Частина IV. Конструкційні сталі і сплави та їх зварюваність

Глава 1. Вуглецеві конструкційні сталі

1. Вплив вуглецю і домішок па структуру, властивості і застосування вуглецевих сталей

Основною продукцією чорної металургії (до 80%) є вуглецева конструкційна сталь.

Вуглецева сталь промислового виробництва - складний за хімічним сполученням сплав. Окрім основи - заліза (якого може бути 97,0-99,5%), в ній присутні елементи, які обумовлені технологічними особливостями виробництва (марганець, кремній, алюміній) або неможливістю повного виведення їх із металу (сірка, фосфор, кисень, азот, водень), а також випадковими обставинами (хром, нікель, мідь тощо).

Сталі різних виробництв відрізняються властивостями через кількість тих чи інших домішок. Але один елемент, а саме вуглець, вводиться в просту вуглецеву сталь спеціально і являється обов'язковим її елементом.

В

Рис. 233. Вплив вуглецю на механічні властивості гарячекатаних сталей.

КСІІ, МДж/м²

Рис. 234. Вплив вуглецю на холодноламкість сталей.

углець сильно впливає на механічні властивості сталі, навіть у гарячекатаному стані (рис. 233). Із збільшенням вмісту вуглецю змінюється структура сталі: зменшується кількість фериту і збільшується кількість перліту, а при 0,8% С ферит зовсім зникає. Суттєво впливає вуглець на в'язкість сталі. Як видно з рис. 234, підвищення вмісту вуглецю підвищує поріг холодноламкості і змен-

шує ударну вязкість при температурах, вищих за поріг холодноламкості. Якщо сталь підлягає зміцнюючій термообробці, то після загартування вплив вуглецю на підвищення характеристик міцності (ов, сто.2, НВ) збільшується в декілька разів.

Особливу увагу слід приділити впливу постійних домішок на властивості сталей. Постійними домішками в сталях є Мп, Зі, Р, 8, а також гази (водень, азот, кисень). Звичайний вміст домішок у верхніх границях може бути таким: 0,08% Мп, 0,05% Р, 0,5%8і, 0,05%8. Якщо цих елементів в сталі більше, то її можна віднести до легованих сталей.

Марганець і кремній відносяться до корисних домішок. Обидва вводяться в сталі для розкислення, тобто для усунення шкідливих сполук заліза з киснем:

РеО + Мп—>МпО + Ре 2РеО + Зі—>2Ре + ЗіСЬ

Марганець усуває також шкідливі сполуки заліза з сіркою. Марганець і кремній розчиняються у фериті, підвищуючи його міцність.

Сірка і фосфор відносяться до шкідливих домішок. Знаходячись в залізній руді, а також в паливі і флюсах, вони спочатку потрапляють в чавун, а потім в сталь. В сталі кількість цих домішок дуже зменшується, але добитися повної їх відсутності не вдається.

Фосфор розчиняється у фериті і сильно викривляє його кристалічну решітку. При цьому збільшуються границі міцності і текучості, знижуються пластичність і в'язкість і різко підвищується температура переходу в крихкий стан - поріг холодноламкості. Шкідливий вплив фосфору посилюється тим, що він має велику схильність до ліквації і сегрегації по межах зерен.

Сірка не розчиняється в залізі, а будь-яка її кількість утворює з залізом сірчасту сполуку РеЗ, яка входить до складу евтектики з температурою кристалізації 988°С. Ця евтектика розташовується, як правило, уздовж меж зерен (рис. 137,а) і робить сталь крихкою при нагріві до температур вище 800°С. Таке явище називається червоноламкістю. Під час прокатування або кування, коли сталь нагрівається до температур 1000-1200°С, евтектика розчиняється, порушуються зв'язки поміж зернами металу, внаслідок чого виникають тріщини і надриви. Під час зварювання в зоні тер'мічного впливу теж можуть з'являтися рідкі прошарки евтектики між зернами основного

металу, спричиняючи утворення гарячих тріщин поблизу лінії сплавлення.

Введення марганцю в сталь зменшує шкідливий вплив сірки, ію утворюється пластичний сульфід марганцю:

Ре5 + Мп—>МпЗ + Ре

Сульфід марганцю розташовується в сталі у вигляді окремих включень і плавиться при температурах, значно вищих температури і арячої обробки тиском. Під час обробки тиском сульфіди марганцю витягуються і мають вигляд продовгуватих лінз (рис. 137,6). Вздовж них витягуються зерна фериту і перліту. Структура стає смугастою, (рис. 138) що є характерною рисою всіх гарячекатаних сталей, особливо звичайної якості.

Сульфіди знижують ударну в'язкість (КСЦ) і пластичність (5, ір), а також границю витривалості, особливо у поперечному напрямку відносно витягнутих прокату. Знижуються також робота поширення в'язкої тріщини (КСТ) і в'язкість руйнування (К-іс). Парадоксом являється те, що в низьковуглецевих сталях при вмісті сірки більше 0,01% поріг холодноламкості (Т₅₀) знижується ("сульфідний парадокс"). Сірка погіршує зварюваність і корозійну стійкість.

Присутність фосфору і сірки полегшує обробляємість різанням.

Гази (водень, кисень, азот) завжди присутні в сталях у невеликій кількості, яка залежить від способу виробництва. Вони можуть бути: у газоподібному стані, знаходячись в порах металу; розчиненими у а-твердому розчині; у вигляді так званих неметалевих сполук (нітридів, оксидів).

