УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

В строительстве широко применяют углеродистые стали обыкновенного качества, как наиболе дешевые, техноло­гичные и обладающие необходимым комплексом свойств при изготовлении многих металлоконструкций массового назначения.

Углеродистые стали обыкновенного качества производят в больших масштабах. Кроме строительства, их использу­ют в машиностроении и других отраслях народного хозяй­ства. В основном эти стали используют в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки. Как правило, они имеют феррито-перлитную структуру. В ряде случаев прокат подвергают термическому упрочнению.

Стали группы В поставляют с регламентированными механическими свойствами и химическим составом. Как правило, такие стали’ применяют для изготовления сварных металлоконструкций, так как свариваемость стали опреде­ляется составом стали, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали группу В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответ­ственных изделий.

Углеродистые стали обыкновенного качества бывают спокойными (сп), полуспокойными (пс) и ки­пящими (кп). В их составе разное содержание кремния, %: спокойные — 0,12—0,30, полуспокойные — 0,05—0,17; кипящие ^0,07.

Каждая марка стали может иметь различную категорию в зависимости от количества нормируемых показателей химического состава и механических свойств.

Обозначаются углеродистые стали обыкновенного качества буква­ми «Ст», за которыми следует цифра, указывающая порядковый номер марки стали, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повы­шением номера от Ст 1 до Ст 6 содержание углерода в стали увеличи­вается. Группы Б и В указывают впереди марки. Группа А в обозна­чении марки не указывается. Для обозначения степени раскисления пос­ле номера марки добавляют один из индексов сп, пс, кп, а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Полуспокойиые стали могут иметь повышенное содержание марганца (до 1,2%). В этом случае после номера стали ставится буква «Г».

Так, ВСтЗспб означает, что сталь СтЗ спокойная, группы В, катего­рии 5 (нормируемыми для этой категории показателями являются: химический состав, временное сопротивление при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном состоянии, удар­ная вязкость при —20 0C и после механического деформационного ста­рения).

Ст2кп означает, что сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1 (нормируемые показатели: временное сопротивление при растяжении и относительное удлинение).

БСт5Гпс2 означает, что сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2 (нормируется содержа­ние С, Mn, Si, Р, S, As, N, Cr, Ni, Cu).

Данные табл. 6 иллюстрируют состав[14] и механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества.

Из перечисленных марок сталей наибольшее примене­ние в строительстве для изготовления сварных металло­конструкций находит сталь СтЗ. По сравнению с ней стали марок от Ст4 до Стб значительно хуже свариваются, а ста­ли CtO до Ст2 — менее прочные. В качестве арматурной

Таблица 6. Гарантируемые показатели для углеродистых спокойных и полуспокойных сталей обыкновеииого качества (образцы толщиной до 20 мм)

Марка стали

Группа А

Группа Б

<тв, МПа

<тт, МПа

6, %

Изгиб на 180° (а—толщина

Образца, d—диаметр оправки)

С, %

Mn %

Не менее

CiO

310

23

D-2a

<0,23

CTI

320—420

34

D-0

0,06—0,12

0,25—0,50

Ст2

340—440

230

32

D-0

0,00—0,15

0,25—0,50

СтЗ

380—490

250

27

D-0,5a

0,14—0,22

0,40—0,65

Ст4

420—540

270

24

D-2a

0,18—0,27

0,40—0,70

Ст5

500—640

290

20

D-3a

0,28—0,37

0,50—0,80

Стб

600

320

15

0,38—0,49

0,50—0,80

Примечание. Гарантируемые показатели группы В включают требования к группам А и Б, кроме того, для сталей ВСтЗсп и ВСтЗпс категорий 3—5 уста­новлены дополнительные требования по ударной вязкости (KCU) при +20 хладостойкость при —20 °С и после механического старения.

Руемых при низких климатических температурах, а также для сварных конструкций, находящихся под воздействием динамических и вибрационных нагрузок (ответственные сооружения), недопустимо. Для строительства наиболее ответственных сооружений следует применять только спо­койную сталь.

Однако углеродистые стали обыкновенного качества за­частую не обеспечивают требуемых свойств по хладостой – кости при эксплуатации сварных металлоконструкций в

Температура испытания, °С

Рис. 67. Зависимость ударной вязкости KCU (а), % волокна В в изломе (б), ра­боты зарождения а3 (в) н развития трещины tip (г) от температуры испытания Для спокойной (сп) н кипящей (кп) стали СтЗ (М. Н. Георгиев)

Условиях Сибири и Крайнего Севера, т. е. в районах с низ­кими климатическими температурами. Другим существен­ным недостатком строительных углеродистых сталей является их малая прочность, что приводит к большому расходу металла и увеличению массы металлоконструк­ций. Поэтому повышение прочности строительных сталей и увеличение их хладостойкости являются важными народ­но-хозяйственными проблемами. Решается эта задача пу­тем термического упрочнения углеродистых сталей и при­менения низколегированных сталей.

