Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Лабораторная работа № 17. Фазовый состав, структура и свойства низколегированных сталей, применяемых для сварных металлоконструкций

Цель работы: ознакомление смикроструктурой и свойствами низколегированных конструкционных сталей, областью их применения.

Углеродистые стали представляют значительную группу конструкционных материалов; они составляют 80 % общего объема продукции черной металлургии и применяются для изготовления различных металлоконструкций и изделий машиностроения. Стали обыкновенного качества и качественные дешевы, имеют удовлетворительные механические свойства в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. В зависимости от условий работы и содержания углерода углеродистые стали подвергают термической и химико-термической обработке.

Содержание углерода определяет основные характеристики физических, механических и технологических свойств. По мере увеличения его количества возрастает доля цементита в структуре, что обусловливает затруднение перемещения дислокаций и соответственно — развитие сдвиговых процессов. В результате этого повышается прочность, но снижается пластичность, а иногда и вязкость.

Углеродистые стали с пониженным содержанием углерода (до 0,3 %) имеют высокую вязкость разрушения при σ_0,2= 500 МПа.

Низколегированные стали содержат до 0,2 % С и до 2—3 % легирующих элементов. Их упрочнение основано на легировании феррита марганцем и (или) кремнием. Это марганцовистые стали 14Г, 19Г, 09Г2 и др., марганцовокремнистые 12ГС, 09ГС, 10Г2С1 и др. Марганцовокремнистые стали имеют более высокую прочность, чем марганцовистые, но их пластичность и вязкость заметно ниже.

Низколегированная сталь поставляется тонко- и толстолистовой, широкополосной; в зависимости от нормируемых механических свойств — без термической обработки или с термической обработкой. Эти стали применяются в судостроении, химической промышленности, вагоностроении, мостостроении. Низколегированные стали применяются, как правило, в нормализованном, реже — в горячекатаном состоянии. Их механические свойства можно улучшить с помощью термической обработки, которую целесообразно проводить после нагрева под прокатку. После закалки и отпуска упрочнение сочетается с малой чувствительностью к надрезу.

Низколегированные стали не намного дороже углеродистых, но по сравнению с ними имеют лучший комплекс механических свойств, повышенную хладостойкость, пониженную склонность к старению, лучшую свариваемость, повышенную износостойкость и коррозионную стойкость.

Большой экономический эффект достигается при использовании в металлоконструкциях сталей с карбонитридным упрочнением.

Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением. Легирование низкоуглеродистых марганцовистых сталей (0,015—0,025 % N, 0,10— 0,20 % V, около 0,1% Ti, а также ~0,05 % А1) создает предпосылки для выделения дисперсных включений карбонитридов ванадия, титана или нитридов алюминия. Дисперсные включения способствуют измельчению аустенитного (до № 10—12) и действительного зерна стали, тормозят движение дислокаций. В совокупности эти факторы благоприятно влияют на прочность, вязкость и хладостойкость.

Доля собственно карбонитридного упрочнения составляет около 15—25%, а доля упрочнения от измельчения зерна—30—40 %.Максимальная ударная вязкость при отрицательных температурах достигается в стали с 0,10— 0,15% V. Наиболее рациональным является совместное легирование несколькими карбидо- и нитридообразующими элементами, например 0,08V + 0,03Nb, а в сталях, содержащих азот, 0,10 V + 0,04 % А1. С учетом этого положения разработаны основные марки стали с карбонитридным упрочнением трех категорий прочности: 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ. После нормализации эти стали имеют предел текучести соответственно 400, 450, 500 МПа. Стали 15ГФ и 15Г2СФ, не легированные азотом и содержащие только ванадий, имеют предел текучести в горячекатаном состоянии соответственно 360 и 400 МПа.

Дополнительное легирование стали никелем до 2 % способствует сохранению высоких характеристик пластичности и вязкости при низких температурах.

Легирование алюминием позволяет снижать размер зерна в горячекатаных, нормализованных и улучшенных сталях. Добавка до 0,3 % Сu способствует повышению стойкости против атмосферной коррозии.

К термически улучшаемым высокопрочным относятся стали 12Г2СМФ (σ_0,2= 600 МПа) и 12ГН2МФАЮ (σ_0,2= 750 МПа).

Из низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением изготовляют металлоконструкции промышленных зданий, ответственные сварные конструкции, в том числе северного исполнения, пролетные строения железнодорожных и крупных автодорожных мостов, платформы автомобилей большой грузоподъемности (до 120 т) и др.

