МК_Справочник_том_1

1 – сталь содержит 0,14% С, 1,34% Mn, 0,47% Si, 0,14% V, 013% N; 2 – 0,19% Ñ, 1,65% Mn, 0,57% Si, 0,11% V, 0,015% N

Стали указанных марок обычно поставляются металлургическими заводами преимущественно в виде листов толщиной 8–50 мм. Кроме того, освоено изготовление из стали марки 16Г2АФ электросварных труб диаметром 165–426 мм и с толщиной стенки 3–9 мм, а также горячекатаных бесшовных труб диаметром до

426мм и толщиной 20–40 ìì.

1.6.3АКАЛЕННО-ОТПУЩЕННЫЕ ЭКОНОМНО-ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ

Для нормализованной высокопрочной стали с феррито-перлитной микроструктурой гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления разрыву не превышают 500 и 650 МПа соответственно. Более высокую прочность при сохранении необходимого уровня свариваемости и хладостойкости удается получить, подвергая сталь закалке и отпуску [7]. При этом возможны разнообразные вариации химического состава. Однако наиболее эффективными и здесь оказываются стали с карбонитридным упрочнением [30]. Сущность карбонитридного упрочнения при этом не изменяется. Особенность состоит лишь в том, что измельчение зерна аустенита нерастворившимися при нагреве для закалки дисперсными карбонитридами способствует измельчению микроструктуры продуктов закалки («пакетов» мартенсита и нижнего бейнита), а растворившиеся карбонитриды обеспечивают упрочнение, обусловленное дисперсионным твердением и торможением процессов возврата и рекристаллизации при отпуске.

Следует указать, что путем одной лишь закалки рядовой низколегированной стали типов 14Г2, 16ГС, 14ХГС и других употребляемых в прокате толщин (до 20 мм включительно) достигается весьма высокое упрочение с пределом текучести s0,2 ³ 750 и временным сопротивлением разрыву sâ ³ 850 МПа при сохранении достаточной пластичности d5 ³ 12 % и y ³ 45 %. Однако под действием тепла свароч- ной дуги такая закаленная сталь разупрочняется на 15–30 %. Разупрочнение, обусловленное высоким отпуском и перекристаллизацией, достигает максимума на участке неполной перекристаллизации вблизи его внешней границы (рис.1.8). От-

51

Рис.1.8. Распределение твердости в околошовной зоне сварных соединений толщиной 20 мм, закаленной душем низколегированной стали марки 14ХГС при сварке с разным тепловложением

Легирование молибденом, ванадием, а также некоторыми другими элементами, способствуя сохранению высокой прочности в состоянии после закалки и отпуска, позволяет существенно уменьшить степень разупрочнения и ширину разупрочненной зоны (рис.1.9). Из числа предложенных в России высокопрочных закаленно-

Расстояние от границы плавления, мм

Рис.1.9. Распределение твердости в околошовной зоне сварных соединений толщиной 20 мм термоулучшенных высокопрочных сталей марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ и 12ХГН2МФБАЮ при автоматической сварке с разным тепловложением

отпущенных сталей для различных сварных строительных конструкций может быть рекомендована сталь марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ, 14Х2ГМР и 12ХГН2МФБАЮ. Химический состав сталей и их гарантируемые механические свойства приведены в табл.1.22 и 1.23.

52

Таблица 1.22. Химический состав высокопрочных закаленно-отпущенных сталей

*Допускается для повышения вязкости введение в сталь марки 12 Г2СМФ 0,05 – 0,10% алюминия и 0,015 – 0,03% азота, при этом сталь обозна- чается 12Г2СМФАЮ.