2. Термоупрочненные стали

Термоупрочнение является эффективным методом повыше­ния прочности углеродистых сталей. Теоретические основы, технология и оборудование этого метода упрочнения ста­лей различного назначения разработаны М. В. Приданце – вым, К. Ф. Стародубовым, И. Г. Узловым и другими совет­скими учеными.

Сущность метода термоупрочнения проката состоит в том, что по окончании прокатки сталь из аустенитного со­стояния охлаждается ускоренно, в результате чего образу­ются более низкотемпературные продукты распада аусте­нита, чем в обычной горячекатаной стали.

На рис. 68 приведена схема, характеризующая распад аустенита низкоуглеродистой стали СтЗ при охлаждении на воздухе (горячекатаное состояние) и при прерванном

Охлаждении в воде (термоуп­рочнение). В горячекатаной стали аустенит как в центре проката, так и на его поверх­ности распадается в верхней части перлитной области, в ре­зультате чего образуется фер- рито-перлитная структура. При термоупрочнении температу­ра превращения аустенита зна­чительно понижается, в резуль­тате чего в центральных зонах проката частично предотвра­щается выделение избыточно­го феррита и получается пер­лит более дисперсного строе­ния — псевдоэвтектоид (иногда частично бейнит). В поверхно­стных слоях проката неболь­шого сечения возможно обра­зование мартенсита, однако из-за-высокой температуры на­чала мартеиситного превращения в стали с низким содер­жанием углерода (Mh=400—450° при 0,2 % С) будет про­текать самоотпуск мартенсита.

Рис. 68. Схематическая термо – кииетическая диаграмма ста­ли СтЗ с наложенными кривы­ми охлаждения центра (ц) и поверхности (п) проката при термическом упрочнении (штри­ховые линии) и при охлажде­нии иа воздухе — горячеката­ное (сплошные линии) состоя­ние (Ю. Г. Эйсмоидт, А. А. Шу­стов)

Время

Кроме того, технология термоупрочнения проката в большинстве случаев предусматривает ускоренное охлаж­дение только в течение определенного времени (прерван­ное охлаждение), по окончании которого температура по­верхностных слоев проката повышается за счет тепла вну­тренних слоев. Поэтому через некоторое время после того, как охлаждение прервано, температуры центра и поверх­ности выравниваются и происходит самоотпуск стали. При такой технологии термоупрочнения дополнительный отпуск стали не требуется, а проведенная термическая обработка проката является окончательной. Необходимо отметить, что при термоупрочнении стали закалки стали фактически не происходит (кроме некоторых случаев закалки тонких поверхностных слоев). Обусловлено это тем, что низкоугле – роднстая нелегированная сталь имеет низкую устойчивость переохлажденного аустенита и, следовательно, весьма боль­шую верхнюю критическую скорость охлаждения при за­калке (500—1000°С/с), а также, как отмечалось, высокую температуру начала мартенситного превращения. Поэтому при охлаждении реальных профилей проката обеспечить закалку на мартенсит практически невозможно.

Ускоренное охлаждение проката при термоупрочиении осуществля­ется в различных охлаждающих устройствах: закалочных баках с си­стемой активации воды, спрейерных установках, расположенных на рольгангах прокатного стаиа, установках водовоздушного охлаждения и др. Конструкция этих устройств предусматривает прерывание охлаж­дения через заданный промежуток времени. Если охлаждение прово­дят до комнатной температуры, то предусматривается отпуск стали.

Термоупрочнение в потоке стана с использованием тепла прокатно­го нагрева наиболее рационально и экономически выгодно в условиях современного производства. Однако в ряде случаев целесообразно тер­моупрочнение со специального повторного нагрева горячекатаной стали (например, .электросварные трубы большого диаметра). По мнению ря­да ученых (К. Ф. Стародубов), при термоупрочнении непосредственно по окончании деформации возможно дополнительное упрочнение за счет эффекта термомеханической обработки. Возможность реализации такого эффекта вероятна лишь для низколегированных сталей.

На рис. 69 приведены структуры горячекатаной и тер – моупрочненной стали СтЗ, в последней свободного феррита меньше, он выделяется в виде тонких прослоек игольчатой формы по границам и внутри зерна. Псевдоперлит и отпу­щенный бейнит имеют тонкое строение.

