Лахтин_Матеориаловедение

Для подавления обратимой отпускной хрупкости сталь легируют молибденом (или вольфрамом), что очень важно для крупных изделий, в которых даже при охлаждении в воде от температур отпуска нельзя устранить эту хрупкость. Кроме того, молибден (вольфрам) повышает прокаливаемость (особенно в сочетании с никелем) и устойчивость стали отпуску. Молибден улучшает механические свойства стали после цементации (нитроцементации) и повышает твердость и прокаливаемость цементованного слоя, так как не склонен к внутреннему окислению при взаимодействии с газовым карбюризатором.

Кремний замедляет процесс отпуска мартенсита и является полезным легирующим элементом для сталей, подвергаемых изотермической закалке. Стали, содержащие кремний, после изотермической закалки обеспечивают высокую вязкость и пониженную чувствительность к надрезу. Это объясняется тем, что в процессе промежуточного превращения возрастает количество высокоуглеродистого остаточного аустенита и повышается вязкость бей-нита вследствие уменьшения в α-фазе содержания углерода.

Маркировка легированных конструкционных сталей.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д

— медь, E — селен, К — кобальт, Η — никель, Μ — молибден, Π — фосфор, Ρ — бор, С — кремний, Τ — титан, Φ — ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ч — редкоземельный,

Ю— алюминий.

Цифры после букв указывают примерное содержание

соответствующего легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает, что среднее содержание легирующего элемента не превышает 1,0—1,5 %. Основная масса легированных конструкционных сталей выплавляется качественными ≤ 0,035 % Ρ и ≤ 0,035 % S).

Высококачественные стали содержат меньше вредных примесей (≤0,025 % S и 0,025 % Р) и обозначаются буквой «А», помещенной в конце марки. Особовысококачественная сталь обозначается буквой «III», располагаемой в конце марки (например, ЗОХГСА-III). Если буква «А» расположена в середине марки (например, 16Г2АФ), то сталь легирована азотом 0,015— 0,025 %, а если в начале марки (например, А40) — сталь автоматная (хорошо обрабатываемая резанием), содержащая 0,4 % С. Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная легированная свинцом (АС35Г2).

Расшифруем некоторые марки стали. Например, сталь

12Х2Н4А содержит (в среднем) 0,12 % С, 2 % Cr, 4 % Ni и

относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква «А». Сталь 18ХГТ содержит 0,18 % С, а отсутствие цифр после букв, обозначающих легирующие элементы, говорит о том,

261

что хрома и марганца содержится около 0,8—1,2 %, а титан, как указано ранее, присутствует в небольшом количестве — 0,03—0,09 %. Следует подчеркнуть, что некоторые элементы — V, Ti, Nb, Zr, В, N и др. — нередко присутствуют в стали в сотых долях процента (бор в тысячных долях процента), оказывая при этом существенное влияние на свойства стали. Потому они рассматриваются, как легирующие элементы (микролегирование), что находит отражение в марке стали. Например, сталь 10Г2Б содержит 0,02—0,05 % Nb, сталь 14Г2АФ содержит 0,015—0,025 N и 0,07—0,12 % V, сталь —20ХГР содержит 0,001—0,005 % В.

3. СТРОИТЕЛЬНЫЕ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22 % С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: до 1,8 % Μn, до 1,2 % Si, до 0,8 % Cr, а также до 0,8 % Ni, до 0,5 % Си, до 0,15 % V, до 0,03 % Ti, до 0,15 % N И других порознь или совместно.

К этим сталям относятся стали 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 14Г2, 17ГС, 15ГФ, 15Г2СФ, 10Г2Б, 15ХСНД, 10ХНДΠ и многие другие. Стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют

встроительстве и машиностроении для сварных конструкций,

восновном без дополнительной термической обработки

(ГОСТ 19281—73, ГОСТ 19282—73).

Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо

свариваются. Это значит, что они не образуют при сварке холодных и горячих трещин1 и свойства сварного соединения и участков, прилегающих к нему (зоны термического влияния), близки к свойствам основного металла.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, уменьшая размер зерна и увеличивая склонность аустенита к переохлаждению, способствуют измельчению карбидной фазы, поэтому низколегированные стали по сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качества (Ст2, Ст3, Ст4) имеют более высокие значения временного сопротивления и предела текучести при сохранении хорошей пластичности, меньшей склонности к старению и хрупким разрушениям (низкий порог хладноломкости).

Ударная вязкость (KCU) этих сталей, при 20 °С составляет около

0,6 МДж/м2, при — 40 °С — 0,3—0,35 МДж/м2 и при — 70 °С — 0,25—0,3 мДж/м2.

Применение низколегированных сталей, имеющих σ0,2 = = 350 МПа, взамен углеродистых, позволяет сэкономить до 15 %

металла, а при σ0,2 = 400 МПа — до 25—30 %.

1 Горячие трещины образуются в шве в процессе кристаллизации, холодные — в результате мартенситного превращения. Свариваемость характеризуют величиной углеродного

эквивалента: Сэкв = С + (Мn/6) + (Сr + Мо + V)/5 + (Ni + Cu)/15. Чем ниже Сэкв, тем лучше свариваемость. Для строительных сталей Сэкв = 0,45÷0,48.

262

Введение меди, никеля или одновременно меди и фосфора увеличивает коррозионную стойкость сталей в атмосферных условиях (стали 10ХНДП, 15ХСНД) и понижает порог хладноломкости.

Низколегированные стали иногда поставляют после нормализации (или нормализации и высокого отпуска). Нормализация несколько повышает временное сопротивление и предел текучести и, измельчая зерно, улучшает пластичность и вязкость, уменьшая склонность к хрупкому разрушению. Некоторые стали (14Г2, 17ГС, 15ХСНД) применяют после закалки и отпуска, что значительно повышает их прочность, понижает порог хладноломкости и склонность к старению.

Применение в строительстве термически обработанных профилей и листов из низколегированной стали, имеющей σ0,2 = 400÷ 500 МПа, позволяет сэкономить до 50 % металла.

Хорошее сочетание механических и технологических свойств достигается при легировании низкоуглеродистой марганцовистой стали 0,07—0,15 V и 0,015—0,025 N. При взаимодействии ванадия с азотом образуется карбонитрид ванадия, позволяющий получить сталь с очень мелким зерном (номер 10—12) и низким порогом хладноломкости. На рис. 159 показано влияние величины зерна низколегированных сталей на предел текучести и порог хладноломкости. Эти стали упрочняются и благодаря дисперсному упрочнению. Освоены стали 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ. Эти стали

после нормализации имеют σΒ = 550÷600 МПа, σ0,2 = 400÷450, δ = 20 % и KCU при — 40 °С — 0,4 МДж/м2, а при — 70 °С —

0,3 МДж/м2. Наиболее часто применяется сталь 16Г2АФ. Повышение механических свойств и снижение порога

хладноломкости сталей может быть достигнуто контролируемой прокаткой. Контролируемую прокатку осуществляют при пониженном

263

нагреве под прокатку с окончанием ее при 800—850 °С; степень обжатия должна быть 15—20 %. Такую обработку можно назвать ВТМО (см. с. 217) для низколегированных сталей. Контролируемой прокатке подвергают стали с карбонитридным упрочнением или бейнитные стали. После контролируемой прокатки сталь 09Г2ФБ имеет следующие механические свойства:

σΒ ≥ 550 МПа, σ0,2 ≥ 450 МПа и KCU при — 60 °С — 0,6 МДж/м2,

а сталь 08Г2МФБ со структурой бейнит (бейнитная сталь) —

σΒ ≥ 600 МПа, σ0,2 ≥ 470 МПа и KCU при —60 °С — 0,65 МДж/м2.

Высокие механические свойства после контролируемой прокатки объясняются дисперсным упрочнением, получением мелкого зерна за счет торможения карбонитридами процессов возврата и рекристаллизации и получения развитой субзеренной структуры. В бей-нитных сталях (08Г2МФБ), кроме того, имеет место деформационное упрочнение (фазовый наклеп).

