Влияние легирующих элементов на структуру и свойства закаленной и отпущенной стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства закаленной и отпущенной стали

Под мартенситом - структурой закаленной стали современное металловедение понимает пересыщенный твердый раствор углерода в б-железе. Внедрение атомов углерода в объемно-центрированную решетку приводит к возникновению целого ряда неоднородностей в тонкой структуре сплава: искажению решетки, дроблению зерен на фрагменты, измельчению блоков, увеличению степени их раз-ориентировки. Аустенитно-мартенситное превращение является сдвиговым, поэтому содержание в мартенсите углерода соответствует содержанию в аустените в момент, предшествующий превращению.

На фиг. 38 приводится влияние содержания углерода и легирующих элементов на твердость мартенсита, а также влияние легирующих элементов на твердость мартенсита и бейнита низкоуглеродистой (С=0,15%) конструкционной стали. Как видно, (фиг. 38, а), твердость мартенсита в основном определяется содержанием углерода, а не xapaктepoм легированности стали. Значительно отчётливее и ярче проявляется влияние легирующих элементов при закалке низкоуглеродистой стали на бейнит.

В простой углеродистой, применение их в промышленности вполне оправдано экономически, что видно из следующих примеров, взятых из различных областей техники.

Применение низколегированной стали марки 19ХГС для изготовления лонжеронов рам автомобилей Минского автозавода позволило увеличить пробег машин на 25% и дало заводу годовую экономию свыше 400 тыс. руб. При этом, если ранее при использовании стали марки 25 кп гарантийный срок их службы в 75 тыс км не выдерживался, составляя практически 10-30 тыс.км то при переходе на сталь марки 19ХГС, той же толщины, но с пределом текучести >40 кГ/мм, пробег машины был повышен до 200 тыс. км.

Снижение веса грузового автомобиля на на 100 кг позволяет сэкономить 500-850 руб. в год (в зависимости от типа машины) благодаря сокращению эксплуатационных расходов (расхода топлива и пр.).

Н.П. Шапов, изучавший свойства низколегированных сталей, подчеркивает, что переход на «…сталь повышенной прочности и долговечности дал бы железнодорожному транспорту экономию не только в результате уменьшения первоначального расхода металла и увеличения сроков его службы, но и снижения эксплуатационных расходов за счет уменьшения тары вагонов». Насколько эта статья расхода велика, видно хотя бы из опыта работы Уралвагонзавода. Применив в производстве четырехосного вагона из общего количества 7800 кг конструкционной стали 6100 кг низколегированной стали марки 09Г2, заводу удалось не только снизить вес вагона на 1 т, но и повысить его грузоподъемность с 60 до 63 т. Согласно данным Научно-исследовательского бюро вагоностроения, годовая экономия в результате снижения эксплуатационных расходов составляет 1268 руб. на вагон.

По данным, приводимым в США, применение Ni-Си стали позволяет снизить вес цельносварного пассажирского вагона на 15 т, а товарного на 6 т. Применение при строительстве шоссейного моста в штате Калифорния (США) с длиной пролета в 1016 ж высокопрочной стали Т-1 (для наиболее нагруженных элементов) и низколегированной стали U.S.S. Tri-Теп позволило снизить расход металла на 2128 т.

Из приведенных примеров видна вся актуальность и важность задачи значительного расширения производства низколегированной стали повышенной прочности.

Выбор состава стали повышенной прочности

Останавливаясь на этом вопросе, следует отдельно рассмотреть соображения об определении оптимального содержания углерода и о выборе основных легирующих элементов, связывая оба эти вопроса с требованиями, предъявляемыми условиями эксплуатации к низколегированным маркам стали.

Существует два направления в вопросе о выборе оптимального содержания углерода в стали: потребители низколегированной стали, как правило, настаивают на максимально возможном снижении содержания углерода, металлурги - поставщики стали - придерживаются противоположных взглядов. Причина этих расхождений состоит в том, что потребитель такого рода стали прежде всего заботится о хорошей, если не сказать отличной, свариваемости стали, возрастающей со снижением содержания углерода, о ее технологичности (штампуемости, легкости раскроя на ножницах) и хладнопрочности. Металлурги же, учитывая все эти требования, не могут отрешиться еще и от забот об экономичности стали, о необходимости применения для низкоуглеродистых марок стали, при содержании марганца свыше 1,0%, электропечного дефицитного силикомарганца или металлического марганца.