Рис. 69. Микроструктура стали СтЗ в горячекатаном состоянии (а) и после термического упрочнения (б), XlOO

Заметное изменение структуры стали в результате тер­моупрочнения по сравнению с горячекатаной сталью вызы­вает существенное изменение механических свойств стали (табл. 7).

T а б л и"ц а 7. Механические свойства горячекатаной (числитель) и термоупрочиеииой (знаменатель) углеродистой стали (по данным разных авторов)

Марка

Вид проката

Режим

Ав

6

Ч>

К*

Стали

Термоупрочиеиия

МПа

%

СтЗсп СтЗпс СтЗкп

Швеллер № 19

Уголок 200Х 200Х X 16,5

Лист 16 MM

С прокатного на­грева с самоотпу­ском

440 640

410 580

420 550

340

470

240 380

260 360

28,5 15,2

33,5 15,5

32,5 21,5

56,5 53,5

57,0 56,5

1,45 1,41 1,30

Стбсп Ст5сп

Арматура № 14

Электронагрев с самоотпуском при 4000C

То же, при 500 0C

610 1120

610 920

390 1050

390

730

24,7 9,8

24,7 14,7

;

1,84 1,51

Стбсп

То же, при 600 0C

610 790

111

24,7 20,0

1,30

Стбсп

То же, при 680 0C

О I о to I to

390 470

24,7 21,7

1,10

* K=Ok /а — степень упрочнения, т. упр вг. к

Прочность стали возрастает в 1,3—1,5 раза при сохра­нении высоких значений пластических свойств. Степень упрочнения может быть увеличена еще посредством умень­шения температуры самоотпуска или, что равнозначно, увеличения времени охлаждения в воде.

Процесс термоупрочнения при оптимальной технологии наряду с упрочнением обеспечивает понижение порога хладноломкости и снижение склонности к деформационно­му старению. На рис. 70 показана зависимость порога хладноломкости (по началу появления хрупкого излома) арматурной углеродистой стали в зависимости от степени упрочнения. Наблюдается снижение порога хладноломко­сти до степени упрочнения 1,8. Лишь при степени упрочне­ния более 2,2 хладостойкость термоупрочненной стали становится выше, чем горячекатаной. Значение степени уп­рочнения, при котором порог хладноломкости повышается, будет различным для разных профилей проката и марок стали. Но даже и в толстостенных профилях проката уп­рочнение не сопровождается увеличением критической температуры хрупкости выше, чем для горячекатаной стали.

Таким образом, термоупрочнение углеродистых строи­тельных сталей позволяет повысить прочностные характе­ристики стали в 1,3—1,5 и более раз, снизить порог хладноломко­сти (для большинства видов про­ката) или сохранить его на преж­нем уровне, при этом характери­стики пластичности стали оста­ются соответствующими нормам стандартов. В результате исполь­зования термоупрочненного про­ката в строительстве достигается экономия металла от 15 до 60 % и повышается надежность метал­локонструкций и сооружений. Термоупрочнение с прокатного нагрева позволяет получить в ме­таллургии большую экономию капиталовложений, топ­лива и энергии, уменьшить потери металла в окалину. Недостатком процесса термоупрочнения является короб­ление проката и необходимость его правки. Эти недо­статки устранимы при оптимальной технологии произ­водства.

Ьл,0C

__ I—————– 1—-

7 Х, Ч 1,8 2,2 2,6 К

Рис. 70. Изменение порога хла­дноломкости Гхл термически упрочненной стали в зависимо­сти от степени упрочнения К (К. Ф. Стародубов, Ю. П. Гуль)

Термоупрочненная углеродистая сталь для сварных ме­таллических конструкций обозначается ВСтТсп, ВСтТпс и ВСтТкп. В соответствии с ГОСТ 14637—79 такая сталь со­держит 0,10—0,21 % С и 0,4—0,65 % Mn. Для листов тол­щиной 10—40 мм гарантируются следующие механические свойства: <тв^430 МПа; <гт^295 МПа, 6^16 %, KCU ^0,3 МДж/м2, после механического старения KCU^O,3 МДж/м2. Арматурная термически упрочненная сталь из­готовляется из углеродистой и легированной стали по ГОСТ 10884—81.

129

В настоящее время Советский Союз занимает первое место в мире по производству термоупрочненного проката.

9—970

Термоупрочнению подвергают арматуру, лист, сортовой и фасонный профиль, катанку, трубы, рельсы и др. Эффек­тивно термоупрочнение проката и из низколегированных сталей.