Марку стали выбирают исходя из вида сооружения (элемента конструкции), условий эксплуатации и расчетных температур, характера и величины действующих нагрузок и т. д. Стали, применяемые для стальных конструкций, подразделяют на условные классы, исходя из отношения σΒ/σ0,2.

К классу С 380/230 относятся стали с нормальной прочностью, к классам С 460/330 и С 520/400 — стали повышенной прочности и к классам С 600/450, С 700/600 и С 850/750 — стали с высокой прочностью.

Различают следующие основные группы сварных конструкций.

1. Сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях и подвергающиеся непосредственному воздействию динамических и вибрационных нагрузок (балки рабочих площадок главных зданий мартеновских и конверторных цехов, элементы конструкции бункерных и разгрузочных эстакад, подкрановые балки и т. д.). ДЛЯ ЭТОЙ группы принимают две расчетные температуры:

t ≥ —40 °С и —40 °С > t ≥ —60 °С; рекомендуются стали классов С 440/290 (09Г2С), С 460/330 (10Г2С1Д, 10Г2С1, 15ХСНД и др.)

и С 520/400 (10ХСНД и термообработанная 10Г2С1). Применение высокопрочных сталей (σ0,2 > 400 МПа), более склонных к хрупкому разрушению, не рекомендуется.

2. Сварные конструкции, находящиеся под непосредственным воздействием динамических и вибрационных нагрузок, кроме перечисленных в группе 1 (пролеты наклонных мостов доменных печей, пролетные строения и опоры транспортных галерей и т. п.). Для этой группы принимают три расчетные температуры. При температуре t = —30 °С помимо сталей обычной и повышенной прочности классов С 380/230 (09Г2С), С 460/330 (10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД), С 520/400 (10ХСНД, 14Г2АФ)

применяют высокопрочные стали класса С 600/450 (16Г2АФ), а также термически упрочненные (15ХСНД, 15Г2СФ). При температуре —30 °С > t > —40 °С и —40 °С > t ≥ —65 °С

применять высокопроч-

264

ные стали не следует. В этом случае применяют стали 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД.

3.Сварные конструкции перекрытий и покрытий (фермы, ригели рам, главные балки перекрытий и т. д.). Для этой группы конструкций приняты следующие расчетные температуры: t ≥

≥—30 °С, при которой наряду со сталями классов С 460/330 (14Г2), С 520/400 (14Г2АФ, 15Г2СФ) и С 600/450 (16Г2АФ и термически упрочненными 15ХСНД и 15Г2СФ) применяют высокопрочные стали класса С 700/600 (12Г2СМФ); —30 °С > t > — 40 °С, при которой применяют те же марки высокопрочных сталей;

—40 °С > t > —65 °С, при которой применять высокопрочные стали классов С 600/450 и C 700/600 не рекомендуется.

4.Сварные конструкции, не подвергающиеся непосредственному воздействию подвижных или вибрационных нагрузок (колонны, стойки, опорные плиты, конструкции, поддерживающие технологическое оборудование и трубопроводы, бункера и т. п.).Для этой группы приняты четыре расчетные температуры: t ≥ —30, —30 °С > t > —40 °С, —40 °С > t > —50 °С и—50 °С > t > —65 °С. При температурах до —40 °С применяют стали классов C 600/450 (16Г2АФ и термически упрочненную сталь 15Г2СФ) и С 700/600 (12Г2СМФ и 14ГСМФР).

При более низких температурах применяют стали классов

С440/290 (09Г2С, 09Г2), С 460/330 (10Г2С1, 15ХСНД) и C 520/400 (10ХСНД).

Вспомогательные конструкции зданий и сооружений, а также клепаные конструкции изготовляют из стали классов С 380/230,

С440/290 и С 520/400.

Мосты для автотранспорта изготовляют из сталей классов

С460/330 —C 700/600 (15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 16Г2АФ).

