Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

Области применения строительных сталей:

Строительные стали применяют для изготовления металлоконструкций

зданий и сооружений, клепанных конструкций, в строительстве и

машиностроении для сварных конструкций типа балок, разгрузочных

эстакад, опор транспортных галерей, ферм, рам, трубопроводов, стоек и т.д.

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Углеродистые стали обыкновенного качества, горячекатаные,

термоупрочненные.

Марки, структура, применение

Широко применяются углеродистые стали обыкновенного качества.

Они дешевы, технологичны, обладают комплексом свойств, необходимых

для использования металлоконструкций массового производства.

Наибольшее распространение получили такие марки стали, как Ст3, Ст5,

Ст6. Однако углеродистые стали обыкновенного качества не удовлетворяют

требований к сталям по хладостойкости, особенно в районах Сибири и

Крайнего Севера, поскольку имеют низкий уровень прочности (табл. 2).

Таблица 2

Гарантируемые показатели для углеродистых сталей

Марка стали

Предел, МПа

Относительное удлинение

, %

прочности σ

текучести σ

Ст0

310

–

Ст1 320–420 – 34

Ст2 340–440 230 32

Ст3 380–490 250 27

Ст4

420

–

540

270

Ст5

500

–

640

290

Ст6 600 320 15

Стали обыкновенного качества поставляют горячекатаными в виде

проката (прутки, листы, уголки, швейлеры, трубы и т.п.). Для этих сталей

марки, химический состав и степень раскисления при выплавке

регламентирует ГОСТ 380-94.

Уровень механических свойств зависит от толщины проката.

Масштабный фактор учитывает влияние скорости охлаждения горячекатаной

стали. Свойства регламентированы для проката толщиной < 10, 10–20, 20–40,

40–100 и > 100 мм. С увеличением толщины проката снижаются σ

0,2

и δ. Так,

для Ст3сп при ∆ < 10 мм σ

0,2

≥ 255 МПа, δ ≥ 28 %; при ∆ > 100 мм σ

0,2

≥ 205

МПа, δ ≥ 21 %.

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ.

Особенности легирования. Марки. Термическая обработка.

Применение ГОСТ 380-71

Особенности легирования. Марки. Термическая обработка.

В России низколегированная сталь (сталь с никелем) впервые была

использована в 1900г. для изготовления металлических конструкций моста. В

последующем никелевую сталь заменила никель-марганцевая, в которой

было пониженное содержание углерода.

Применение низколегированных сталей позволило снизить вес

металлоконструкций и получить экономию металла и средств.

Чаще всего низколегированные стали используют вместо

малоуглеродистых для повышения надежности конструкций, уменьшения

потерь от коррозии. Реже ими заменяют легированные конструкционные

стали в связи с введением сварки или других новых технологических

приемов.

Влиянию элементов на свойства феррита посвящено много работ, из

которых следует, что все легирующие элементы, изменяя параметр решетки

железа в равновесном состоянии, повышают его прочностные свойства (за

исключением Cr), незначительно изменяют пластические свойства (кроме

элементов, образующих растворы внедрения) и понижают ударную вязкость

(кроме Cr и Ni).

По влиянию на предел текучести σ

легирующие элементы можно

расположить в определенный ряд (табл. 3). Углерод и азот наиболее

значительно упрочняют феррит.

Таблица 3

Влияние легирующих элементов на предел текучести стали

Легирующий

элемент

Повышение σ

на 1

% элемента, кг/мм

Легирующий

элемент

Повышение σ

на 1

% элемента, кг/мм

C, N 570,0 Mn 3,3

69,0

2,3

Si 8,6 Co 1,5

Ti 8,2 Mo 1,1

6,0

0,3

3,9

0,0

К основным видам упрочнения, определяющим механические и

хладостойкие свойства, относятся: упрочнение твердого раствора (через

растворение), измельчение зерна, дисперсионное твердение (зернограничное

и субструктурное упрочнение).