**В сталь марки 14Х2ГМР вводится 0,002 – 0,006% áîðà.

Таблица 1.23. Механические свойства листовых высокопрочных закаленно-отпущенных сталей

53

54

В настоящее время закаленно-отпущенные высокопрочные стали поставляются только в виде листов толщиной 10–50 мм, причем для стали марок 12Г2СМФ и 12ГН2МФАЮ максимальная толщина ограничена величиной 40 мм по условию прокаливаемости. Сравнительно узкий диапазон толщин обусловлен параметрами действующего в термических отделениях металлургических заводов нагревательного и охлаждающего оборудования. Вместе с тем прокаливаемость наиболее легированной бейнитной стали марки 14Х2ГМР так значительна, что может обеспечить достижение требуемых механических характеристик в прокате толщиной 150–200 ìì.

1.7. ÑТАЛИ ПОСЛЕ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПРОКАТКИ И ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ

1.7.1. Стали после контролируемой прокатки. В п.1.5 рассматривался способ получения высокопрочной стали с сильным измельчением феррито-перлитной микроструктуры в результате микролегирования, создающего дисперсные карбонитриды – карбонитридное упрочнение. В этом способе мелкозернистая структура формируется при термической обработке проката – нормализации.

Однако существует и другая технология получения мелкозернистой ферритоперлитной стали, часто с микролегирующими добавками карбонитридов, но непосредственно после горячей пластической деформации, осуществляемой по специальным термомеханическим режимам, получившая название контролируемой прокатки [25]. Ее спецификой является пластическая деформация при пониженных температурах, при которых рекристаллизация и рост зерен деформированного аустенита существенно замедляются, особенно в присутствии дисперсных выделений карбонитридов. Температура окончания прокатки лежит в пределах 850–700 °С, причем используются две технологические возможности: образование конечной микроструктуры из деформированного аустенита до его рекристаллизации; полу- чение мелкозернистой исходной микроструктуры вследствие рекристаллизации обработки аустенита, предшествующей полиморфному γ → α превращению.

Образование мелких зерен феррита обусловлено в первом случае высокой плотностью дефектов кристаллического строения в решетке аустенита – его наклепом при прокатке, во втором случае – наследованием малой величиной зерна феррита и малой величины зерна аустенита. В обоих случаях образованию мелкозернистой конечной феррито-перлитной микроструктуры способствует возникновение в исходной аустенитной микроструктуре большого количества центров кристаллизации.

Характерной особенностью микроструктуры стали после контролируемой прокатки является значительно более заметная разница в величине соседних ферритных зерен, чем при карбонитридном упрочнении (разнозеренность), а также, часто, наличие внутри зерен еще более однородных областей – субзерен, разделенных дислокационными малоугловыми границами. При этом часто расположение более крупных зерен феррита в микроструктуре повторяет расположение границ бывших аустенитных зерен, особенно после контролируемой прокатки по первому технологическому варианту.

В качестве микролегирующих добавок при контролируемой прокатке могут использоваться карбиды и нитриды ряда элементов, например, ванадия, титана, алюминия. Однако наиболее эффективными являются добавки дефицитного (пока) в нашей стране ниобия. Обычно он вводится в сталь в количестве 0,02–0,06 %.

Другой необходимой предпосылкой контролируемой прокатки является нали- чие особо мощных прокатных станов, способных быстро деформировать металл при пониженных температурах без заметного снижения производительности при достаточной надежности и долговечности оборудования. Значительную роль играет

55

также скорость охлаждения, подавляющего развитие рекристаллизационных процессов, вследствие чего возможность получения эффекта контролируемой прокатки с увеличением толщины уменьшается. В настоящее время контролируемая прокатка осуществляется в основном при получении металлоизделий толщиной до 20 мм: горячекатаной широкой полосы и штрипса (листовых заготовок для электросварных труб магистральных газопроводов).