Стали 14Г2АФ и 16Г2АФ применяют, как правило, в нормализованном состоянии. При нормализации листы из этих сталей нагревают до 900 °С со скоростью 2 мин/мм и охлаждают на спокойном воздухе.

Высокопрочные стали 12Г2СМФ и 12ГН2МФЮ подвергают закалке с высоким отпуском. Температура высокого отпуска около 650 °С при выдержке 3—4 мин/мм.

Свойства сталей после нормализации определяются степенью растворения упрочняющих фаз при нагреве, величиной зерна и процессами выделения упрочняющих фаз в дисперсной форме при охлаждении. В связи с тем, что дисперсные частицы повышают не только прочность, но и вязкость (ограничивая рост зерна), нормализованный прокат разной толщины мало различается по ударной вязкости и хладостойкости (обычно эти свойства стали в горячекатаном состоянии сильно зависят от толщины листов).

Для этих сталей нормируемой характеристикой является ударная вязкость. Ее значения сохраняются на удовлетворительном уровне до весьма низких температур. Повышенной хладостойкостью (до —100 °С) обладает сталь 14Г2АФ в виде относительно тонких листов. Высокой хладостойкостью (до —110 °С) характеризуется высокопрочная сталь 12ГН2МФАЮ в виде листов толщиной до 40 мм. Обработка стали с нитридами ванадия жидким синтетическим шлаком (СШ) или электрошлаковый переплав (ЭШП) способствуют резкому уменьшению содержания серы (до 0,005 %) и обеспечивают еще большее повышение характеристик вязкости при отрицательных температурах. Например, низкотемпературная ударная вязкость стали 16Г2АФ возрастает в 2,5 раза.

Хорошей свариваемости низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением способствует низкое содержание углерода и легирующих элементов, ограниченная склонность к росту зерна. Пониженная закаливаемость в околошовной зоне определяет меньшую склонность к образованию трещин в сварных соединениях. Стали типа 14—16Г2АФ свариваются без ограничений при условии практически мгновенного охлаждения (со скоростью 5—30 °С/с). При меньших скоростях охлаждения снижается ударная вязкость и повышается порог хладноломкости в околошовной зоне. Применяют ручную, автоматическую и полуавтоматическую сварку, в том числе в атмосфере защитных газов.

Лучшей свариваемостью и хладостойкостью характеризуются стали 15Г2АФДпс и 18Г2АФпс. Усталостная трещина в них не переходит в хрупкую в условиях низких температур.

Стали с карбонитридным упрочнением легко подвергаются механической обработке и холодной обработке давлением, что определяется их высоким запасом пластичности. Применение этих сталей дает большую экономию металла: 14—30 % — по сравнению с его расходом на конструкции из обычных низколегированных сталей 10Г2С1 и 14Г2; около 30— 50 % — по сравнению с конструкциями из углеродистой стали ВСтЗ. Особенно перспективны стали 14Г2АФ и 16Г2АФ, широко используемые в виде относительно тонкостенных электросварных труб диаметром 152— 420 мм для промышленных строительных сооружений и изделий машиностроения.

Низколегированные малоперлитные стали — это низколегированные стали с низким содержанием углерода. Они содержат до 0,1 % С, до 2 % Мп и дополнительно в разных сочетаниях ванадий (≈ 0,1 %), ниобий (≈ 0,06 %), а иногда и молибден (≈ 0,2 %). В этих сталях может также присутствовать алюминий (до 0,05 %). Благоприятное сочетание свойств получается при содержании легирующих элементов в стали не более 2— 3%. Ванадий, ниобий, алюминий и частично молибден участвуют в образовании упрочняющей фазы на основе углерода и азота (≈ 0,005 %). Поставляются малоперлитные стали по техническим условиям.

Эти стали используют для конструкций различного назначения. Их применяют взамен низколегированных нормализованных и термически упрочненных сталей для изготовления сварных конструкций в судо- и мостостроении, транспортном и химическом машиностроении, строительстве и трубопроводном транспорте для передачи нефти и газа. Высокий комплекс механических свойств, хорошие свариваемость и формуемость позволяют использовать малоперлитные стали для изготовления таких ответственных конструкций, как магистральные газопроводы, эксплуатируемые в районах Севера.

