Лабораторная работа № 14. Фазовый состав, структура и свойства высокопрочных сталей, применяемых для сварных металлоконструкций

Цель работы: ознакомление смикроструктурой, методами упрочнения и свойствами высокопрочных конструкционных сталей, применяемых для сварных металлоконструкций.

Двухфазные ферритно-мартенситные стали (ДФМС)

ДФМС — это низкоуглеродистые низколегированные стали, структура которых представляет собой мелкозернистую ферритную матрицу с 15—25 % мартенсита в виде отдельных островков. В структуре также может присутствовать небольшое количество остаточного аустенита, бейнита и дисперсных карбидов. Существует широкий набор ДФМС, различающихся по структуре и свойствам. Базовыми ДФМС являются стали типа 06ХГСЮ (0,05—0,08 % С; 1,1 — 1,4% Мn; 0,4—0,7% Сr; 0,3— 0,5% Si) и 06Г2СЮ (0,05—0,08 % С; 1,4—1,7% Мn; 0,4—0,6% Si).

Листовые ДФМС с высокой штампуемостью по составу близки к широко распространенным сталям типа 09Г2С; 09Г2; 09Г2Д; 10Г2С1 и т. п. (ГОСТ 19282—73). Основной вариант термической обработки для получения ферритно-мартенситной структуры — неполная закалка: нагрев до температур межкритического интервала (МКИ) А_С1— А_С3 с последующим охлаждением. Получение необходимого соотношения структурных составляющих ДФМС при термической обработке обеспечивается путем снижения (до 0,08—0,09 %) содержания углерода в стали, что позволяет уменьшить зависимость количества аустенита от температуры нагрева.

Конкретный режим термической обработки для получения ДФМС с требуемыми свойствами назначается в зависимости от состава стали с учетом параметров термического оборудования (скорости и продолжительности нагрева, средств охлаждения нагретой полосы, возможности проведения отпуска и т. д.). В общем случае температура нагрева должна соответствовать А_С1 + (60-90 °С); охлаждение от температур МКИ предпочтительно проводить с умеренными скоростями (5—30 °С/с) до 400—500 °С, что обеспечивает стабильность получения 15— 25 % мартенсита и лучшую пластичность и вязкость. При этом существует достаточно широкий интервал температур нагрева (40—80 °С), которые, в свою очередь, обеспечивают примерное постоянство структуры и прочностных свойств. Отпуск при 200 — 250 °С способствует повышению на 30 % всех механических свойств, в том числе и ударной вязкости.

Двухфазные ферритно-мартенситные стали предназначены для изготовления деталей холодной пластической деформацией (штамповкой, высадкой, вытяжкой, гибкой). Их окончательные прочностные характеристики формируются в процессе изготовления деталей — в результате упрочнения при деформации и последующего старения уже готовых деталей, например во время сушки лакокрасочного покрытия при 170—200 °С. Повышение прочности ДФМС в процессе деформации составляет в среднем 10 МПа на 1 % обжатия поперечного сечения. В критическом сечении суммарная (на всех операциях) деформация при изготовлении деталей методами холодной объемной штамповки для гарантированного обеспечения σ_в ≥ 800 МПа должна быть порядка 20—25 %. Механические свойства ДФМС после закалки и деформационного старения приведены в табл. 1.

Таблица 1-Механические свойства после термообработки

Поскольку предел выносливости определяется прочностными характеристиками, то ДФМС имеют определенные преимущества и при циклических испытаниях.

Сталь 09Г2 после обработки на двухфазную структуру имеет повышенный предел выносливости; одновременно примерно в 3—3,5 раза увеличивается число циклов до разрушения в области малоцикловой усталости. Соответствующие механические свойства при растяжении приведены в табл. 1.

Упрочнение ДФМС создают участки мартенсита: каждый 1 % мартенситной составляющей в структуре повышает временное сопротивление разрыву примерно на 10 МПа независимо от прочности и геометрии мартенситной фазы. Разобщенность мелких участков мартенсита и высокая пластичность феррита значительно облегчают начальную пластическую деформацию. Характерный признак ферритно-мартенситных сталей — отсутствие на диаграмме растяжения площадки текучести. При одинаковом значении общего и равномерного удлинения ДФМС обладают большей прочностью и более низким отношением σ_0,2/σ_в = (0,4—0,6), чем обычные низколегированные стали. При этом сопротивление малым пластическим деформациям (σ_0,2) у ДФМС ниже, чем у сталей с ферритно-перлитной структурой.

При любых уровнях прочности все показатели технологической пластичности ДФМС (σ_0,2/σ_в, δ, ψ, вытяжка полых изделий, прогиб, и т. д.), превосходят аналогичные показатели обычных сталей.

Повышенная технологическая пластичность ДФМС позволяет применять их для листовой штамповки деталей сложной конфигурации, что является существенным преимуществом перед другими высокопрочными сталями. Повышенная технологическая пластичность ДФМС позволяет применять эти конструкционные материалы не только в машиностроении, но также для металлоконструкций и крепежных деталей. Конкретное назначение, физические, механические и технологические свойства указанных сталей подробно рассмотрены в справочной литературе.

ДФМС удовлетворительно свариваются методом контактной точечной сварки. Предел выносливости для сварного шва при знакопеременном изгибе составляет 60 % от предела прочности основного металла.

Экономическая эффективность применения ДФМС определяется экономией массы изделий на 25 % и отсутствием необходимости проведения термической обработки для упрочнения изделий.