Каждая из этих точек зрения обычно хорошо и убедительно обосновывается заинтересованными сторонами, но правильное решение следует искать не в их столкновении, а в трезвом учете кокгретчнх условий назначения стали. Там, где вопросы свариваемости и старения определяют безопасность, прочность и долговечность работы конструкции, следует идти по пути применения низколегированной стали с пониженным содержанием углерода. И наоборот, там, где несколько более высокое содержание углерода может вызвать только небольшие технологические осложнения, необходимо идти по пути повышения содержания углерода, при одновременном снижении содержания легирующих элементов и, прежде всего, марганца. Взаимосвязанность содержания углерода и легирующих элементов в низколегированных сталях определяется их совместным влиянием на порог хладноломкости и требованием получения хорошей свариваемости стали в зоне сварного шва. Трещины в зоне сварного шва чаще всего возникают из-за образования здесь участков мартенсита или других метастабильных структур. Чем больше будет содержание углерода и легирующих элементов в стали, тем скорее быстрое охлаждение металла от температуры расплава формируемого шва до температуры основной массы металла будет приводить к меотной закалке (или подкалке) материала, с развитием здесь высоких напряжений и трещин.

Отсюда два способа борьбы со склонностью стали к образованию трещин в зоне сварного шва:

1) снижение скорости охлаждения околошовной зоны, и зоны сварного шва, например, предварительным подогревом всей детали или свариваемого участка, применением повышенных режимов сварки;

2) снижение критической зерна. Таким образом, второй способ ограничивает суммарную легированность стали и содержание в ней углерода. Хотя первый способ борьбы с образованием горячих и холодных трещин в некоторых случаях и дает превосходные результаты, как например, при сварке моста через реку Саву в Загребе (Югославия), тем не менее значение втoрoгo способа как основного на данном уровне не может быть преуменьшено.

Основным показателем хорошей свариваемости низколегированной стали является прежде всего достаточно низкое содержание углерода. Этому требованию отвечает большинство марок низколегированной стали ГОСТ 5058-57, приводимых в табл. 17 и 18. Этому же требованию отвечают почти все марки низколегированной стали, применяемые в США, Англии, «ФРГ, Чехословакии, Румынии, Польше, Австрии, Франции, Бельгии, Италии и Японии табл. 19).

Учитывая взаимозависимость и взаимосвязанность содержания углерода и легирующих элементов в их влиянии на свариваемость стали, Плуммер предложил определять свариваемость стали по эквивалентному содержанию углерода. Этот показатель, отвечающий для хорошо сваривающейся стали значению 0,43, может быть допущен в отдельных случаях до 0,5 и даже 0,55. Обязательным условием для этого является выбор соответствующих режимов сварки (увеличение погонной энергии, применение повышенных режимов), а при сварке больших толщин и предварительного подогрева.

Вместе с тем, низколегированные стали, предназначаемые для арматуры или для клепаных конструкций, могут иметь значительно более высокое содержание углерода и значение углеродного эквивалента. Все же большинство марок строительной стали характеризуется низким содержанием углерода и чем более высокие требования предъявляются к этой стали, чем более она легирована (особенно Мп и Р), тем ниже должно быть его содержание в стали.

К числу особо высокопрочных марок сталей относятся такие американские мостостроительные марки, как Сог-Теп, Ні-Steel и Mayari R, японские марки термообрабатываемой корпусной стали - фирмы «SteeI Works», немецкая марка высокопрочной строительной стали HSB-55 (Hochbaustahle), английские марки высокопрочной свариваемой стали Fortiweld и др.

Только полноценная термическая обработка позволит в полной мере использовать возможности, свойственные легированной стали.

Выбор легирующих элементов и пределов их содержанияв стали определяет не только уровень механических свойств стали и температурный ресурс вязкости, но и устойчивость противкоррозии. Учитывая, что низколегированные стали повышенной прочности должны быть одновременно и экономнолегированными, к наиболее приемлемым легирующим элементам следует отнести прежде всего: марганец, кремний, хром, титан и фосфор. Нежелательно применение таких элементов, как никель, медь и ванадий, и весьма ограничено молибдена или вольфрама. Из перечисленныхпервых пяти элементов кремний, как элемент, ухудшающий свари-ваемость стали и повышающий порог ее хладноломкости (в состо-янии после прокатки или нормализации) может быть допущен в ка-честве легирующего далеко не во всех марках стали.

