Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Для подавления об атимой тпускной хрупкости сталь

егируют молибденом (или вольфрамом), что очень важно для

рупных изделий в которых даже при охлаждении воде т

емператур отпуска

р о

к , в о

т нельзя устранить эту хрупкость. Кроме того,

моли п о

у л

(н

ц л

вы

б а е

ия а.

к с

Л и

буква

ук е н

пр ы п ц

эл

— л т

со

от

ле

ка нн 5

венные стали содержат меньше вредных

прим

по

об

(н

ма ом 0,015—

0,025

ав

ащая 0,4 %

С. Ин

ле

от

бу А Х

по ы, говорит о том,

261

бден (вольфрам) повышает рокаливаемость ( собенно в

очетании с никелем) и устойчивость стали отпуску. Молибден

лучшает механические свойства ста и после

цементации

итроцементации) и повышает твердость и прокаливаемость

ементованного слоя, так как не ск онен к внутреннему

кислению при взаимодействии с газовым карбюризатором.

Кремний замедляет процесс отпуска мартенсита и является

олезным легирующим элементом для сталей, подвергаемых

зотермической закалке. Стали, содержащие кремний, после

зотермической закалки обеспечивают высокую вязкость и

ониженную чувствительность к надрезу. Это объясняется тем, что

процессе промежуточного превращения возрастает количество

сокоуглеродистого остаточного аустенита и повышается вязкость

ей-нит вследствие ум ньшения в α

-фазе содержан углерод

Маркировка легированных онструкционных талей.

егированные конструкционные стали маркируют цифрами

ми. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки,

азывают средн е содержа ие углерода в сотых долях

оцента, букв с рава от ифры обозначают легирующий

емент: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д

медь, E — се ен, К — кобаль , Η

— никель, Μ —

олибден, Π — фосфор, Ρ — бор, С — кремний, Τ — титан,

— ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ч — редкоземельный,

— алюминий.

Цифры после букв указывают примерное содержание

ответствующего легирующего элемента в целых процентах;

сутствие цифры указывает, что среднее содержание

гирующего элемента не превышает 1,0—1,5 %. Основная масса

гированных конструкционных сталей выплавляется

честве ыми ≤ 0,035 % Ρ и ≤ 0,03 % S).

Высококачест

есей (≤0,025 % S и 0,025 % Р) и обозначаются буквой «А»,

мещенной в конце марки. Особовысококачественная сталь

означается буквой «III», располагаемой в конце марки

апример, ЗОХГСА-III). Если буква «А» расположена в середине

рки (например, 16Г2АФ), то сталь легирована азот

%, а если в начале марки (например, А40) — сталь

томатная

(хорошо обрабатываемая резанием), содерж

декс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная

гированная свинцом (АС35Г2).

Расшифр ем некоторые марки стали. Например, сталь

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

носится к высококачественным, на что указывает в конце марки

ква « ». Сталь 18 ГТ содержит 0,18 % С, а отсутствие цифр

сле букв, обозначающих легирующие элемент

ч н а ,

р ю

Б т 2

ХГР

е.

леродистыми

—

до

мартенситного превращения. Свариваемость характеризуют величиной

угле го

эквивалента: С

экв

= С + (Мn/6) + (Сr + Мо + V)/5 + (Ni + Cu)/15. Чем ниже С

экв

, тем

лучше свариваемость. Для строительных сталей С

экв

= 0,45÷0,48.

262

то хрома и марга ца содержится около 0,8—1,2 %, 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

рассмат иваются, как легиру щие

элементы

(микролегирование), что находит отражение в марке стали

Например, сталь 10Г2 содержи 0,0 —0,05 % Nb, сталь 14Г2АФ

содержит 0,015—0,025 N и 0,07—0,12 % V, сталь —20

одержит 0,001—0,005 % В.

3. СТРОИТЕЛЬНЫЕ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Низколегированными называются стали, содержащи

не более 0,22 % С и сравнительно небольшое количеств

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 0,1

5 %

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 други

Стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют

в строительстве и машиностроении для сварных конструкций

в основном без дополнительной термической обработк

(ГОСТ 19281—73, ГОСТ 19282—73).