С повышением содержания углерода в стали увеличивается количество

перлитной составляющей в структуре, в связи с чем происходит упрочнение

стали – повышение временного сопротивления.

Растворением максимально возможного количества углерода

достигается повышение σ

на 8 кг/мм

. Однако с увеличением содержания

углерода снижаются пластические и вязкие свойства, ухудшается

сопротивление хрупкому разрушению.

Углерод, снижая общий уровень ударной вязкости при комнатной

температуре и минусовых, практически не оказывает влияния на условный

порог хладноломкости марганцовистой стали. Вероятно, углерод оказывает

двоякое воздействие: с одной стороны, измельчает структуру зерна, с другой

– увеличивает количество перлита (это его отрицательное влияние).

Уменьшение углерода в стали приводит к сдвигу переходной

температуры в сторону более низких температур. На этом принципе основана

новая категория высокопрочных низколегированных материалов –

малоперлитные стали.

Углерод, повышая чувствительность стали к перегреву и к скорости

охлаждения, усиливает закаливаемость стали, чем резко отрицательно влияет

на свариваемость.

С учетом вышесказанного количество углерода не должно быть больше

0,20–0,22 %.

Наиболее широко распространены в нашей стране такие элементы, как

Mn, Si, Cr, Ni, Cu, причем Mn, Si и Cr недефицитны. Марганец и кремний

вводят при выплавке стали для раскисления. При содержании Cu ≥ 0,7 %

происходит дисперсионное твердение. Хром частично образует карбиды. Все

другие элементы при содержании до 0,2%С повышают прочностные

характеристики. Кремний и марганец наиболее сильно упрочняют сталь, при

этом мало изменяются пластические свойств, а ударная вязкость KCU

снижается (только Cr и Ni практически не влияют на KCU).

Все эти элементы по-разному влияют на хладостойкость.

Положительное влияние оказывают никель, медь и хром, а кремний и

марганец – отрицательное. Кремний и марганец при содержании более 1%

ухудшают хладостойкие свойства малоуглеродистой, отожженной стали. Во

многих работах показано, что легирование марганцем до 1,5–2,0 % повышает

сопротивление хрупкому разрушению стали и железа. Легирование большим

количеством марганца сопровождается образованием промежуточных

структур и ухудшает хладостойкость. Вредное влияние кремния на порог

хладноломкости начинает проявляться при содержании его в стали более

0,8 %.

Легирование молибденом и бором в малых количествах почти не

влияет на уровень прочностных и пластических характеристик стали. Однако

комплексное легирование (Mo > 0,3 % и В > 0,0016%) повышает прочностные

свойства и сопровождается образованием бейнитной структуры (табл. 4).

Таблица 4

Влияние молибдена и бора на свойства стали

Производство стали

Механические свойства

, МПа

, %

KCU, МДж/м

Без присадок

295

415

44,0

72,0

1,29

С присадками:

0,58

255

450

40,0

74,0

1,37

0,003 % В

269

405

41,0

73,6

1,32

0,58 % Mo + 0,003 % В

545 645 26,0 71,3 1,28

ψ – относительное сужение.

Растворяясь в феррите, ванадий, ниобий, титан вызывают сильное

упрочнение, одновременно резко падает пластичность и вязкость.

Легирование этими элементами влияет на прочность через дисперсионное

твердение и измельчение структуры за счет образования стабильных

карбидов. Особенно сильно упрочняющее влияние этих элементов

проявляется в стали в горячекатаном состоянии по сравнению с

нормализованным, что, вероятно, можно объяснить высокой температурой

нагрева под прокатку и вследствие этого повышенной растворимостью

карбидов. Ниобий уже в количестве 0,02 % способствует измельчению зерна.

Большее количество ниобия может привести к охрупчиванию стали.

Ванадия необходимо в 2–3 раза больше, чем ниобия для получения одного и

того же эффекта. При относительно невысоком содержании титана (до 0,16

%) и низких температурах понижается ударная вязкость, а при более

высоком содержании – повышается.