Фосфор является элементом, отчетливо повышающим стойкость стали против коррозии, что и обусловило широкое его применение во многих марках строительной стали США и в том числе, в составе марок Сог-^Теп, Hi-Steel и Mayari R-последней, выплавляющейся на базе фосфористых руд. Для снижения отрицательного влияния фосфора на ударную вязкость стали и порог ее хладноломкости легированные фосфором стали выплавляются со специально пониженным содержанием углерода: <0,12% и даже до 0,09%. В отечественной промышленности низколегированные стали с повышенным содержанием фосфора не получили, однако, распространения из-за опасности загрязнения шихты, хотя в ГОСТ 5058-57 и имеется сталь марки ЮХНДП, близкая по своему составу к марке Сог-Теп.

Целесообразность применения титана, вводимого во многие марки стали, в основном определяется способностью его связывать азот, измельчать зерно аустенита, уменьшать склонность его к росту при нагревании и отсюда - снижать склонность стали к образованию трещин в процессе сварки, и к деформационному старению. В литературе нередко можно встретить утверждения о том, что малые добавки титана повышают также значения прочностных свойств стали. Однако, это обнаруживается только при высокой температуре конца прокатки (фиксирующей титан в б-фазе) и не выявляется в нормализованной стали: Обычно содержание титана в стали повышенной прочности не превосходит 0,05%, поэтому он не может рассматриваться как основной легирующий элемент в низколегированных марках стали.

Таким образом, в качестве основных легирующих элементов остаются два: марганец и хром. Марганец - дешевле хрома, и его влияние на механические свойства низкоуглеродистой стали более стабильно и управляемо, чем влияние хрома. Это и предопределило широкое и повсеместное, во всех странах мира, применение его в качестве легирующего элемента.

Применение меди в стали в отношении ее коррозионной стойкости была установлена еще в конце прошлого века В.Н. Липиным, обратившим внимание на хорошую службу уральского медьсодержащего кровельного железа. Утверждения В.Н. Липина о положительном влиянии примеси меди на коррозионную стойкость железа были в дальнейшем подтверждены исследователями многих стран. Так, например, исследованием коррозионной стойкости марганецмедистых и углеродистых сталей, длившимся 12 лет в условиях атмосферы индустриальных городов, было установлено, что первые корродируют в 2 раза медленнее, чем углеродистые.

Небезынтересны результаты, полученные А.С. Гладыревской, изучавшей коррозионную стойкость некоторых низколегированных марок строительной стали в атмосферных условиях, близких к тем, в которых проходит эксплуатация вагонов - на атмосферной станции и в паровозном депо. Испытанию подвергались образцы стали марок Ст. 3, М, 15ГС, МК и НЛ2. С образцов, имевших шлифованную поверхность, периодически удалялись продукты коррозии и по потере веса, пересчитанной на единицу площади, определялась коррозионная стойкость. В табл. 23 приводятся некоторые фактические данные. Как видно из приведенных данных, хотя марганцовая сталь и показала относительно большую коррозионную стойкость по сравнению с углеродистой сталью марки Ст. 3, однако, наиболее коррозионно-стойкой в атмосферных условиях из исследованных сталей оказалась все же низколегированная Сг-Ni-Си сталь марки НЛ2.

Исследованиями последних лет установлено, что оптимальное содержание меди в стали, подверженной атмосферной коррозии должно быть относительно невелико (0,20-0,35%). Если специальное введение даже столь малых добавок меди в строительные стали и настоящее время, учитывая масштаб их потребления, не может быть допущено, то организация выплавки такого рода сталей на базе использования соответствующих руд является важной задачей народнохозяйственного значения. Приведенные выше данные позволяют установить следующие пределы содержания углерода и легирующих элементов в сталях повышенной прочности:

Стали в целях повышения их механических и технологических свойств и, в том числе, коррозионной стойкости будут дополнительно микролегироваться редкоземельными металлами.

Таким образом, легирование играет огромную роль в упрочнении сталей и придает им наличие определенных желанных свойств, необходимых для повышения срока службы и качества изготавливаемых изделий.

Литература

мартенсит закаленный сталь прочность

1. А.П. Гуляев Металловедение М. Металлургия 1986 -544 с.

2. Гольдштейн Низколегированные стали в машиностроении. М. 1963

Размещено на Allbest.ru