Гусеничные и шагающие экскаваторы, тяжелогруженые элементы несущих металлоконструкций изготовляют из сталей классов

С700/600 — С 850/750 (12Г2СМФ, 14ГСМФР). Для резервуаров больших объемов, газгольдеров и других емкостей рекомендованы стали классов C 460/330 — C 700/600 (09Г2С, 16Г2АФ, 10Г2С1, 12Г2СМФ и др.).

Для сварных магистральных газопроводных труб сталь должна обладать хорошей свариваемостью, высоким значением прочности и достаточными пластичностью, вязкостью и сопротивлением хрупкому разрушению при температуре монтажа и службы газопровода в нормализованном состоянии.

Для изготовления труб большого диаметра применяют сталь

17ГС (σ0,2 = 360 МПа, σΒ = 520 МПа), поступающую в нормализованном состоянии, а для менее ответственных труб —

сталь 17ГС, поставляемую в горячекатаном состоянии. В последние годы для труб рекомендованы стали 14Г2САФ, 14Г2СФБ,

16Г2САФ с σΒ до 600 МПа и σ0,2 до 450 МПа, После сварки низколегированные стали для снятия

напряжений подвергают высокому отпуску при 630—700 °С

265

4. АРМАТУРНЫЕ СТАЛИ

Для армирования железобетонных конструкций применяют углеродистую или низколегированную сталь (табл. 5) в виде гладких и периодического профиля стержней. Горячекатаные арматурные стали поставляют по ГОСТ 5781—82, а упрочненные термической и термомеханической обработкой

— по ГОСТ 10884—81.

Стали классов A-I, А-II и А-III применяют для ненапряженных конструкций, а стали — классов А-IV—А-VI — для армирования предварительно напряженного железобетона.

5.СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ

Вавтомобильной и многих других отраслях промышленности для изготовления деталей широко применяют холодную штамповку из листовой стали.

Для обеспечения высокой штампуемости отношение σΒ/σ0,2 стали должно быть 0,5—0,65 при ψ не менее 40 %. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность стали к вытяжке. Поэтому для холодной штамповки более широко используют холоднокатаные кипящие стали 08кп, 08Фкп

(0,02—0,04 % V) и 08Ю (0,02—0,07 % А1)1. Сталь 08кп склонна к деформационному старению (см. с. 189). Старение приводит к образованию площадки текучести на диаграмме растяжения стали, следствием чего является образование поверхностных дефектов (полос — линий скольжения или линий Чернова — Людерса).

1 ГОСТ 9045—80 (СТ СЭВ 2213—80).

266

Поэтому сталь микролегируют алюминием или ванадием, связывающим азот, находящийся в твердом растворе и вызывающий деформационное старение в нитридах A1N и VN. Стали 08Ю и 08Фкп нестареющие. Для исключения деформационного старения после отжига холоднокатаный лист нередко подвергают дрессировке, т. е. небольшой пластической деформации (1—2 %).

Штампуемость зависит и от величины зерна феррита. При мелком зерне стали обнаруживается пружинящий эффект и сильно изнашиваются штампы, а при крупном зерне образуется шероховатая поверхность («апельсиновая корка») и разрывы. Рекомендуется сталь с зерном номерами 6—8.

Для штамповки изделий, требующих повышенной прочности, применяют низколегированные «двухфазные стали» со структурой, состоящей из высокопластичной ферритной матрицы и упрочняющей фазы мартенсита или бейнита в количестве 20—30

%1. Такая структура получается в низкоуглеродистых (0,06—0,12

%С) низколегированных сталях (09Г2С, 09Г2, 16ГФР, 10Г2Ф,

12ХМ и др.) после закалки в воде из межкритического интервала температур2 (между Ас1 — Ас3).

После такой закалки сталь обладает высокой пластичностью, низким пределом текучести (менее 450 МПа) и высоким временным сопротивлением более 700 МПа (σ0,2/σΒ = 0,5). Это облегчает выполнение глубокой штамповки без образования трещин. В процессе штамповки за счет деформационного упрочнения (наклепа) и старения σΒ и σ0,2 существенно повышаются.