Низколегированные низкоуглеродистые стали хорош

свариваются. Это значит, что они не образуют при сварке холодны

и горячих трещ

и свойства сварного соединения и участков

прилегающих к нему (зоны термического влияния), близки

свойствам основного металла.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, уменьшая

размер зерна и увеличивая склонность аустенита

переохлаждению, способствуют измельчению карбидной фазы

поэтому низколегированные стали по сравнен

ию с уг

сталями обыкновенного качества (Ст2, Ст3, Ст4) имеют боле

высокие значения временного сопротивления и предела текучест

при сохранении хорошей пластичности, меньшей склонности

старению и хрупким

разрушениям (низкий порог хладноломкости

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

0,6 МДж/м

, при — 40 °С — 0,3—0,35 МДж/м

и при — 70 °С

0,25—0,3 мДж/м

Применение низколегированных сталей, имеющих σ

0,2

350 МПа, взамен углеродистых, позволяет сэкономить до 15 %

металла, а при σ

= 400 МП

0,2

а — 25—30 %.

Горячие трещины образуются в шве в процессе кристаллизации, холодные — в результате

родно

ув

ус

хл

но

Но

пр

вя м

Не

за ,

по

пр

до

ст

с а

ст ни

хл

ни

хл

упрочн . Эти стали

после нормализации имеют σ

= 550÷600 МПа, σ

0,2

= 400÷450, δ

= 20 % и KCU при — 40 °С — 0,4 МДж/м

, а при — 70 °С —

0,3 МДж/м

. Наиболее часто применяется сталь 16Г2АФ.

Повышение механических свойств и снижение порога

хл

пр

по

263

Введение меди, никеля или одновременно меди и фосфора

еличивает коррозионную стойкость сталей в атмосферных

ловиях (стали 10ХНДП, 15ХСНД) и понижает порог

адноломкости.

Ни азколегированные ст ли иногда поставляют осле

рмализации (или нормализации и высокого отпуска).

рмализация несколько повышает временное сопротивление и

едел текучести и, измельчая зерно, улучшает пластичность и

зкость, уменьшая склонность к хрупко у разрушению.

которые стали (14Г2, 17ГС, 15ХСНД) применяют после

калки и отпуска что значительно повышает их прочность,

нижает порог хладноломкости и

склонность к старению.

Применение в строительстве термически обработанных

офилей и листов из низколегированной стали, имеющей σ

0,2

0÷ 500 МПа, позволяет сэкономить до 50 % металла.

Хорошее сочетание механических и технологических свойств

стигается при легировании низкоуглеродистой марганцовистой

али 0,07—0,15 V и 0,015—0,025 N. При взаимодействии ванадия

зотом образуется карбонитрид ванадия, позволяющий получить

аль с очень мелким зерном (номер 10—12) и зким порогом

адноломкости. На рис. 159 показано влияние величины зерна

зколегированных сталей на предел текучести и порог

адноломкости.

Эти стали упрочняются и благодаря дисперсному

ению. Освоены стали 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ

адноломкости сталей может быть достигнуто контролируемой

окаткой. Контролируемую прокатку осуществляют при

ниженном

нагреве под прокатку с окончанием ее при 800—850 °С; степен

обжатия должна быть 15—20 %. Такую обработку можно назват

ВТМО (см. с. 217) для низколегированных сталей

Контролируемой прокатке подвергают стали с карбонитридным

упрочнением или бейнитные стали. После контролируемо

прокатки сталь 09Г2ФБ имеет следующие механические свойства

≥ 550 МПа, σ

0,2

≥ 450 МПа и KCU при — 60 °С — 0,6 МДж/м

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

≥ 600 МПа, σ

0,2

≥ 470 МПа и KCU при —60 °С — 0,65 МДж/м

Высокие механические свойства после контролируемой прокатки

объясняются дисперсным упрочнением, получением мелкого зерн

за счет торможения карбонитридами процессов возврата

рекристаллизации и получения развитой субзеренной структуры.

бей-нитных сталях (08Г2МФБ), кроме того, имеет мест

деформационное упрочнение (фазовый наклеп).

Марку стали выбирают исходя из вида сооружения (элемен

конструкции), условий эксплуатации и расчетных температу

характера и величины действующих нагрузок и т. д. Стал

применяемые для стальных конструкций, подразделяют

та

р,

и,

на

условные классы, исходя из отношения σ

/σ

0,2

К классу С 380/230 относятся стали с нормальной прочностью,

к и

т.

