карбидной смесью, что обеспечивает требуемую прочность в сочетании с высокими характерис­тиками пластичности (в том числе равномерного удлинения). Термиче­ское упрочнение позволяет повысить на один-два класса прочности уро­вень свойств определенной стали по сравнению с горячекатаным со­стоянием, что обеспечивает экономию легирующих элементов и снижение себестоимости арматуры. Благодаря термическому упрочнению бы­ли созданы арматурные стали классов AVI и AVII. Высокопрочная ар­матурная сталь может подвергаться коррозионному растрескиванию под напряжением. Для повышения сопротивления этому явлению применя­ют индукционный нагрев для получения высокоотпущенного состояния в поверхностных слоях арматурных стержней, а также используют ста­ли с высокой устойчивостью против коррозионного растрескивания в высокопрочном состоянии (20ХГС2).

Термическое упрочнение арматурной стали позволяет получить эко­номию металла в среднем на 22 %.

Часть МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ Пятая СТАЛИ

К машиностроительным относят конструк­ционные стали, предназначенные для изго­товления различных деталей машин, ме­ханизмов и отдельных видов изделий.

В машиностроении потребляется около 40 % от произ­водства в стране стали, и по числу марок машиностроитель­ные стали являются самыми многочисленными. В зависи­мости от условий эксплуатации, а они в отдельных машинах и механизмах сильно различаются, требования к ста­лям будут неодинаковыми. Однако к конструкционным ма­шиностроительным сталям предъявляется и целый ряд об­щих требований, основными из которых являются: высокая конструктивная прочность, определяемая оптимальным со­четанием прочности, вязкости и пластичности, необходимые технологические свойства — хорошая обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость, малая склонность к образованию трещин, короблению, обезуглероживанию при термической обработке, а также иногда и специальные свойства: износостойкость, теплоустойчивость, определен­ные физические свойства и т. д. Существует несколько приз­наков классификации машиностроительных сталей: по составу (углеродистые, легированные), по обработке (улуч­шаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мар – тенситно-стареющие и т. д.), по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые, криогенные и т. п.). Ниже рассмат­риваются отдельные группы машиностроительных сталей по указанным признакам.