Легирование алюминием улучшает вязкость и хладостойкость,

вероятно, за счет образования нитридов, которые препятствуют росту зерна.

Но содержание алюминия более 0,2% отрицательно влияет на

хладноломкость.

Наиболее часто среди строительных низколегированных сталей

применяют марганцовистые или кремнистые стали типа 09Г2, 09С (табл. 5).

Легирование одним элементом нежелательно, т.к. данные стали склонны к

росту ферритного зерна или обезуглероживанию. Комплексное легирование

стали повышает прочностные свойства, позволяя избежать этих недостатков.

Таблица 5

Химический состав строительных сталей, %

Марка стали C Si Mn V

09Г2

≤

0,12

0,17–0,37

1,4–1,8 –

09Г2С

≤

0,12

0,5–0,8 1,3–1,7 –

10Г2С1

≤

0,12

0,8–1,1 1,3–1,6 –

14Г2 0,12–0,18 0,17–0,37

1,2–1,6 –

17ГС

0,14

–

0,20

0,4

–

0,6

1,0

–

1,5

–

15ГФ

0,12

–

0,18

0,17

–

0,37

0,9

–

1,2

0,05

–

0,12

15Г2СФ 0,12–0,18 0,4–0,7 1,3–1,7 0,05–0,10

Применение:

Низколегированные стали используют в самых различных отраслях

народного хозяйства – в промышленном строительстве, трубопроводном,

железнодорожном транспорте, судо- и автостроении и др. С каждым годом

область применения их расширяется и приобретает все больший удельный

вес в общем потреблении конструкционных сталей. В связи с мощным

развитием в России нефтяной и газовой промышленности одним из основных

назначений таких сталей является изготовление электросварных труб

большого диаметра для магистральных нефте- и газопроводов. На эти цели

используют свыше 30 % общего объема производства низколегированных

сталей.

СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ.

Способы упрочнения. Марки. Термическая обработка.

ГОСТ 19281-73, ГОСТ 19282-73. Применение.

Механические свойства сталей повышенной прочности (табл. 6)

зависят от толщины проката.

В сталях этого класса прочности преобладает твердорастворимый

механизм упрочнения. Определенный вклад вносит повышение устойчивости

аустенита при легировании и получение более дисперсных продуктов его

распада. Для проката толщиной 10–40 мм диаметр зерна феррита равен 20–50

мкм. Это обеспечивает низколегированным сталям хладостойкость, несмотря

на высокую прочность.

Таблица 6

Механические свойства низколегированных сталей

Марка

стали

МПа

δ, %

KCU, МДж/м

, при

Т,

+20

–

09Г2 450 310 21 – 0,30 –

09Г2С

480

330

0,6

0,35

0,3

Г2С1

490

340

0,6

0,30

0,25

14Г2 460 330 21 – 0,30 –

17ГС

500

340

–

0,35

–

15ГФ

520

360

–

0,30

–

15Г2СФ

560

400

–

0,35

–

Стали повышенной прочности применяют в нормализованном

состоянии. Нормализация приводит к большей стабильности механических

свойств, улучшению характеристик пластичности, ударной вязкости и

хладостойкости по сравнению с горячекатаным состоянием. При этом

прочностные характеристики практически не изменяются.

Лекция № 5.

План лекции:

Высокопрочные стали.

Арматурные стали.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ.

Стали с карбонитридным упрочнением.

Малоперлитные стали.

Бейнитные стали.

Мартенситные стали.

Использование закалки с прокатного нагрева и контролируемой

прокатки для повышения прочности сталей.

Основные марки сталей, их структура, свойства, применение.

Высокопрочными считают стали с пределом прочности (временное

сопротивление разрыву) σ

> 1 600 МПа; стали, имеющие σ

> 2 000 МПа,

называют сверхвысокопрочными.