)

). При

классам С 460/330 и С 520/400 — стали повышенной прочност

и к классам С 600/450, С 700/600 и С 850/750 — стали с высоко

прочностью.

Различают следующие основные группы сварных

онструкций.

1. Сварные конструкции, работающие в особо тяжелы

условиях и подвергающиеся непосредственному воздействию

динамических и вибрационных нагрузок (балки рабочих площадо

главных зданий мартеновских и конверторных цехов, элементы

конструкции бункерных и разгрузочных эстакад, подкрановы

балки и т. д.).

ДЛЯ ЭТОЙ группы принимают две расчетны

температуры:

t ° ; т≥ —40 °С и —40 С > t ≥ —60 °С рекомендую ся стали классо

С 440/290 (09Г2С), С 460/330 (10Г2С1Д, 10Г2С1, 15ХСНД и др.)

и С 520/400 (10ХСНД и термообработанная 10Г2С1). Применение

ысокопрочных сталей (σ

0,2

> 400 МПа), более склонных

хрупкому разрушению, не рекомендуется.

2. Сварные конструкции, находящиеся под непосредственны

воздействием динамических и вибрационных нагрузок, кром

перечисленных в группе 1 (пролеты наклонных мостов доменны

печей, пролетные строения и опоры транспортных галерей и

п.). Для этой группы принимают три расчетные температуры

При температуре t = —30 °С помимо сталей

обычной

повышенной прочности классов С 380/230 (09Г2С), С 460/33

(10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД), С 520/400 (10ХСНД, 14Г2АФ

применяют высокопрочные стали класса С 600/450 (16Г2АФ),

также термически упрочненные (15ХСНД, 15Г2СФ

т 4емпературе —30 °С > t > —40 °С и — 0 °С > t ≥ —65 °

применять высокопроч-

264

о ры ф

к и е

≥

те

вы

ст

—

ст

н вибрационных

нагр

по

тр

че м : 0

°С > —65 °С. При

темп

низких температурах применяют стали классов

С 44 , 0 5Х

В ы ж а

н оконструкций изготовляют из сталей классов

бо

ст

труб сталь должна

обла

га

го

н сокому отпуску при 630—700 °С

265

ые стали не следует. В этом случае применяют стали 09Г2С,

0Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД.

3. Сварные к нструкции перек тий и покрытий (ермы,

игели рам, главные балки перекрытий и т. д.). Для этой группы

онструкций пр няты следующие расчетные темп ратуры: t ≥

—30 °С, при которой наряду со сталями классов С 460/330

4Г2), С 520/400 (14Г2АФ, 15Г2СФ) и С 600/450 (16Г2АФ и

рмически упрочненными 15ХСНД и 15Г2СФ) применяют

сокопрочные стали класса С 700/600 (12Г2СМФ); —30 °С > t

— 40 °С, при которой применяют те же марки высокопрочных

алей;

40 °С > t > —65 °С, при которой

применять высо опрочные

али классов С 600/450 и C 700/600 не рекомендуется.

4. Сварные конструкции, не подвергающиеся

епосредственному воздействию подвижных или

узок (колонны, стойки, опорные плиты, конструкции,

ддерживающие технологическое оборудование и

убопроводы, бункера и т. п.).Для этой группы приняты

тыре расчетные те пературы t ≥ —30, —30 °С > t > —4

, —40 °С > t > —50 °С и—50 °С > t

ературах до —40 °С применяют стали классов

C 600/450

6Г2АФ и термически упрочненную сталь 15Г2СФ) и С 700/600

2Г2СМФ и 14ГСМФР).

При более

0/290 (09Г2С 9Г2), С 460/330 (10Г2С1, 1 СНД) и C 520/400

0ХСНД).

спомогательн е конструкции зданий и соору ений, также

лепаные конструкции изготовляют из стали классов С 380/230,

440/290 и С 520/400.

Мосты для автотранспорта изготовляют из сталей классов

460/330 —C 700/600 (15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 16Г2АФ).