Хорошие результаты дает контролируемая прокатка широкой рулонной полосы толщиной 2,5–8 мм из углеродистой стали (типа Ст3сп) с микродобавками алюминия, титана и ванадия. Производство такой полосы освоено на непрерывном широкополосном стане 2000 Череповецкого металлургического комбината. Полоса че- тырех уровней прочности с марочными обозначениями: Ч-33, Ч-37, Ч-40 и Ч-44 (Ч – череповецкая) поставляется для нужд строительства и сельскохозяйственного машиностроения с гарантированными пределами текучести (не менее) 325, 365, 390 и 430 Н/мм2 и временным сопротивлением разрыву 450, 480, 510 и 545 Н/мм2 соответственно.

Полоса первых трех уровней прочности используется в качестве материала гнутых и гнутосварных профилей для легких строительных металлоконструкций комплектной поставки вместо более дорогой и дефицитной стали марки 09Г2С. Хими- ческий состав и механические свойства полосы приводятся в табл.1.24 и 1.25. Величина зерна феррита полосы колеблется в пределах, оцениваемых нормами 9–11 шкалы ГОСТ 5639-82* (средний диаметр зерна 7–12 мкм). В исходной полосе сталь характеризуется достаточной хладостойкостью: температура хрупкости Т50 при испытании на динамический изгиб образцов типа 1 по ГОСТ 9454-78* расположена при минус 70 – минус 40 °С. Заметного разупрочнения при сварке стали не обнаруживается.

Таблица 1.24. Химический состав широкополосной стали серии “Ч” для гнутосварных профилей строительных металлоконструкций (по ТУ 14-105-509-87)

Таблица 1.25. Механические свойства1 широкополосной стали серии “Ч” (по ТУ 14-105-509-87)

1 Определяются на продольных образцах. à – толщина проката.

56

Более толстые листы, поставляемые металлургической промышленностью строительству в состоянии после контролируемой прокатки, изготовляются из низколегированной стали. Обычно это отсортировка штрипсов (листовых заготовок) для производства газопроводных труб большого диаметра и высокого давления, предназначенных для районов с низкой климатической температурой. Наряду с высокими показателями прочности σò è σâ сталь марок 09Г2ФБ и 10Г2ФБ характеризуется весьма благоприятными свойствами хладостойкости. Причем помимо ударной вязкости на образцах с полукруглым надрезом при минус 60 °С гарантируется также ударная вязкость на остронадрезанных образцах при минус 15 °С и доля волокна в изломе крупноразмерных образцов ДВТТ при испытании падающим грузом.

Высокие вязкость и пластичность обусловлены не только мелкозернистой микроструктурой, но также пониженным содержанием неметаллических включений и изменением их формы специальной модифицирующей обработкой. Содержание серы в стали не превышает 0,006 – 0,01 %. Требования к химическому составу и механическим свойствам этих сталей приведены в табл.1.26 и 1.27. Сталь поставляется с обязательной гарантией углеродного эквивалента по формуле (1.1) – не более 0,43 % и после дефектоскопического ультразвукового контроля, гарантирующего отсутствие нарушений сплошности с требованиями для 2 – 3 классов по ГОСТ 22727-73.

Таблица 1.26. Химический состав низколегированных сталей, поставляемых в состоянии после контролируемой прокатки (по ТУ 14-1-4083-86)

П р и м е ч а н и е . Сталь обрабатывается продувкой аргоном, ферросплавами, содержащими кальций и редкоземельные элементы (церий и др.) в количестве 2 кг/т; содержание алюминия должно составлять не более 0,05%, титана – не более 0,035%; допускается содержание хрома, никеля и меди не более 0,3% каждого и азота не более 0,010%

Таблица 1.27. Механические свойства низколегированных сталей, поставляемых в состоянии после контролируемой прокатки (по ТУ 14-1-4083-86)

Заметим, что значительным показателям ударной вязкости при отрицательной температуре и низкой температуре хрупкости сталей после контролируемой прокатки часто способствует появление расслоений, наблюдаемых в вязких изломах продольных и поперечных образцов в температурном интервале, несколько выше температур визуального обнаружения хрупкого разрушения сколом. Установлено, что расслоения не связаны с какими-либо нарушениями сплошности в исходном

57

металле, но возникают (путем разрушения сколом) под влиянием больших растягивающих напряжений в направлении толщины в момент достижения максимума усилия непосредственно перед распространением магистральной трещины. Расслоения уменьшают жесткость напряженного состояния в очаге деформирования и смещают появление хрупкого разрушения сколом к более низким температурам. Благодаря высокой хладостойкости указанные стали вполне применимы для ответственных конструкций «северного исполнения».