Холодная пластическая деформация сталей с ферритно-бей- нитной (09Г2С, 09Г2) или ферритно-мартенситной (16ГФР) структурой обеспечивает повышение σΒ на 10—15 МПа на каждый процент степени деформации. Однако отношение σΒ/σ0,2 после 10 %- ной деформации сохраняется на уровне 0,85—0,88 против 0,94— 0,96 для сталей с ферритно-перлитной структурой.

Применение стали с ферритно-мартенситной (бейнитной) структурой позволяет уменьшить толщину листов для штамповки деталей, что дает большую экономию металла.

6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ (МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ) ЦЕМЕНТУЕМЫЕ(НИТРОЦЕМЕНТУЕМЫЕ) ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Цементацию (нитроцементацию) широко применяют для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин.

Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0,15—0,25 % С) стали. Содержание ле-

1При большом содержании мартенсита пластичность падает, а прочность возрастает, что затрудняет штамповку.

2После специального нагрева или после горячей прокатки.

267

гирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины. При этом следует иметь в виду, что кар-бидообразующие элементы (Сг, Мп и др.) уменьшают растворимость углерода в аустените (рис. 160). Это способствует образованию в цементованном слое карбидов, при меньшем содержании углерода, обеднению аустенита легирующими элементами и уменьшению прокаливаемости цементованного слоя, как следствие этого, ухудшению механических свойств, Марганец и хром, которыми нередко легируют цементуемые стали, повышают прокаливаемость сердцевины и в меньшей степени цементованного слоя. Сильно повышает прокаливаемость цементованного слоя молибден.

После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный слой должен иметь твердость 58—62 HRC, а сердцевина 30—42 HRC. Сердцевина цементуемых сталей должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение предела контактной выносливости, предела выносливости при изгибе, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.

Для измельчения зерна цементуемые стали микролегируют V, Ti, Nb, Zr, A1 и N, образующими дисперсные нитриды VN, TiN, A1N, карбонитриды V (N, С), Ti (N, С), Zr (N, С) или карбиды TiC, VC, задерживающими рост зерна аустенита. Для тяжелонагруженных деталей, цементуемых (нитроцементуемых) на толщину более 0,5—0,6 мм, следует применять стали, легированные никелем (до 4 %), повышающим пластичность мартенсита, и молибденом (до 0,8 %), резко повышающим прокаливаемость цементованного слоя. Никель и молибден в отличие от марганца и хрома не склонны к внутреннему окислению, которое снижает прокаливаемость цементованного слоя

иухудшает механические свойства.

Втабл. 6 приведены состав, режимы термической обработки и механические свойства наиболее часто применяемых цементуемых сталей, предназначенных для изготовления изделий, рабогаю-

268

щих на износ в условиях знакопеременных и ударных нагрузок. Режимы термической обработки и свойства сталей в табл. 6 даны в соответствии с ГОСТ 4543—71 и характерны только для образцов (при приемке стали) и не могут быть использованы применительно к изделиям.

Свойства стали (детали) определяет конечная термическая

ихимико-термическая обработка, принятая на том или другом заводе.

Хромистые стали. Хром — сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали. В конструкционных сталях он частично растворен в феррите, частично в цементите или образует специальные карбиды (см. рис. 96). Хромистые стали 15Х, 20Х предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину 1,0—1,5 мм. В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение (рис. 161, а); при закалке

сохлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина изделия имеет бей-нитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву (но меньше, чем углеродистая) и при цементации может иметь повышенное содержание углерода в поверхностном слое. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0,1—0,2 %) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. В связи с малой прокаливаемостью их используют только для изготовления сравнительно небольших изделий.

Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложно-легированные стали, характерные составы и свойства которых приведены в табл. 6.

Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

Хромоникелевые стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита (см. рис. 161, в) в области перлитного

ипромежуточного превращения обеспечивает высокую прокаливаемость цементованного слоя и сердцевины хромоникелевой стали. Это же позволяет закалить крупные детали G охлаждением в масле, а в некоторых случаях и на воздухе.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом (или молибденом) дополнительно повышает устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно, и прокаливаемость. Сталь

269