усеничные и шагающие экскаваторы, тяжелогруженые элементы

есущих металл

700/600 — С 850/750 (12Г2СМФ, 14ГСМФР). Для резервуаров

льших объемов, газгольдеров и других емкостей рекомендованы

али классов C 460/330 — C 700/600 (09Г2С, 16Г2

АФ, 10Г2С1,

Г2СМФ и др.).

Для сварных магистральных газопроводных

дать хорошей свариваемостью, высоким значением прочности

достаточными пластичностью, вязкостью и сопротивлением

рупкому разрушению при температуре монтажа и службы

зопровода в нормализованном состоянии.

Для изготовления труб большого диаметра применяют сталь

7ГС (σ

0,2

= 360 МПа, σ

= 520 МПа) поступающую в

ормализованном состоянии, а для менее ответственных труб —

таль 17ГС, поставляемую в горячекатаном состоянии. В последние

ды для труб рекомендованы стали 14Г2САФ, 14Г2СФБ,

6Г2САФ с σ

до 600 МПа и σ

0,2

до 450 МПа,

После сварки низколегированные стали для снятия

апряжений подвергают вы

4. АРМАТУРНЫЕ СТАЛИ

Для армирования железобетонных конструкци

применяют углеродистую или низколегированную стал

(табл. 5) в виде гладких и периодического профиля стерж

ней.

266

Горячекатаные арматурные стали поставляют по ГОСТ 5781—82

а упрочненные термической и термомеханической обработко

— по ГОСТ 10884—81.

Стали классов A-I, А-II и А-III применяют для ненапряженны

онструкций, а стали — классов А-IV—А-VI — дл

армирования предварительно напряженного железобетона.

5. СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ

В автомобильной и многих других отрасля

промышленности для изготовления деталей широко применяю

холодную штамповку из листовой стали.

Для обеспечения высокой штампуемости отношение σ

/σ

стали должно быть 0,5—0,65 при ψ не менее 40 %. Штампуемост

стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повыша

предел текучести, снижает штампуемость, особенно способност

стали к вытяжке. Поэтому для холод ой штамповки более

широко используют холоднокатаные кипящие стали 08кп, 08Фк

(0,02—0,04 % V) и 08Ю (0,02—0,07 % А1)

. Сталь 08кп склонн

к деформационному старению (см. с. 189). Старение приводит

образованию площадки текучести на диаграмме растяжения стали

следствием чего является образование поверхностных дефекто

(полос — линий скольжения или линий Чернова — Людерса).

ГОСТ 9045—80 (СТ СЭВ 2213—80).

Поэтому ст юминием или ванадием,

связывающим азот, находящийся в твердом растворе и

вызывающий ор

Ст с

де

не

де

Штампуемость зависит и от величины зерна феррита. При

уп

уп старения σ

и σ

0,2

существенно

Холодная пластическая деформация сталей с ферритно-бей-

нитной

стру

пр

но —

0,96 для сталей с ферритно-перлитной структурой.

Применен бейнитной)

структурой по тол и

дет

уп

пе

мн

пр

Со

возраста

сле специального нагрева или после горячей прокатки.

267

аль микролегируют ал

деф мационное старение в нитридах A1N и VN.

али 08Ю и 08Фкп не тареющие. Для исключения

формационного старения после отжига холоднокатаный лист

редко подвергают дрессировке, т. е. небольшой пластической

формации (1—2 %).

рочнения (наклепа) и

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

рочняющей фазы мартенсита или бейнита в количестве 20—30

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

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

ХМ и др.) после закалки в воде из межкритического интервала

температур

(между Ас

— Ас

После такой закалки сталь обладает высокой пластичностью,

низким пределом текучести (менее 450 МПа) и высоким

временным сопротивлением более 700 МПа (σ

0,2

/σ

= 0,5). Это

облегчает выполнение глубокой штамповки без образования

трещин. В процессе штамповки за счет деформационного

повышаются

(09Г2С, 09Г2) или ферритно-мартенситной (16ГФР)

ктурой обеспечивает повышение σ

на 10—15 МПа на каждый

оцент степени деформации. Однако отношение σ

/σ

0,2

после 10 %-

й деформации сохраняется на уровне 0,85—0,88 против 0,94

ие стали с ферритно-мартенситной (

зволяет уменьшить щ ну листов для штамповки

алей, что дает большую экономию металла.

6. (МКОНСТРУКЦИОННЫЕ АШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ)

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ (НИТРОЦЕМЕНТУЕМЫЕ) ЛЕГИРОВАННЫЕ

СТАЛИ

Цементацию (нитроцементацию) широко применяют для

рочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки

редач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и

огих других деталей машин.

Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией,

именяют низкоуглеродистые (0,15—0,25 % С) стали.

держание ле-

При большом содержании мартенсита пластичность падает, а прочност

ет, что затрудняет штамповку.

По

Для и ют V,

Ti, Nb, Z ,

A1N, карбонитриды

VC, зад -

рое снижает прокаливаемость цементованного слоя

т механические свойства.

олее часто применяемых цементуемых

ст ий, рабогаю-

268

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.) уменьшаю

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 прокаливаемост

цементованного слоя молибден.

После цементации, закалки низкого отпуска

цементованный слой должен иметь твердость 58—62 HRC,

сердцевина 30—42 HRC. Сердцевина цементуемых сталей должна

обладать высокими механическими свойствами, особенно

повышенным пределом текучести, кроме того, она должна быт

наследственно мелкозернистой.

Увеличение действительного зерна в цементованном слое после

термической обработки вызывает уменьшение предел

контактной выносливости, предела выносливости при изгибе

сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации

обработки.

змельчения зерна цементуемые стали микролегиру

r, A1 и N, образующими дисперсные нитриды VN, TiN

V (N, С), Ti (N, С), Zr (N, С) или карбиды TiC,

ерживающими рост зерна аустенита. Для тяжело

нагруженных деталей, цементуемых (нитроцементуемых) на

толщину более 0,5—0,6 мм, следует применять стали

легированные никелем (до 4 %), повышающим пластичность

м сиартен та, и молибденом (до 0,8 %), резк повышающим

прокаливаемость цементованного слоя. Никель и

молибден в

отличие от марганца и хрома не склонны к вну реннему

окислению, кото

и ухудшае

В табл. 6 приведены состав, режимы термической обработки и

механические свойства наиб

алей, предназначенных для изготовления издел

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

изделиям.

Свойства стали (детали) определяет конечная термическая

химико-термическая обработка, принятая на том или другом

заводе.

Хромистые стали. Хром — сравнительно дешевый элемент и

широко используется для легирования стали. В

онструкционных сталях он частично растворен в феррите,

(

частично в цементите или образует специальные карбиды (см. рис.

96).

ние

ва

дина

р н

вязк

п а следовательно, и

Хромистые стали 15Х, 20Х предназначаются для

зготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на

лубину 1,0—1,5 мм. В хромистых сталях в большей степени

азвивается промежуточное превращение (рис. 161, а); при закалке

охлаждением в масле, выполняемой после цементации,

ердцевина изделия имеет бей-нитное строение. Вследствие этого

ромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более

ысокими прочностными свойствами при несколько меньшей

ластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном

лое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву (но

меньше, чем

глеродистая) и при цементации может иметь повышенное

одержание углерода в поверхностном слое. Прокаливаемость

ромистых сталей невелика.

Хромованадиевые стали. Легирова хромистой стали

надием (0,1—0,2 %) улучшает механические свойства (сталь

0ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к

ерегреву. В связи с малой прокаливаемостью их используют

олько для изготовления сравнительно небольших изделий.

Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного

азначения, испытывающих при эксплуатации значительные

мические нагрузки, применяют хромоникелевые и более

ложно-легированные стали, характерные составы и свойства

оторых приведены в табл. 6.

Одновременное легирование хромом и никелем, который

астворяется в феррите, повышает проч ость, пластичность и

ость сердцевины и цементованного слоя.

Хромоникелевые стали малочувствительны к перегреву при

лительной цементации и не склонны к пересыщению

оверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость

ереохлажденного аустенита (см. рис. 161, в) в области перлитного

промежуточного превращения обеспечивает высокую

рокаливаемость цементованного слоя и сердцевины

ромоникелевой стали. Это же позволяет закалить крупные детали

охлаждением в масле, а в некоторых случаях и на воздухе.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом (или

олибденом) дополнительно повышает устойчивость

ереохлажденного аустенита,

рокаливаемость. Сталь

269