1.7.2. Стали, термически упрочненные, с использованием специального нагрева.

Установлено, что, подвергая строительную углеродистую и низколегированную сталь закалке, часто с последующим отпуском, можно существенно увеличить ее прочность без ухудшения свариваемости, так как химический состав и эквивалентное содержание углерода при этом не изменяются [7, 31]. Резкое измельче- ние микроструктуры при закалке и соответствующий выбор режима отпуска, устраняющего излишнюю прочность, позволяют получить высокое сопротивление вязкому и хрупкому разрушению.

Простейшая технология этого вида обработки включает в себя нагрев листов в камерных печах с выдвижным подом, их закалку в баке с водой после переноса грузоподъемным краном и отпуск листов в камерной печи того же типа. Недостатками этой технологии, наряду с низкой производительностью, являются невозможность регулировать скорость охлаждения и предотвращать коробление листов, опасность чрезмерного подстуживания из-за длительной транспортировки к закалочному баку, ухудшающего микроструктуру и конечные механические свойства.

Более совершенная технология предусматривает нагрев листов по заданному режиму в секционных проходных печах (обычно имеющих длину свыше 60 м) с транспортирующим подом из роликов.

Сразу на выходе из печи устанавливается охлаждающее устройство, которое бывает двух типов — закалочный пресс и ролико-закалочная машина. В обоих нагретый лист охлаждается сверху и снизу водяными струями. Интенсивность охлаждения регулируется давлением подаваемой воды и продолжительностью ее поступления.

В закалочном прессе, имеющем периодическое действие, охлаждаемый лист зажимается усилием до 10000 кН, которое передается через многочисленные прижимы с размерами в плане 50825 мм. Несмотря на ускоренное перемещение листа от печи к прессу, продолжительность транспортировки и зажатия перед пуском воды не исключает опасности подстуживания, а само зажатие не исключает возможности коробления, которое с трудом поддается устранению при правке. Эти нежелательные явления тем значительнее, чем тоньше лист. Поэтому минимальная толщина проката, обрабатываемого на линиях с закалочными прессами, ограниче- на 12 – 16 ìì.

В отличие от закалочных прессов, в которых листы во время охлаждения неподвижны, в роликозакалочных машинах охлаждаемые водой листы непрерывно перемещаются между двумя рядами роликов. В этом устройстве опасность подстуживания минимальна, так как охлаждение начинается сразу после попадания передней кромки листа в машину. Охлаждение более равномерно по поверхности и отсутствует «пятнистая закалка», которая в прессах обусловлена ограничением прижимами доступа охлаждающей воды к поверхности. В роликозакалочных машинах на отечественных металлургических заводах могут обрабатываться листы с минимальной толщиной 9 – 10 ìì.

Отпуск закаленных листов производится в таких же проходных печах с роликовым подом, что и нагрев для закалки, причем температура отпуска в зависимости

58

от химического состава стали и уровня получаемых свойств выбирается в пределах 600 – 680 °С; суммарная продолжительность пребывания листов в печи обычно не превышает 1,5 – 3 ÷.

Как видно из табл.1.28, в отечественной практике при термическом упрочнении

ñиспользованием специального нагрева для углеродистой и низколегированной сталей реализуются весьма умеренные уровни прочности, что, по-видимому, можно объяснить стремлением к получению достаточно хладостойкого металлопроката

ñмалой склонностью к разупрочнению при сварке. Тем не менее снижением температуры отпуска для тех же сталей могут быть достигнуты значительно более высокие уровни прочности.

