|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы матической температуре (расчетная температура ниже -40 °С северное исполнение ). В последнем случае к стали предъявляются требования по ударной вязкости не менее 30 Дж/см при минус 70 °С. КСи, МДж/м2 а) 1,4 0,4 0,3 0,2
б) 340 320 300 280 260 240 220
о 10 20 30 40 50 60 О 10 20 30 Скорость охлаждения при 600°С, °С/с 40 50 60 Рис.1.7. Влияние скорости охлаждения при сварке на ударную вязкость (а) и максимальную твердость (б) в околошовной зоне сталей 14Г2АФ и 16Г2АФ 1 - сталь содержит 0,14% С, 1,34% Мп, 0,47% Si, 0,14% V, 013% N; 2 - 0,19% С, 1,65% Мп, 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 электросварпых труб диаметром 165-426 мм и с толщиной стенки 3-9 мм, а также горячекатаных бесшовных труб диаметром до 426 мм и толщиной 20-40 мм. 1.6. Закаленно-отпущенные экономно-легированные стали высокой прочности Для нормализованной высокопрочной стали с феррито-перлигпой 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 карбопитридпым упрочнением [30]. Сущность карбопигридпого упрочнения при этом не изменяется. Особенность состоит лишь в том, что измельчение зерна аустепита перастворившимися при нагреве для закалки дисперсными карбопитридами способствует измельчению микроструктуры продуктов закалки ( пакетов мартенсита и нижнего бейпига), а растворившиеся карбопитриды 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 Оо,2 750 и временным сопротивлением разрыву Og > 850 МПа при сохранении достаточной пластичности 65 > 12 % и \/>45 %. Однако под действием тепла сварочной дуги такая закаленная сталь разупрочпяется па 15-30 %. Разупрочнение, обусловленное высоким отпуском и перекристаллизацией, достигает максимума па участке неполной перекристаллизации вблизи его внешней границы (рис. 1.8). От- носительная величина разупрочнения и ширина охватываемого им участка тем больше, чем значительнее тепловложение сварки и чем выше упрочнилась сталь при закалке. HV 14ХГС Закаленная  0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 121416 0 2 4 6 8 10 121416 0 2 4 6 8 10 1214 1618 20 Расстояние, мм Рис.1.8. Раснределение твердости в околошовной зоне сварных соединений тол-ш;иной 20 мм, закаленной душем низколегированной стали марки 14ХГС нри 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 разупрочнен-ной ЗОНЫ (рис. 1.9). Из числа предложенных в России высокопрочных закаленно- 12Г2СМФ 12ГН2МФАЮ 12ХГН2МФАЮ 340 - 320 280 240 280
 16 12 8 4 о о 4 8 12 16 1612 8 4 О О 4 8 12 16 16 12 Расстояние от границы плавления, мм 4 О О 4 8 1216 Рис.1.9. Раснределение твердости в околошовной зоне сварных соединений толщиной 20 мм термоулучшенных высокопрочных сталей марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ и 12ХГН2МФБАЮ нри автоматической сварке с разным тепловложением отпущенных сталей для различных сварных строительных конструкций может бьггь рекомендована сталь марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ, 14Х2ГМР и 12ХГН2МФБАЮ. Химический состав сталей и их гарантируемые механические свойства приведены в табл. 1.22 и 1.23. 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 обозначается 12Г2СМФАЮ. ** В сталь марки 14Х2ГМР вводится 0,002 - 0,006% бора. Таблица 1.23. Механические свойства листовых высокопрочных закалеппо-отпущеппых сталей
Сталь марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ и 12ХГН2МФБАЮ принадлежат к группе сталей с карбонигридным упрочнением, сталь марки 14Х2ГМФ относится к бейнигным сталям (при охлаждении на воздухе после аустенигизации в прокате значительной толщины образуется микроструктура бейнит). Тепловое воздействие сварки несколько уменьшает исходную твердость в околошовной зоне стали марки 12Г2СМФ, однако разупрочненный участок узок (2-10 мм) и не вызывает снижения временного сопротивления разрыву образцов сварных соединений с поперечными сварными швами при растяжении. Разупрочнение при сварке других рекомендуемых сталей мало и его практически не следует принимать во внимание. Два варианта проката высокопрочной закаленно-отпущенной стали предусматривает ГОСТ 27772-88*. Эти стали имеют наименование С590 и С590К. При этом сталь С590 поставляется в виде листов ТОЛЩИНОЙ 10-36 мм и ПО химическому составу аналогична стали марки 12Г2СМФ ПО табл. 1.22; сталь С590К поставляется в