Водень не утворює хімічних сполук із залізом, але, якщо його в металі достатньо’, то можуть утворюватись дуже небезпечні внутрішні дефекти, які називаються флокенами. Флокени трапляються в деформованих сталях і уявляють собою дуже тонкі тріщини овальної або округлої форми, які мають у зламі вид плям-пластівців сріблястого кольору (рис. 136). Метал з флокенами неможна використовувати, бо їх присутність дуже погіршує стійкість проти руйнування.

Вплив водню після зварювання проявляється в утворенні холодних тріщин в наплавленому і основному металі.

Розчинність водню, азоту, кисню, а також вуглецю в а-залізі (фериті) невелика, але із зниженням температури ця розчинність ще більше зменшується. Тому в умовах прискореного охолодження сталей (після зварювання або гарячої обробки тиском) утворюється перенасичений твердий розчин цих елементів в а-залізі. їх називають домішками проникнення.

Невисоке нагрівання до температури 50-150°С (а інколи просто витримка при кімнатній температурі) і невелика пластична деформація приводять до появи крихкості низьковуглецевої сталі внаслідок процесів старіння (див. главу 5 частини II). Під цим терміном розуміють зміну властивостей сталі без помітних змін мікроструктури. При старінні за рахунок скупчення атомів вуглецю, азоту та інших домішок на дислокаціях (атмосфери Котрела) або виділення надлишкових фаз із фериту (карбідів, нітридів) підвищується міцність, поріг холодноламкості; знижується опір крихкому руйнуванню (рис. 161).

Відомо два вида старіння сталі: І) термічне; 2) деформаційне (механічне).

Термічне старіння протікає в результаті змінювання розчинності вуглецю і азоту в а-залізі в залежності від температури нижче 700°С. В умовах прискореного охолодження від 650-700°С (наприклад, після зварювання) в низьковуглецевій сталі затримується виділення третинного цементиту Цін), і при нормальній температурі фіксується перенасичений а-розчин (ферит). Під час витримки при підвищенні температури до 50-150°С (штучне старіння) відбувається утворення атмосфер Котрела або розпад твердого розчину з виділенням третинного цементиту (є-карбіду) у вигляді дисперсних частинок чи нітридів (РЄ|_бН₂, Ре₄М).

Деформаційне старіння протікає після пластичної деформації, якщо вона здійснювалась нижче температури рекристалізації, і особливо при 20°С. Деформаційне старіння розвивається на протязі 15- 16 діб при 20°С і через декілька хвилин при 200-350°С. При цьому основне зміцнення також пояснюють скупчуванням атомів вуглецю і азоту навколо дислокацій. Під час нагрівання деформованої сталі можливо утворення частинок карбідів і метастабільної нітридної фази Ре^з або стабільного нітриду Ре₄РІ.

В низьковуглецевих сталях можливим є термодеформаційне старіння, тобто одночасне протікання термічного і деформаційного старіння.

Старіння негативно впливає на експлуатаційні і технологічні властивості багатьох сталей. Воно може виникати в будівельних і мостових сталях, які підпадають пластичній деформації під час згину, монтажу, зварювання, і бути причиною руйнування конструкції, особливо при охолодженні до низьких температур. Схильність до старіння знижується, якщо сталь модифікують алюмінієм, титаном або ванадієм.

Азот і кисень утворюють різного складу хімічні сполуки, які називаються неметалевими включеннями (рис. 137в,г). Ці включення крихкі самі по собі і під час деформації не змінюють округлості форми, а витягуються ланцюжками уздовж волокнистої структури прокату. Вони знижують стійкість сталей проти руйнування, бо являються концентраторами напружень. Якщо неметалеве включення потрапляє на поверхню деталі, то воно викришується, утворюється раковина, від якої починається руйнування.

Таким чином, для підвищення якості сталей необхідно зменшувати кількість шкідливих домішок. Для цього існують удосконалені методи виплавляння і розливу металу у вакуумі. Вміст шкідливих домішок в сталях враховується в сертифікатах на ме- і алопродукцію і в держстандартах на марки сталей та їх призначення.

Вимоги до хімічного складу сталей звичайної якості встановлюється ДСТУ 2651-94 (ТОСТ 380-94).

В сталях звичайної якості із збільшенням номера марки сталі підвищується міцність (ов, оод) і знижується пластичність (5, \|/). І Іайбільш розповсюджена сталь СтЗсп має о_в= 380-490 МПа і 8=25- 22%, а сталь Ст5сп - о_в=500-640 МПа і 8=20-17%.

Киплячі сталі (Стікп, Ст2кп, СтЗкп) мають поріг холодноламкості на 30-40°С вищий, ніж сталі спокійні (Стісп, Ст2сп, СтЗсп). Тому для відповідальних зварних конструкцій, працюючих при низьких кліматичних температурах, застосовують переважно спокійні сталі.

В таблиці 13 приводяться дані температур переходу у крихке становище сталей СтЗкп і СтЗсп. Вони показують, що спокійна сталь значно краща, ніж кипляча, а термічна обробка різко знижує

поріг холодноламкості. Слід відмітити, що позначка Т₅₀ означає присутність 50% в'язкої волокнистої складової у зламі ударних зразків сталі і вказує мінімальну температуру її експлуатації.