Таблица 1.28. Механические свойства листовой строительной стали после закалки и отпуска

*После термоупрочнения углеродистая сталь обозначается марками ВСтТсп, ВСтТпс, ВСтТкп в зависимости от степени раскисления.

П р и м е ч а н и е . По требованию потребителя значение верхнего предела временного сопротивления разрыву не должно превышать 690 МПа для стали марок 14Г2, 10Г2С1(Д) и 780 МПа для стали марок 15Г2СФ(Д).

1.7.3. Сталь, термически упрочненная в потоке стана, с использованием тепла прокатного нагрева. Закалка о использованием тепла прокатного нагрева давно привлекает внимание как экономичный и перспективный способ повышения прочности и хладостойкости проката конструкционных сталей. Считают, что этот способ дешевле в 4 — 5 раз, чем термическая обработка с применением специального (печного) нагрева. Однако при его реализации возникает ряд трудностей, связанных с выбором, и размещением устройств для закалки, отпуском и правкой изделий без снижения скорости закалки и уменьшения производительности станов.

Проблема существенно упрощается при использовании приема «прерванной закалки». Кратковременное, но интенсивное охлаждение водой с высоким коэффициентом теплоотдачи обеспечивает быстрое снижение температуры поверхностных слоев профиля, в которых образуются продукты низкотемпературных превращений аустенита: мартенсит и нижний бейнит. Последующий нагрев закаленных участков теплом центральных слоев приводит к их «самоотпуску», необходимому для улучшения вязкости и пластичности. Достигаемое одновременно ускоренное охлаждение центральных слоев способствует получению в них благоприятной для прочности и хладостойкости мелкозернистой феррито-перлитной микроструктуры. Схематически этот процесс поясняют данные рис.1.11.

59

Рис.1.11. Термокинетическая диаграмма превращения аустенита стали марки Ст3пс с наложенными кривыми прерванного охлаждения

1 – центральных слоев проката; 2 – поверхностных; штриховые линии – кривые непрерывного охлаждения (А – аустенит, Ф – феррит, П – перлит, Б – бейнит, М – мартенсит)

До недавнего времени прерванная закалка широко применялась только для повышения технологических и служебных свойств мелких прокатных профилей простой геометрической формы: стальной катанки и стержневой арматуры. В настоящее время на непрерывном среднесортном прокатном стане 450 Западносибирского металлургического комбината освоено производство с использованием прерванной закалки термоупрочненного фасонного проката угловых равнополочных профилей от ¹ 7,5 до ¹ 12,5 с толщиной полок 6 – 12 мм, а также близких по размерам профилей швеллеров и двутавров [32]. Термическому упрочнению подвергаются профили из углеродистой стали марок Ст3пс и Ст3сп, а также низколегированной стали марок 09Г2С, 14Г2. Предусмотрено получение металлопроката трех уровней прочности с пределом текучести не менее 390, 440 и 490 МПа. Его гарантируемые механические характеристики приведены в табл.1.29.

Таблица 1.29. Механические свойства фасонных профилей, термически упрочненных в потоке стана 450 Западно-Сибирского металлургического комбината (ТУ 14-15-146-85)

1 Прокат с уровнем предела текучести 390 изготовляется из стали марок Ст3пс и Ст3сп; 440 и 490 –из стали марок Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст3Гпс, 14Г2 и 09Г2С.

Термически упрочненный с использованием прерванной закалки прокат имеет некоторые характерные особенности, которые здесь рассматриваются на примере равнополочных уголков из углеродистой стали марки Ст3пс. Одна из особенностей – неравномерность распределения микроструктуры и твердости по толщине. Травление поперечных шлифов выявляет закаленный слой у поверхности толщиной

60