листах ТОЛЩИНОЙ 10-40 мм и ее химический состав соответствует составу стали марки 12ГН2МФАЮ по той же таблице. Нормы механических свойств для листов сталей С590 и С590К те же, что и в табл. 1.23 для соответствующих сталей. Сталь марки 12Г2СМФ рекомендуется для конструкций, эксплуатируемых в обычных условиях при расчетной температуре не ниже минус 40 °С. Сталь марок 12ГН2МФАЮ и 12ХГН2МФБАЮ благодаря повышенной хладостойкости может быть использована для наиболее ответственных металлоконструкций, в том числе эксплуатируемых при динамическом нагружений и расчетной температуре минус 40 °С ( северное исполнение ). Свои преимущества в хладостойкости эти стали сохраняют и в ОКОЛОШОВНОЙ зоне сварных соединений (рис. 1.10). Оптимальные свойства в ОКОЛОШОВНОЙ зоне достигаются при сварке на тепловых режимах, которым соответствует мгновенная скорость охлаждения при 600 °С в пределах 7-30 град/с. Заметное снижение ударной вязкости и повышение температуры хрупкости наблюдается при уменьшении скорости охлаждения ниже 5 град/с. Все перечисленные стали имеют значительный запас пластичности, что позволяет применять при изготовлении конструкций все виды механической обработки, а также холодную обработку давлением: гибку, вальцовку, штамповку и т.д.
> о 370 350 330 310 290 270 Мгновенная скорость охлаждения нри 600°С, С/с Рис.1.10. Зависимость ударной вязкости нри плюс 20 и минус 60°, а также темнературы хрупкости Т50 и максимальной твердости металла околошовной зоны сварных соединений стали 12Г2СМФ (светлые точки) и 12ГН2МФАЮ (темные точки) от скорости охлаждения нри автоматической сварке 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 бейпигпой стали марки 14Х2ГМР так значительна, что может обеспечить достижение требуемых механических характеристик в прокате толщиной 150-200 мм. 1.7. Стали после контролируемой нрокатки и термического упрочнения 1.7.1. Стали после контролируемой прокатки. В п. 1.5 рассматривался способ получения высокопрочной стали с сильным измельчением ферриго-перлитпой микроструктуры в результате микролегировапия, создающего дисперсные карбопигриды - карбопитридпое упрочнение. В этом способе мелкозернистая структура формируется при термической обработке проката - нормализации. Однако существует и другая технология получения мелкозернистой феррито-перлитпой стали, часто с микролегирующими добавками карбопитридов, по пепосредствеппо после горячей пластической деформации, осуществляемой по специальным термомехапическим режимам, получившая название контролируемой прокатки [25]. Ее спецификой является пластическая деформация при пониженных температурах, при которых рекристаллизация и рост зерен деформированного аустепита существеппо замедляются, особенно в присутствии дисперсных вьщелепий карбопитридов. Температура окончания прокатки лежит в пределах 850-700 °С, причем используются две технологические возможности: образование конечной микроструктуры из деформированного аустепита до его рекристаллизации; получение мелкозернистой исходной микроструктуры вследствие рекристаллизации обработки аустепита, предшествующей полиморфному у-> а превращению. Образование мелких зерен феррита обусловлено в первом случае высокой плотностью дефектов кристаллического строения в решетке аустепита - его наклепом при прокатке, во втором случае - наследованием малой величиной зерна феррита и малой величины зерна аустепита. В обоих случаях образованию мелкозернистой конечной феррито-перлигпой микроструктуры способствует возникновение в исходной аустепитпой микроструктуре большого количества центров кристаллизации. Характерной особенностью микроструктуры стали после контролируемой прокатки является значительно более заметная разница в величине соседних феррит-пых зерен, чем при карбопигридпом упрочнении (разпозереппость), а также, часто, наличие внутри зерен еще более однородных областей - субзереп, разделенных дислокационными малоугловыми границами. При этом часто расположение более крупных зерен феррита в микроструктуре повторяет расположение границ бывших аустепигпых 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 пашей стране ниобия. Обычно он вводится в сталь в количестве 0,02-0,06 %. Другой необходимой предпосылкой контролируемой прокатки является наличие особо мощных прокатных станов, способных быстро