Как известно, с увеличением прочностных свойств резко снижаются

пластичность и сопротивление хрупкому разрушению. Для надежности при

эксплуатации необходимо сочетание достаточных прочностных и

пластических характеристик. Особое внимание уделяют σ

(σ

0,2

) и KCU.

Прочность оценивают по диаграмме конструктивной прочности (σ

0,2

KCU).

К сталям предъявляют следующие требования: высокая прочность,

достаточная пластичность, высокое сопротивление нагрузкам, большая

ударная вязкость, усталостная прочность, хорошая свариваемость, чистота по

неметаллическим включениям (выплавка сталей должна осуществляться из

чистых шихтовых материалов вакуумным, электродуговым,

электрошлаковым переплавом и др.).

Высокопрочные стали склонны к замедленному разрушению в воде

(возможно влияние коррозии под напряжением); они имеют высокую

плотность дефектов кристаллического строения, большой уровень

микроискажений, что необходимо учитывать при назначении той или иной

стали для изготовления изделий.

Для повышения прочности используют различные способы:

термическую обработку (закалка на мартенсит, вторичное твердение

при Т = 500–600

С, изотермическая закалка на бейнит);

обработку металлов давлением (контролируемая прокатка, закалка с

прокатного нагрева, НТМО, ВТМО);

получение новых материалов – ПНП-сталей, МСС-сталей.

Для получения повышенных механических свойств изделия

необходимо иметь материал с мелкозернистой структурой, которая

образуется при использовании легирования, термоциклической обработки,

закалки из двухфазовой области (эвтектические, эвтектоидные).

а б в

Рис. 13. Влияние хрома (а), молибдена (б) и ванадия (в) на изменение твердости при

отпуске закаленной стали с 0,3 % С: 1 – без хрома; 2 – 2,0 % Cr; 3 – 4,0 % Cr; 4 – 6,0 % Cr;

5 – 8,0 % Cr; 6 – 10,0 % Cr; 7 – 0,47 % Мо; 8 – 0,96 % Мо; 9 – 2,92 % Мо;

10 – 4,60 % Мо; 11 – 0,09 % V; 12 – 0,49 % V; 13 – 0,90 % V; 14 – 1,99 % V

Легирование сталей в сочетании с выбором технологии термической

обработки способствует повышению прочности (рис. 13). Для легирования

используют тугоплавкие карбидообразующие элементы, которые

способствуют дисперсионному твердению и сохранению высоких

механических свойств до температур порядка 500–600

С. Такие стали и

сплавы можно применять до температур 500–550

С. Однако эти стали

чувствительны к надрезу и неметаллическим включениям.

АРМАТУРНЫЕ СТАЛИ.

Способы армирования.

Классификация по уровню прочности.

Марки применяемых сталей. ГОСТ 10884-81, ГОСТ 5781-82.

При современных методах строительства основным строительным

материалом является сборный железобетон. Это строительный материал, в

котором хорошо сочетаются два различных материала – сталь и бетон.

Возможность совместной работы в железобетоне двух материалов

обусловлена следующим:

1. Бетон прочно сцепляется со стальной арматурой, вследствие чего

при возникновении напряжений в конструкции оба материала работают

совместно.

2. Сталь и бетон имеют почти одинаковый коэффициент

температурного расширения, что обеспечивает монолитность в работе.

3. Бетон защищает сталь от коррозионного действия, предохраняет от

возникновения трещин.

отп

· 10

, МПа

Способы армирования:

В зависимости от способа армирования различают железобетонные

изделия с обычным армированием и с предварительно напряженной

арматурой.