Влияние микролегирования наиболее эффективно реализуется в малоперлитных сталях при контролируемой прокатке. В результате такой обработки высокая прочность сочетается с высоким сопротивлением вязкому и хрупкому разрушению. Контролируемая прокатка — это высокотемпературная обработка, технология которой основана на определенном сочетании основных параметров горячей деформации: температуры нагрева; суммарной степени, кратности деформации и ее величины при различных температурах, скорости охлаждения между проходами и т. д. В процессе прокатки с контролируемым режимом деформации структурные изменения в деформируемом металле протекают в три стадии. На первой стадии (> 950 °С) в процессе деформации происходит рекристаллизация; на второй стадии (< 950 °С) сталь упрочняется вследствие измельчения структуры и повышения плотности дислокаций; на третьей стадии (≈ 800 °С) происходит выделение дисперсных избыточных фаз, обусловленное легированием стали карбидо- и нитридообразующими элементами (Mo, Nb, V, Ti). Условия нагрева должны обеспечивать максимальное растворение компонентов, вызывающих образование в дальнейшем дисперсных частиц избыточной фазы. Для получения хладостойкого проката из микролегированных марганцовистых сталей температура начала прокатки должна быть ≈ 1200 °С. На завершающем этапе обработки деформация проводится в диапазоне температур А₃ –А₁ при суммарной деформации ≥ 66 %. После контролируемой прокатки листы толщиной 12—32 мм имеют следующие механические свойства: σ_0,2= 490 МПа; σ_в ≈ 600 МПа; б = 24 %; KCU = 1,0 МДж/м² при 100% волокна в изломе ударных образцов при 0°С.

Эффективность комплексного микролегирования установлена на малоперлитных сталях типа 09Г2Ф, 09Г2ФБ, 09Г2ФТ, 09Г2ФБТ, 09Г2ФЮ. Совместное влияние комплексного микролегирования и контролируемой прокатки превосходит сумму раздельных влияний этих факторов на прочностные свойства. Механические свойства листов, полученных контролируемой прокаткой, в значительной степени определяются их толщиной. С увеличением толщины листа прочностные свойства снижаются, причем более интенсивно снижается предел текучести. Повышенная хладостойкость сохраняется в листах толщиной до 32 мм. Пластические свойства стали после контролируемой прокатки находятся на достаточно высоком уровне (δ = 20 %). Ударная вязкость повышается примерно в 2 раза по сравнению с ее значением после обычной прокатки и приближается к значению, соответствующему ударной вязкости нормализованной стали. Применение термического упрочнения при изготовлении листового проката из малоперлитных сталей способствует повышению их прочностных свойств, что обеспечивает более экономное расходование проката. Например, упрочнение стали 09Г2ФБ по режиму: контролируемая прокатка с деформацией ε = 40 % +закалка в воде от температуры конца прокатки (900 °С) + высокий отпуск (650 °С), позволяет значительно улучшить ее механические свойства (σ_0,2≈ 650 МПа; σ_в ≈ 730 МП; δ ≈ 30 %; KCV ≈ 1,4 МДж/м²). Такая технология повышает сопротивление стали хрупкому и усталостному разрушению, возрастает предел выносливости стали (от 300 до 380 МПа). Повышение предела выносливости пропорционально повышению прочностных свойств объясняется созданием устойчивой дислокационной структуры по типу полигонизации.

Легирование стали бором в количестве до 0,005 % повышает устойчивость аустенита и обеспечивает более высокую прокаливаемость. Листы из стали 12Г2ФР можно охлаждать при закалке с меньшей скоростью, чем листы из стали 09Г2ФБ, что облегчает реализацию термического упрочнения.

Малоперлитные стали с карбонитридным упрочнением (типа 09Г2ФБ) после контролируемой прокатки cpeди углеродистых и низколегированных строительных сталей имеют максимальную конструктивную прочность и наиболее низкую температуру полухрупкости (Т₅₀ = —70 °С). Получение такого комплекса свойств этих сталей обусловлено их мелкозернистостью (зерно 11—12) и наличием дисперсных карбонитридов V(С, N); Nb(С, N) или A1N (рисунок 17.1).

Рисунок 17.1-Микроструктуры углеродистой, низколегированной и низколегированной малоперлитной сталей

Задание по работе:

1. Сравнить микроструктуры низкоуглеродистых и низколегированных сталей, измерить их твердости и объяснить отличие физико-механических свойств;

2. Сделать выводы о целесообразности применения указанных сталей в качестве материала для различных металлоконструкций.