18)Легированные конструкционные стали

Легированные стали широко применяются в народном хозяйстве. В качестве леги-рующих элементов чаще используют сравнительно недорогие и недефицитные элементы - марганец, кремний и хром, добавочно легируют титаном, ванадием и бором. Для изготовле-ния высоконагруженных деталей стали легируют значительно дорогими и дефицитными элементами, такими как никель, молибден, вольфрам, ниобий и другие.

Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5%, относятся к низколегированным, Содержащие 2,5 - 10% - к легированным, и более 10% - к высоколегированным (содержание железа не более 45%).

Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении - легированные стали, которые можно отнести к перлитному классу. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.) и относятся к ферритному, мартенситному, ау-стенитному и смешанным структурным классам.

Влияние легирующих элементов на свойства стали. Механические свойства легиро-ванных сталей, для изделий с крупным сечением, значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей. Особенно сильно повышается предел текучести, относитель-ное сужение и ударная вязкость, благодаря хорошей прокаливаемости и наличием мелкого зерна. Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаше легирую более дешевыми эле-ментами - марганцем, хромом и бором, реже дорогими - никелем и молибденом, но до из-вестных пределов, так как дальнейшее увеличение легирующих элементов ухудшает обра-ботку резанием и сварку и повышает порог хладноломкости.

Легирование стали небольшим количеством ванадия, титана, ниобия и циркония, об-разует трудно растворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску и задерживает коагуляцию карбидов.

Молибден и вольфрам подавляют обратимую отпускную хрупкость, повышают про-каливаемость, повышают твердость.

Кремний замедляет процесс отпуска мартенсита и является полезным легирующим элементом для сталей, подвергаемых изотермической закалке.

Маркировка легированных конструкционных сталей. легированные конструкционные стали маркируются цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент

Таблица 16

Маркировка легированных конструкционных сталей

буква элемент буква элемент буква элемент

А азот К кобальт Т титан

Б ниобий Н никель Ф ванадий

В вольфрам М молибден Х хром

Г марганец П фосфор Ц цирконий

Д медь Р бор Ч редкоземельный

Е селен С кремний Ю алюминий

Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующе-го элемента в целых процентах; отсутствие цифр указывает, что среднее содержание леги-рующего элемента не превышает 1,0 - 1,5 %.

Высококачественная сталь содержит меньше вредных примесей и обозначается бук-вой "А", помещенной в конце марки.

Особовысококачественная сталь обозначается буквой "Ш" (например 30ХГСА-Ш), располагаемой в конце марки. 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, содержащая 0,4 %С. Индекс "АС" в начале марки указывает, что сталь автоматная легированная свинцом (АС35Г2).

Следует подчеркнуть, что некоторые элементы -V, Ti, Nb, Zr, B, N и др. - нередко присутствую в сотых долях процента, оказывая при этом существенное влияние на свойства стали. Поэтому они рассматриваются, как легирующие элементы ( микролегирование), что отражается в марке стали.

14.3. Строительные низколегированные стали

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22 % С и сравни-тельно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 14Г2, 17ГС, 15ГФ, 15Г2СФ, 10Г2Б, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие.

Низколегированные стали хорошо свариваются. Легирующие элементы, растворяясь в феррите, уменьшают размер зерна, поэтому они имеют более высокие значения временного сопротивления и предела текучести при сохранении хорошей пластичности, меньшей склонности к старению и хрупким разрушениям. Ударная вязкость (KCU) этих сталей, при 200С составляет 0,6 мДж/м2, при - 400С - 0,3-0,35 мДж/м2 и при - 700С - 0,25 - 0,3 мДж/м2.

Таблица 17

Содержание легирующих элементов в строительных низколегированных сталях

M n Si Cr Ni Cu V Ti N

до 1,8 % до 1,2 % до 0,8 % до 0,8 % до 0,5 % до 0,15 % до 0,03 % до 0,15%

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, уменьшая размер зерна и увеличивая склонность аустенита к переохлаждению, способствует измельчению карбидной фазы, по-этому 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) эти сталей, при 200С составляет около 0,6 МДж/м2, при –400С – 0,3-0,35 МДж/м2, и при –700С – 0,25-0,3 МДж/м2.

Ведение меди, никеля или одновременно меди и фосфора увеличивают коррозион-ную стойкость в атмосферных условиях (15ХСНД, 10ХНДП) и понижает порог хладнолом-кости.

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.

Хорошее сочетание механических и технологических свойств достигается при леги-ровании низкоуглеродистой марганцовистой стали 0,07 - 0,15 V и 0,015 - 0,025 N. При взаи-модействии ванадия с азотом образуется карбонитриды ванадия, позволяющий получить сталь с очень мелким зерном (номер 10-12) и низким порогом хладноломкости.

На рис. 65 показано влияние величины зерна низколегированных сталей на предел текучести и порог хладноломкости. Эти стали упрочняются благодаря дисперсному упроч-нению. Освоены стали 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ.

Таблица 18

Механические свойства сталей 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ

 , МПа 2 , МПа ,% KCU МДж/м2

- 400C -700C

500 - 600 400 - 450 20 0,4 0,3

Повышение механических свойств и снижение порога хладноломкости сталей может быть достигнуто контролируемой прокаткой (ВТМО).

Марку стали выбирают исходя из вида сооружения (элемента конструкции), условия эксплуатации и расчетных температур, характера и величины действующих нагрузок и т.д. Стали, применяемые для стальных конструкций, подразделяют на условные классы, исходя из соотношения 2

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

Вспомогательные конструкции зданий и сооружений, а также клепанные конструкции изготавливают из стали классов С 380/230, С 440/290 и С 520/400.

Мосты для автотранспорта изготовляют из сталей классов С 460/330 – С700/400. (15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 16Г2АФ). Гусеничные и шагающие экскаваторы, тяжелона-груженные элементы несущих металлоконструкций изготовляют из сталей классов С 700/600 – С 850/750 (12Г2СМФ, 14ГСМФР). Для резервуаров больших объемов, газгольдеров и других емкостей рекомендованы стали классов С 460/330 – С 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.