деформировать металл при пониженных температурах без заметного снижения производительности при достаточной надежности и долговечности оборудования. Значительную роль играет 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 СтЗсп) с микродобавками алюминия, титана и ванадия. Производство такой полосы освоено на непрерывном широкополосном стане 2000 Череповецкого металлургического комбината. Полоса четырех уровней прочности с марочными обозначениями: Ч-ЗЗ, 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/мм и временным сопротивлением разрыву 450, 480, 510 и 545 Н/мм 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. Химический 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 свойства широкополосной стали серии Ч' (по ТУ 14-105-509-87)
1 Онределяются на продольных образцах. а - толщина проката. Более толстые листы, поставляемые металлургической промыпшеппостью 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 и Og сталь марок 09Г2ФБ и 10Г2ФБ характеризуется весьма благоприятными свойствами хладостойкости. Причем помимо ударной вязкости па образцах с полукруглым надрезом при минус 60 °С гарантируется также ударная вязкость па остропадрезаппых образцах при минус 15 °С и доля волокна в изломе крупноразмерных образцов ДВТТ при испыгапий падающим грузом. Высокие вязкость и пластичность обусловлены не только мелкозернистой микроструктурой, по 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)
Примечание. 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 пе более 0,3% каждого и азота пе 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 пе связаны с какими-либо нарушениями сплошности в исходном 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 измельчение 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 вьщвижным 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, ограничена 12- 16 мм. 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 мм. Отпуск закаленных листов производится в таких же проходных печах с роликовым ПОДОМ, что и нагрев для закалки, причем температура отпуска в зависимости от химического состава стали и уровня получаемых свойств выбирается в пределах 600 - 680 °С; суммарная продолжительность пребывания листов в печи обычно пе превышает 1,5-3 ч. Как видно из табл. 1.28, в отечественной практике при термическом упрочнении с использованием специального нагрева для углеродистой и низколегированной сталей реализуются весьма умеренные уровни прочности, что, по-видимому, можно объяснить стремлением к получению достаточно хладостойкого металлопроката с малой склонностью к разупрочнению при сварке. Тем пе 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 термоупрочпепия углеродистая сталь обозначается марками ВСтТсп, ВСтТпс, ВСтТкп в зависимости от степени раскисления. Примечание. По требованию потребителя значение верхнего предела временного сопротивления разрыву пе 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 существеппо упрощается при использовании приема прерванной закалки . Кратковременное, по интенсивное охлаждение водой с высоким коэффициентом теплоотдачи обеспечивает быстрое снижение температуры поверхностных слоев профиля, в которых образуются продукты низкотемпературных превращений аустепита: мартенсит и нижний бейпиг. 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-перлигпой микроструктуры. Схематически этот процесс поясняют данные рис. 1.11.  0,2 0,30,4 0,5 1 2 3 4 5 10 20 304050 100 200 300 400 500 1000 t, с Рис. 1.11. Термо кинетическая диаграмма нревращения аустенита стали марки СтЗнс с наложенными кривыми нрерванного охлаждения 1 - центральных слоев проката; 2 - новерхностных; штриховые линии - кривые ненрерывного охлаждения (А - аустенит, Ф - феррит, П - нерлит, 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 № 7,5 до № 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 СтЗпс и СтЗсп, 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 СтЗнс и СтЗсн; 440 и 490 -из стали марок СтЗнс, СтЗсн, СтЗГсн, СтЗГнс, 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 СтЗпс. Одна из особенностей -неравномерность распределения микроструктуры и твердости по толщине. Травление поперечных шлифов выявляет закаленный слой у поверхности толщиной 1 2 3 4 5 6 7 8 ... 57 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |