Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые направления в разработке конструкционных материалов

Введение

Стали, применяемые для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должны обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали - сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными. Таким образом, детали машин должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности имеет сталь, поэтому сталь является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам.

Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования являются эффективным способом повышения механических характеристик стали. На механические характеристики стали влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклеп. Упрочнение обычно ведет к уменьшению вязкости и пластичности. Износостойкость, коррозионная стойкость, выносливость, жаропрочность и некоторые другие показатели характеризуют долговечность. Сталь превосходит другие сплавы по прочности, уступая по некоторым, обычно менее существенным, свойствам как плотность, коррозионная стойкость, коэффициент линейного расширения, демпфирующая способность; поэтому в подавляющем числе случаев она является основным конструкционным материалом. При разработке составов конструкционных сталей и режимом их термической обработки нужно рассматривать в первую очередь такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени. Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1 % С и достигает всего лишь 1000 МПа, тогда как порог хладноломкости лежит ниже 0 С лишь при содержании углерода не более 0,4 %. Таким образом, предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с феррито-перлитной структурой составляет 0,4 %. Влияние легирующих элементов двояко: с одной стороны, они углубляют прокаливаемость и тем самым снижают порог хладноломкости, с другой стороны, они, растворяясь в феррите, повышают порог хладноломкости. Поэтому легировать конструкционные стали надо в меру, когда превалирует первый фактор, но когда достигнута сквозная прокаливаемость, тогда первый фактор перестает действовать и такое избыточное легирование становится вредным. И исключение составляет никель, который понижает порог хладноломкости.

Под конструкционной прочностью понимают интегральную характеристику, которая включает показатели надежности и прочности, а также характеристики долговечности. Это следующие факторы:

· статическая и динамическая прочность;

· сопротивление хрупкому разрушению;

· износостойкость;

· сопротивление усталостному разрушению;

· коррозионная стойкость и др.

К конструкционным сталям относятся:

1) строительные и арматурные стали;

2) машиностроительные стали:

- стали для глубокой вытяжки;

- цементуемые и азотируемые стали;

- улучшаемые стали;

- пружинные и рессорные стали;

- шарикоподшипниковые стали.

1. Перспективные направления в создании строительных сталей

Строительные стали - это низкоуглеродистые и/или низколегированные стали, применяющиеся для изготовления металлоконструкций массового назначения: ферм мостов, телебашен, кожухов цистерн и др. Главные требования, предъявляемые к данным сталям:

- сочетание требуемых прочностных и пластических свойств, ударной вязкости, сопротивления разрушению с очень важными технологическими свойствами: свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием, хорошей деформируемостью в холодном и горячем состоянии;

- экономичность.

1.1 Стали с карбонитридным упрочнением

Карбинитридное упрочнение сталей представляет собой способ воздействия на структуру и свойства сталей посредством образования упрочняющих дисперсных карбонитридных фаз при легировании стали ванадием и ниобием (иногда дополнительно алюминием и титаном) в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,030 %).

Главными факторами карбонитридного упрочнения являются: собственно дисперсионное упрочнение, измельчение аустенитного и действительного зерна стали, а при определенной технологии - образование субзеренной структуры.

В таблице 4.1 приведены данные о составе основных высокопрочных сталей с карбонитридным упрочнением.

Наиболее широкое применение из них нашла сталь 16Г2АФ. Нормализация этой стали обеспечивает получение мелкого зерна, вследствие чего она имеет по сравнению с другими строительными сталями (В Ст3сп, 09Г2С и др.) повышенную прочность и наименьшую температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Таблица 4.1 - Химический состав сталей с карбонитридным упрочнением

Марка стали	Содержание основных элементов, %
	C	Si	Mn	N	V
14Г2АФ 16Г2АФ 18Г2АФпс	0,12 …0,18 0,14 …0,20 0,18 …0,22	0,3…0,6 0,3 …0,6 0,4 …0,7	1,2…1,6 1,3 …1,7 1,3 …1,7	0,015…0,05 0,015 …0,03 0,015 …0,03	0,07…0,12 0,08 …0,14 0,08 …0,15

Стали с карбонитридным упрочнением применяют для изготовления наиболее ответственных, сварных металлоконструкций, работающих в обычных климатических условиях, а также в сооружениях северного исполнения, эксплуатируемых в районах с температурой ниже - 40 ^оС. Сталь 16Г2АФ широко применяется при сооружении мощных металлургических агрегатов (доменных печей, конверторов и т.п.), железнодорожных и автомобильных мостов, труб магистральных газопроводов, телемачт, резервуаров нефтехранилищ и других ответственных сооружений.

Стали повышенной прочности 15ГФ и 15Г2СФ также относятся к сталям с карбонитридным упрочнением, поскольку упрочняющими фазами в них являются карбиды ванадия и ниобия, в которых часть атомов углерода замещена, азотом за счет остаточного азота в стали (0,005…0,008 %).

Марганцеванадиевая сталь 15ГФ широко применяется в сварных металлических конструкциях, используемых в строительстве, машиностроении, вагоностроении и других отраслях промышленности.

Конструкции, подвергающиеся повышенной коррозии, выполняются из стали 15ГФД, представляющей собой сталь 15ГФ, дополнительно легированную медью в количестве 0,15- 0,30 %.

Сталь 15Г2ФС слабо чувствительна к старению (при + 20 ^оС ударная вязкость после старения выше 0,3 МДж/м² и хорошо сопротивляется усталостным разрушениям. Сталь15Г2СФ можно рекомендовать для широкого применения в сварных металлических конструкциях.

Введение в сталь повышенного содержания азота (до 0,030 %) совместно с ванадием (0,04-0,08 %), ниобием(0,02-0,08 %) и алюминием(0,05-0,15 %) приводит к образованию комплексных фаз - карбонитридов: V(C, N) и Nb(C, N), а также нитридов A1N. Стали с азотом и карбидообразующими элементами обладают значительно более высокими механическими свойствами.

Решающее влияние на механические свойства стали с нитридами ванадия оказывает температура нормализации. С ее повышением увеличивается влияние на прочность дисперсионного твердения тем в большей степени, чем выше содержание ванадия. Одновременно снижается пластичность и вязкость. Это обусловлено ростом зерна, появлением бейнита и повышением напряжения трения. Сталь типа 16Г2АФ с понижением содержания углерода и легирующих элементов, обладающая высоким запасом пластичности и вязкости, может быть нагрета до 950-980 ^оС. Для стали с химическим составом, близким к верхнему пределу, нагрев должен быть ограничен температурой 920 ^оС. Сталь типа 16Г2АЮ, легированную более стойкими нитридами алюминия, можно нагревать до 980-1050 ^оС.

Охлаждение после нагрева следует проводить на спокойном воздухе. В отдельных случаях (для толстых листов) допускается ускоренное охлаждение обдувкой воздухом (сухим или влажным) от вентилятора.

При отклонении механических свойств от заданных рекомендуется подвергать листы термическому улучшению - закалке в воде с последующим высоким отпуском. Механические свойства стали с нитридами после улучшения аналогичны механическим свойствам обычной низколегированной стали. После плавного снижения прочности при повышении температуры отпуска от 500 до 650 ^оС наблюдается более сильное ее падение после отпуска при повышенных температурах с одновременным существенным улучшением вязкости, уровень которой для стали с нитридами выше, чем для обычной низколегированной стали. Оптимальные температуры отпуска 640-700 ^оС; выдержка из расчета 3 мин на 1 мм толщины листа.

Благоприятный комплекс механических и технологических свойств низколегированных сталей с нитридным упрочнением, умеренная стоимость и поставка в нормализованном состоянии обеспечивают возможность их широкого использования для изготовления наиболее ответственных сварных конструкций в самых различных областях народного хозяйства. Низколегированная сталь с нитридами ванадия может быть с успехом использована для изготовления труб большого диаметра повышенной прочности для магистральных газопроводов.

1.2 Малоперлитные стали

Необходимость обеспечить высокое сопротивление разрушению и хорошую свариваемость стали, предназначенной для изготовления труб магистральных газопроводов и других конструкций, работающих в условиях крайнего севера, потребовало создание малоперлитных сталей. Это низкоуглеродистые стали с содержанием углерода в которых около 0,1 %.

Их легируют Mn (до 2 %), V (0,04-0,08 %), Nb (0,02-0,05 %), N(до 0,015 %), а также могут быть дополнительно введены Si, Тi, Mо.

Для получения высокого предела текучести при малом содержании углерода должны быть реализованы следующие механизмы упрочнения: твердорастворный, зернограничный, субструктурный и за счет образования дисперсных частиц.

Существенное уменьшение размера зерна можно достигнуть путем введения в сталь Al (не менее 0,05 %) и N (не менее 0,015 %), образующих ? 0,03 % нитрида алюминия AlN. Аналогичное влияние оказывает легирование азотом совместно с ниобием и ванадием. Это обеспечивает дополнительное упрочнение стали благодаря дисперсионному твердению за счет выделения высокодисперсных карбонитридов. Это упрочнение может значительно превышать упрочнение, обеспечиваемое измельчением зерна. Эффективное влияние Nb и V на упрочнение практически одинакова. Nb и V находясь в твердом растворе значительно тормозят рекристаллизацию аустенита

Титан вводят для замедления рекристаллизации аустенита; молибден вводят для увеличения энергии межатомного взаимодействия; кремний и марганец обеспечивают дополнительное упрочнение за счет реализации твердорастворного механизма.

В последние годы химический состав малоперлитных сталей совершенствуется в направлении снижения содержания углерода до 0,03 %, увеличения содержания ниобия до 0,06 % и дополнительного введения в небольших количествах таких элементов как Cr (~ 0,027 %), Ni (0,16 %), Cu (0,25 %),Ti (0,011 %), при 0,005 % N. Дополнительное легирование Cr, Ni, Cu повышает прокаливаемость.

Большое внимание уделяется чистоте стали по сере и фосфору. Их количество снижено, соответственно до 0,001 % и 0,013 %.

Введение кальция при выплавке стали позволяет легировать оставшиеся неметаллические включения.

Для малоперлитных высокопрочных строительных сталей применяют улучшение. Широкое применение для упрочнения этих сталей нашла контролируемая прокатка.

В сравнении с большинством строительных сталей малоперлитные имеют относительно невысокий углеродный эквивалент, что обеспечивает им хорошую свариваемость. Углеродный эквивалент сталей Сэ=0,38 %, а коэффициент свариваемости Рс = 0,14 %.

Применение контролируемой прокатки в сочетании с микролегированием позволяет получать в малоперлитных сталях уникальный комплекс механических свойств: у_т= 510 Н/мм², у_в= 593 Н/мм², д= 22 %, ш= 60 %. Эти стали являются наиболее хладостойким конструкционным материалом. Так, на Урале в течение двух морозных зим детали карьерного экскаватора ЭКГ-4.6 из малоперлитной стали показали высокую работоспособность при температуре до - 60 ?С.

Контролируемая прокатка ведется с последующим ускоренным охлаждением в стационарных установках до 615 єС, что позволяет дополнительно использовать дислокационный механизм.

Контролируемая прокатка представляет собой многостадийный процесс термомеханической обработки, разработанный применительно к низколегированным сталям, включающий в себя операции нагрева, обжатия в широком диапазоне температур г- и г+б-областей с последующим охлаждением на воздухе или ускоренно.

Цель контролируемой прокатки - формирование мелкозернистой структуры с развитой субструктурой, обеспечивающей получение высокой прочности, пластичности, ударной вязкости, сопротивления хрупкому разрушению и свариваемости низколегированных малоуглеродистых сталей.

При классических схемах высокотемпературной термомеханической обработки сталь подвергается деформации в аустенитной области, последующей закалке, в результате чего достигается высокий уровень свойств. Контролируемая прокатка, как известно, предусматривает последовательную деформацию металла при непрерывном снижении температуры в областях, создающих разное структурное состояние, и затем регламентированное охлаждение, обеспечивающее заданное сохранение искажений строения, внесенных пластической деформацией.

В общем случае контролируемая прокатка состоит из восьми стадий:

I - аустенитизация при температурах, обеспечивающих получение достаточно однородной структуры металла перед прокаткой, в то же время учитывают необходимость предотвращения чрезмерного укрупнения зерна аустенита при нагреве выше температур растворимости карбонитридных фаз. Кроме того, следует избегать получения неоднородного, в том числе крупного, зерна аустенита при нагреве, так как это приводит к формированию нежелательной разнозернистости структуры стали. В большинстве случаев температура нагрева под прокатку сталей, микролегированных добавками ниобия, ванадия и титана, составляет около 1150-1200 °С;

II - высокотемпературная деформация стабильного аустенита в области быстро протекающих процессов рекристаллизации, когда температура деформации выше температуры рекристаллизации;

III - среднетемпературная деформация, осуществляемая в нижней части г-области в условиях заторможенной рекристаллизации;

IV - деформация аустенита в области стимулированного деформацией полиморфного г>б-превращения;

V - деформация в двухфазной г+б-области. Понижение температуры деформации в г+б-области способствует упрочнению стали, так как при этом возрастает доля упрочненных деформацией зерен феррита.

VI - деформация в трехфазной области, которую целесообразно проводить, если в комплексе механических свойств первостепенное значение придается получению весьма высокой прочности.

VII - деформация ниже точки Ar1 возможна при наличии мощного прокатного оборудования и при невысоких требованиях к пластическим характеристикам проката.

VIII - охлаждение стали после завершения деформации осуществляется на воздухе со скоростью охлаждения 0,5-1°С/с или в установках ламинарного охлаждения проката со скоростью около 15°С/с.



I - VIII - стадии контролируемой прокатки;

Р_н и Р_к - начало и окончание рекристаллизации деформированного аустенита;

К_н - начало выделения избыточных карбонитридных фаз

в деформированном аустените;

Б - бейнит; П-перлит, Ф-феррит

Рисунок 4.1 - Схема технологического процесса и структурных превращений при контролируемой прокатке

При понижении температуры конца прокатки в аустенитной области от 880 до 800 °С слабо изменяются прочностные и пластические свойства и ударная вязкость при +20 °С, но существенно повышается сопротивление хрупкому разрушению, оцениваемое по положению порогов хладноломкости T₈₅ и T₅₀, а также ударной вязкости при отрицательных температурах.

Снижение температуры окончания прокатки (Тк.п) от Ar₃ деф. до 750-730 °С сопровождается некоторым уменьшением относительного удлинения и уровня ударной вязкости при + 20 °С. Однако, несмотря на существенное упрочнение, наблюдается дальнейшее улучшение хладостойкости стали. Так, переходная температура T₅₀ снижается от - 70 °С при Тк.п = 800 °С до - 95 °С при Тк.п = 750-730 °С. Понижение температуры конца прокатки до 680 °С вызывает значительное увеличение прочности при одновременном снижении, пластичности и ударной вязкости.

Снижение температуры окончания прокатки ниже Ar₃ приводит к усилению анизотропии свойств. Контролируемая прокатка в г+б-области позволяет в наибольшей степени реализовать повышенный уровень прочностных свойств и сопротивления хрупкому разрушению малоперлитных сталей .

Таким образом, контролируемая прокатка позволяет в одном технологическом процессе без дополнительных затрат и термической обработки получить благоприятный комплекс механических свойств и надежности.

Наиболее широко контролируемая прокатка используется при изготовлении листовой стали для газопроводных труб большого диаметра, к металлу которых предъявляются весьма высокие требования в отношении прочности, пластичности, ударной вязкости, сопротивления хрупкому разрушению и свариваемости. Большие перспективы имеет контролируемая прокатка при изготовлении различного профильного проката для металлических конструкций.

1.3 Бейнитные стали

Бейнитное превращение происходит ниже изгиба С-кривой в интервале примерно 500-250 °С. Оно называется также промежуточным превращением - промежуточным между перлитным и мартенситным.

В результате бейнитного превращения образуется смесь -фазы (феррита) и карбидов, которая называется бейнитом.

Выбор элементов для легирования низкоуглеродистых бейнитных сталей определяется требуемыми свойствами и их стоимостью. Основными требованиями, предъявляемыми к сталям, являются свариваемость, деформируемость и хорошие ударные свойства. Для хорошей свариваемости стали требуется иметь углеродный эквивалент, равный и менее 0,46. В этом случае легирующие элементы, необходимые для достижения высокой прочности, могут оказаться нужными и для компенсации малого содержания углерода. Важнейшими механическими свойствами стали являются прочность, пластичность и сопротивление хрупкому разрушению. Последнее зависит от таких факторов, как химический состав стали, температура бейнитного превращения и величина зерна исходного аустенита и термическая обработка.

Марганец и хром являются самыми подходящими элементами для легирования, и их широко используют в высокопрочных бейнитных сталях. Легирование должно максимально снизить температуру В_л при минимальном снижении температуры М_н.

Углерод является наименее желательным элементом, так как он ухудшает сопротивление хрупкому разрушению.

Кроме хрома и марганца используется молибден. Его количество составляет 0,5 % Мо. Сочетание хрома, марганца и молибдена позволяет существенно повысить устойчивость переохлажденного аустенита в перлитной области, что обеспечивает получение бейнитной структуры при охлаждении на воздухе. Эти элементы используют в промышленных низкоуглеродистых бейнитных сталях, у которых предел текучести может доходить до 900 МПа, а предел прочности - до 1200 МПа.

Известно, что добавление 0,002 % В может задержать образование полигонального феррита, который зарождается на границах исходного аустенитного зерна, но мало влияет на скорость бейнитной реакции. Во время непрерывного охлаждения бейнит формируется в широком интервале скоростей охлаждения.

При производстве сталей, содержащих бор, последний растворяется в аустените и влияет на его превращение так, что образует сегрегации на границах зерен аустенита, где и зарождается полигональный феррит. Бор, связанный в окислы или нитриды, бесполезен, и, следовательно, стали, содержащие бор, должны быть успокоены алюминием и легированы титаном с тем, чтобы предотвратить образование нитридов бора, снижающих содержание в твердом растворе. Таким образом, бейнитные стали являются всегда успокоенными и мелкозернистыми. Существует оптимальная концентрация бора, свыше которой задержка образования полигонального феррита становится неустойчивой и менее четко выраженной. Это обстоятельство связано с тем, что бор образует соединения Fe₂B или М₂₃(СВ)₆, расположенные по границам аустенитных зерен, где концентрация бора превышает оптимальную и ранее указанные соединения выделяются до осуществления реакции образования полигонального феррита. Это оптимальное содержание бора снижается по мере увеличения зерен аустенита.

Добавка бора в низкоуглеродистые стали с 0,5 % Мо настолько эффективна, что можно получить полностью бейнитную структуру в круглых прутках диаметром от 0,5 до > 50 см после их охлаждения на воздухе. Температура, при которой происходило превращение, была настолько постоянной, что, несмотря на изменения скорости охлаждения от 450 до 6° С/мин (диаметр заготовок 1-60 см, охлаждение на воздухе), предел текучести снизился от 500 до 450 МПа.

Можно отметить, что предел текучести бейнита выше, чем у многих сверхмелкозернистых сталей с ферритоперлитной структурой, у которых он равен 230-300 МПа.

Различные методы улучшения низкоуглеродистых бейнитных сталей заключаются в следующем:

1. Быстрая аустенитизация необходима, чтобы получить высокую прочность и повышенные ударные свойства.

2. Очень низкая температура конца прокатки (<500 °С при прокатке тонких полос) может привести к получению максимальных ударных свойств, но вызывает сравнительно малое повышение прочности. Повышение сопротивления ударному нагружению обусловлено существенным измельчением зерна, что особенно существенно, если температура деформации лишь немного превышает В_н, но при этом требуется высокая степень обжатия.

3. Горячая деформация аустенита, как уже показано, повышает комплекс свойства. Эффект снижается, если температура В_н повышена, поскольку в бейните протекают процессы отпуска.

4. Можно использовать дисперсионное упрочнение после охлаждения стали на воздухе путем легирования ниобием. Однако прирост прочности оказывается небольшим - для высокопрочных сталей он составляет всего ~75 МПа. Добавка в сталь 3 % Сu обеспечивает прирост предела текучести на 150 МПа, что уже вполне ощутимо и может быть реализовано в результате охлаждения на воздухе без дополнительного старения. Однако для осуществления дисперсионного упрочнения, обусловленного присутствием меди, необходимо, чтобы температура бейнитного превращения не была выше той, при которой появляются частицы меди. Бейнитные стали, содержащие медь, разрабатывают уже много лет.

Бейнитные стали можно использовать в закаленном или отпущенном состояниях, хотя в этом случае возрастает их стоимость.

Типичным представителем низкоуглеродистых бейнитных сталей являются стали 08Г2МФБ, 14ХМНДФР, 14Х2ГМР.

1.4 Низкоуглеродистые мартенситные стали

Существуют две возможности получения мартенситной структуры в низкоуглеродистых легированных сплавах на основе железа при низких скоростях охлаждения. Первая связана с тем, что при совместном легировании Сr и Ni, Mo критические точки стали снижаются до температур, при которых протекание «нормального» превращения невозможно. Этот путь реализован в мартенситностареющих сталях.

Вторая возможность связана с увеличением устойчивости переохлажденного аустенита при определенном соотношении углерода и легирующих элементов. При концентрации в стали 0,04 - 0,12 % С в сочетании с ее легированием Сr, Мn, Ni, Мо (суммарное содержание 3- 5 %) обеспечивается высокая устойчивость аустенита в области «нормального» превращения. При этом бейнитное превращение практически исключено, а температура M_н остается на уровне 400 °С. Исследование процессов диффузии с помощью радиоактивных изотопов углерода свидетельствует о том, что причиной высокой устойчивости переохлажденного низкоуглеродистого легированного аустенита является повышение энергии

Для деталей, от которых требуется высокая прокаливаемость, пластичность, ударная вязкость, умеренная прочность, в ПГТУ Л. С. Малиновым и И. К. Коротич разработаны нестареющие низкоуглеродистые мартенситные стали 08Х2Н5МФБ и 08Х2Н5МФТЛ. Они предназначены для замены более дорогих сталей 03Н8ГЗМ3, 03Н10МЮ.

Достоинством стали 08Х2Н5МФБ является то, что уже после нормализации или прокатки при 900 °С (е = 30%) она обеспечивает высокий уровень прочностных и пластических свойств, а также ударной вязкости.

В стали 08Х2Н5МФТЛ хорошее сочетание свойств достигается в отливках сечением 200 мм после двойной нормализации (у_т ⁼ 850-900 МПа; у_в = 1020-1120 МПа, д = 10,8-12,0 %; ш = 55-58 %; KCU^-60 = 0,39-0,45 МДж/м²). Низкоуглеродистые мартенситные стали получили сокращенное название НМС.

Повышение устойчивости переохлажденного аустенита и прокаливаемости при соответствующем легировании сталей с содержанием углерода 0,05-0,1 % обеспечивает получение мартенситной структуры даже в изделиях больших сечений (150=200 мм). Температура М_н находится в пределах 380-420 °С.

Высокая устойчивость переохлажденного аустенита и сравнительно высокая температура М_н обусловливают сравнительно малую величину остаточных напряжений после охлаждения и образования мартенсита. Это вызвано малой скоростью охлаждения на воздухе, минимальным объемным эффектом при мартенситном превращении, возможностью релаксации напряжений (при высокой температуре М_н). Высокая пластичность низкоуглеродистого мартенсита устраняет опасность образования трещин в неотпущенном состоянии. Эти обстоятельства благоприятны также при получении упрочненных сварных соединений.

При закалке в НМС формируется структура пакетного мартенсита. НМС уже в закаленном состоянии имеют уровень прочности у_в= 800 - 1000 МПа, что связано с высокой плотностью дислокаций и малыми поперечными размерами мартенситных кристаллов. В то же время из-за низкого содержания углерода подвижность дислокаций достаточно высока, что обеспечивает высокую пластичность (д =15-20 %, ш = 65-70 %) и ударную вязкость (КСU = 1,0-1,5 МДж/м²). В среднеуглеродистых сталях такой комплекс свойств достигается только после отпуска при 550 - 600 °С.

Исследования показали, что стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита характеризуются высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Такой мартенсит имеет тонкое субмикростроение и состоит из пакетов параллельных пластин с повышенной плотностью дислокаций. В пределах одного аустенитного зерна имеется несколько пакетов. Эта субмикроструктура, существенно отличающаяся от структуры полиэдрического феррита, и определяет повышение сопротивления пластической деформации.

Структура реечного мартенсита, получаемая в результате закалки НМС, сохраняется до температур отпуска 500 - 550 °С. Следует отметить лишь некоторое снижение плотности дислокаций и появление чрезвычайно дисперсных карбидных выделений. В связи с этим после отпуска при 500 - 550 °С характеристики прочности и пластичности НМС практически не изменяются. Процессы полигонизации и рекристаллизации в НМС и связанное с ними снижение характеристик прочности наблюдаются при температурах отпуска 600 °С и выше.

Вместе с тем, отпуск приводит к релаксации локальных пиковых напряжений, при этом наблюдается уменьшение дефекта модуля упругости, уменьшение эффекта релаксации после остановки деформации в упругой области. Это приводит к повышению сопротивления малым пластическим деформациям (у_0,2), а в некоторых случаях и к повышению ударной вязкости.

Температура полухрупкости (Т₅₀) свежезакаленных мартенситных низкоуглеродистых (0,08 - 0,1 % С) Сг -Ni- Мо сталей находится в пределах - -40-80 °С. Трещиностойкость при различных способах нагружения, изученная на примере широко применяемой в промышленности НМС марки 07ХЗГНМ, после закалки и низкого отпуска выше, чем после закалки и высокого отпуска.

Высокая устойчивость аустенита и пластичность низкоуглеродистого мартенсита дают возможность осуществления технологии производства изделий, состоящей в формообразовании, совмещенном с закалкой при охлаждении на воздухе. Исключается необходимость в использовании специальных охлаждающих сред и опасность образования закалочных трещин. Окончательная термообработка состоит в отпуске на заданные характеристики прочности. При этом обеспечивается получение точных заготовок в большинстве случаев без последующей правки. При необходимости возможна правка или другая холодная деформация. Отпуск при 300-450 °С восстанавливает пластичность и вязкость холоднодеформированной стали.

Высокая прокаливаемость, низкое содержание углерода и особенности структуры пакетного мартенсита являются причиной того, что НМС обладают целым рядом технологических преимуществ по сравнению со среднеуглеродистыми конструкционными сталями:

1) формирование мартенситной структуры происходит в процессе последеформационного охлаждения на воздухе, т.е. исключается закалка как отдельная операция, ненужными становятся жидкие закалочные среды, использование которых предполагает их последующую нейтрализацию и утилизацию;

2) в сталях формируется более низкий уровень закалочных напряжений вследствие низкой скорости охлаждения, что вместе с более высокой релаксационной способностью низкоуглеродистого мартенсита, образующегося при высокой М_Н, обеспечивает малые коробление и деформацию в результате закалки, за счет чего отпадает необходимость в проведении правки закаленных изделий и всех дополнительных операций, связанных с ней;

3) важной является возможность создания экологически чистых технологий получения термически упрочненных деталей и заготовок из НМС;

4) увеличение степени обжатия при горячей деформации до 80 % повышает устойчивость аустенита НМС в бейнитной области, в то время как в среднеуглеродистых сталях такое воздействие вызывает обратный эффект. При равной величине зерна и одинаковом уровне прочности НМС имеют значительно большую ударную вязкость, чем улучшаемые стали. При этом, чем крупнее зерно, тем это различие увеличивается, т.е. для НМС характерны менее жесткие температурно-деформационные условия горячей обработки давлением;

5) холодная пластическая деформация НМС может проводиться в закаленном состоянии.

6) НМС обладают хорошей свариваемостью.

Указанные технологические преимущества позволяют применять промышленные НМС для изготовления термоупрочненного проката различного сортамента, сварных несущих конструкций грузоподъемных механизмов, деталей, узлов механизмов и машин, применяемых в нефтедобывающем и специальном машиностроении.

Преимуществом этих сталей является сохранение высокой пластичности и ударной вязкости после нагрева в интервале температур 450-550 °С, характерных для зоны термического влияния в сварных соединениях. Более высокий уровень прочностных свойств, чем в предыдущих сталях, обеспечивается в сталях 14Х3Н2МФДЮ и 14Х3Г2МФДЮ. После закалки и низкого отпуска в них получен следующий уровень свойств у_т = 1000 -1200 МПа, у_в = 1220-1300 МПа, д = 12-18 %, ш = 50-55 %, KCU = 1,0-1,2 МДж/м². После высокого отпуска (630 °С) в этих сталях сохраняется повышенный уровень прочностных свойств (у_т = 750-850 МПа, у_в = 870-950 МПа) и ударной вязкости (КСU⁶⁰ = 0,6-0,8 МДж/м²). Эти свойства выше, чем у известной стали 12ГН2МФАЮ после такой же обработки. Новые стали могут найти применение в качестве высокопрочных строительных материалов. Стали НМС могут подвергаться всем видам химико-термической обработки. При этом длительность цементации и азотирования меньше, чем у соответствующих типовых сталей.

2. Создание новых перспективных арматурных сталей

сталь прокатка арматурный строительный

Арматурная сталь в виде стержней гладких и периодического профиля, применяется для армирования железобетонных конструкций. Последние бывают ненапряженными и предварительно напряженными. Арматурные стержни в предварительно напряженной железобетонной конструкции работают на растяжение и испытывают большие нагрузки.

Стали классов А-, А- (ВСт5сп2, ВСт5пс2, 18Г2С, 10ГТ и др.) и А- (35ГС, 25Г2С, 32Г2С и др.) используют для ненапряженных конструкций, а более высокопрочные стали классов А-V (20ХГ2С и 80С) и выше применяют для армирования предварительно напряженного железобетона. Горячекатаные стали удовлетворяют требованиям классов от А- до А-V (23Х2ГТ). По мере увеличения классов прочности возрастает степень легирования сталей: А-V (22Х2Г2АЮ, 22Х2ГСР, 20Х2Г2СР).

В процессе производства сталей широко применяется термическое упрочнение стержневой арматуры (ВТМО), которое проводят на выходе стержней из прокатной клети. На специальных устройствах осуществляется первоначальное охлаждение, обеспечивающее самоотпуск стали. В результате термоупрочнения получается мелкозернистая структура с дисперсной феррито-карбидной смесью, что обеспечивает требуемую прочность в сочетании с высокими характеристиками пластичности. Высокопрочная арматурная сталь может подвергаться коррозионному растрескиванию под напряжением. Для повышения сопротивления этому явлению применяют индукционный нагрев для получения высокоотпущенного состояния в поверхностных слоях арматурных стержней, а также используют стали с высокой устойчивостью против коррозионного растрескивания в высокопрочном состоянии.

Существует множество способов термической обработки, обеспечивающих получение необходимых свойств арматурной стали. При производстве арматурной стали повышенной и высокой прочности необходимо применять термоупрочнение по режиму прерванной закалки с последующим самоотпуском, при котором по сечению стержней формируется неоднородная микроструктура. Структура поверхностных (краевых) зон представляет собой малоуглеродистый мартенсит с недостаточно развитой сфероидизацией карбидных частиц. В промежуточной (переходной) зоне структура состоит из продуктов бейнитного превращения аустенита с мелкими зернами феррита или дисперсной перлитной составляющей. В центральной зоне стержней структура характеризуется более крупными зернами феррита и перлита различной степени дисперсности.

Одним из методов повышения свойств арматурной стали является способ повышения стойкости против коррозионного растрескивания. Установлено, что на стойкость против растрескивания сталь 28С влияют: длительность первого и второго циклов охлаждения, длительность паузы между циклами, скорость прокатки, диаметр проката. Применение при упрочнении прерывистого охлаждения вместо непрерывного позволяет существенным образом улучшить стойкость высокопрочной стержневой арматуры из сталь 28С против коррозионного растрескивания под напряжением в присутствии агрессивных сред.

Арматура периодического профиля из многослойной стали. Для изготовления арматуры периодического профиля, обладающей повышенной эксплуатационной надежностью, требуются в достаточной степени легированная сталь, а также проведение энергоемкой термической обработки.

Одним из путей решения этой проблемы может стать изготовление арматуры из композиционных (многослойных) сплавов. Технология производства многослойной стали предусматривает отливку тела слитка из стали, имеющей химический состав материала поверхностного слоя, затем частичную кристаллизацию металла и последующую доливку сталью второго химического состава, которая формирует внутренний слой прокатного изделия. Химический состав наружного и внутреннего слоев подобран таким образом, чтобы обеспечить коррозионную стойкость при высокой агрегатной прочности арматурных стержней, например: сталь 20Г+25ХГС; 20Г+20ХГС; сталь 20 + сталь 50 и др. Арматура из композита углеродистых сталей сталь 20 + сталь 50 в горячекатаном состоянии имеет свойства класса А-V по ГОСТ 5781-82, в термомеханически упрочненном состоянии - свойства класса А-V по ГОСТ 10884-81 при электронагреве до 350 С, а также свойства класса А-VC после сварки контактно-стыковым способом. Она отличается высокой хладостойкостью, достаточной для эксплуатации железобетонных изделий в условиях Севера.

Весьма перспективным представляется получение арматуры на основе композитов типа сталь + сталь с армированием упрочняющими волокнами. При этом сочетание термообработки композиционной арматуры с целенаправленно подобранными сталями для матрицы и армирующего элемента дает большие возможности для формирования требуемых свойств.

Установлено, что при объемной доле армирующих вставок до 10 % в композиционных слитках малоуглеродистая сталь + высокоуглеродистая сталь достигается хорошая связь компонентов без предварительной подготовки поверхности, обеспечивающая бездефектную горячую и холодную пластическую деформацию.

Кроме того, армирующие вставки оказывают положительное влияние на макроструктуру материала матрицы композиционного слитка при получении его жидкофазным методом.

Применение композиционной арматуры типа малоуглеродистая сталь + высокоуглеродистая сталь в железобетонных конструкциях обеспечивает создание естественных напряжений сжатия, тем самым, повышая эксплуатационные характеристики при работе конструкций в условиях растяжения. Более того, воздействие подбором химического состава стали и режимом термообработки на скорость релаксации напряжений в составляющих композиционной арматуры, представляется возможным поддерживать во времени заданное напряженное состояние железобетонной конструкции.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы принципы легирования арматурных сталей?

2. Какова классификация арматурных сталей?

3. Каковы принципы термообработки, структура и свойства рассматриваемых сталей?

4. Каковы новые направления в создании арматурных сталей?

5. Какие стали называют строительными? Какие требования предъявляются к ним?

6. Какова технология термической обработки рассматриваемых сталей и каковы получаемые механические свойства?

7. Каковы преимущества низколегированных сталей в сравнении с углеродистыми?

8. Каковы современные направления в создании строительных сталей?

Перечень ссылок

1. Гольдштейн М. И. Специальные стали / М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер. - М. : МИСИС, 1999. - 408 с.

2. Малинов Л. С. Учебное пособие для самостоятельной работы при изучении дисциплины «Сплавы с особыми свойствами» (для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 6.0901) / сост.: Л. С. Малинов, Н. А. Солидор. - Мариуполь : ПГТУ, 2005.- 133 с.

3. Морозов Ю. Д. Влияние термодиффузионных режимов прокатки и ускоренного охлаждения на формирование механических свойств листового проката из стали класса прочности Х80 / Ю. Д. Морозов, А. А. Науменко, И. В. Лясоцкий // Металлург. - № 10. - 2010. - С. 57-62.

4. Спиваков В. И. Исследование кинетики превращения аустенита и формирования бейнитной структуры при деформационно-термическом упрочнении листов из малоперлитной стали Х70(Х65) для труб газопроводов / В. И. Спиваков, Э. А. Орлов, П. Л. Литвиненко, А. В. Ноговицын // Металлургическая и горнорудная промышленность. - № 1. - 2010.- С. 74-76.

5. Чепрасов Д. П. Фазовый состав и тонкая структура зернистого бейнита в низкоуглеродистой низколегированной стали / Д. П. Чепрасов, В. В. Свищенко, Э. В. Козлов, А. А. Иванайский // МиТОМ. - № 5. - 2006. - С. 3-7.

6. Арзамасов Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов, И. И.Сидорин, Г. Ф.Косолапов и др.; под ред. Б. Н. Арзамасова. - М. : Машиностроение, 1986. - 384 с.

7. Лахтин Ю. М. Материаловедение / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. - М. : Машиностроение, 1990.- 526 с.

8. Арзамасов Б. Н. Конструкционные материалы / Б. Н. Арзамасов. - М. : Машиностроение, 1990. - 620 с.

Размещено на Allbest.ru

...