Сущность обычного армирования заключается в усилении стальными

стержнями или сетками мест, в которых под нагрузкой должны возникнуть

растягивающие напряжения, т.к. прочность бетона на растяжение в 10–15 раз

меньше, чем на сжатие. Появление трещин в бетоне отрицательно влияет на

работу конструкции: увеличиваются прогибы, в тещины проникает влага и

газы, отчего создается опасность коррозии стальной арматуры. Избежать

образования трещин можно предварительным сжатием бетона в местах,

подверженных растяжению. Для предварительного сжатия в бетон

закладываются стальные стержни в упруго-растянутом напряженном

состоянии (σ ≈ 0,7–0,9⋅σ

0,2

). После застывания бетона внешние силы,

вызывающие напряжение, устраняют. В таких конструкциях создаются

наиболее благоприятные условия для работы (сталь работает на растяжение,

бетон – на сжатие). Предварительное напряжение арматуры не только

предупреждает появление трещин, но и позволяет сократить расход

арматуры, снизить вес железобетонных конструкций, придать им высокую

жесткость и долговечность.

Наиболее важными требованиями к арматурным сталям являются:

высокий предел упругости и высокая релаксационная стойкость.

Применение более прочной стали в напряженных конструкциях дает

больший экономический эффект. В настоящее время в предварительно

напряженных конструкциях используют сталь с пределом текучести ≥ 600

МПа.

В изделиях с обычным армированием применяют стальную проволоку

диаметром 2,5–8,0 мм, стержни диаметром 6–100 мм. Арматурные стержни

изготавливают гладкими и с периодическим профилем, последние дают

большее сцепление бетона со сталью. Получают периодический профиль при

горячей прокатке или сплющиванием на специальных станах в холодном

состоянии.

Классификация по уровню прочности:

Арматурная сталь делится на классы по прочности. ГОСТ 3781-61

предусматривает использование в строительстве для армирования обычных и

предварительно напряженных конструкций арматурной стали четырех

классов в виде гладкого и периодического профиля (табл. 7).

Таблица 7

Свойства арматурных сталей

Клас

стал

Механические

свойства, не м

нее

Марка стали

Испытание на изгиб

в холо

ном состоянии

, МПа

0,2

МПа

δ, %

в горячекатаном

состоянии

упрочненном

состоянии

Угол изги

ба

α, град

Диаметр

оправки с, мм

А-I 380 24

25 Ст3 – 180 5d

А-

500 30

19 Ст5, 18Г2С – 180 3d

А-

III

600 40

14 35ГС, 25Г2С – 90 3d

А-

900 60

6 20Х2ГЦ, 80С Ст5 45 3d

d – диаметр стержня, мм.

Арматурную сталь классов прочности А-I, A-II, A-III применяют для

ненапряженных конструкций, а более высоких классов – для предварительно

напряженных конструкций. По способу изготовления последняя сталь может

быть четырех групп:

горячекатаная (ГОСТ 5781-82);

горячекатаная, упрочненная вытяжкой (ГОСТ 10884-81);

патентированная, упрочненная вытяжкой (ГОСТ 10884-81);

термически упрочненная (ГОСТ 10884-81).

Свойства, обеспечиваемые малоуглеродистыми и низкоуглеродистыми

сталями в горячекатаном состоянии, соответствуют классам А-I, A-II, A-III.

Свойства, соответствующие классу А-IV, могут быть получены в

горячекатаном состоянии в легированных сталях марок 20Х2ГЦ и 80С или

углеродистой стали Ст5 (после закалки в воде и отпуске при 400

С).

ГОСТ 10884-81 предусматривает использование для армирования

предварительно нагруженных конструкций термически упрочненной стали

классов А-IV, А-V, А-VI, A-VII (табл. 8).

Патентированную холоднокатаную арматуру с прочностью σ

0,2

> 1 300

МПа, σ

> 1 500 МПа изготавливают в виде проволоки диаметром 2,5–5,0 мм.

Исходным материалом служит сталь, содержащая 0,6–0,75 % С. Для

патентирования проволоку нагревают до температуры 850–1 100

С и быстро

охлаждают в свинцовых или соляных ваннах до 400–450

С. Таким образом

получают сорбитную структуру, затем проволоку подвергают холодному

волочению с обжатием 70–80 %. Проволока диаметром 5–8 мм применяется в

виде ниток, а меньших размеров – в виде канатов, прядей.