Классификация легированных ст алей.

Легированные стали классифицируют по структуре в равно­весном состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе, по количеству легирующих элементов и по назначению.

По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные с избыточным ферритом в структуре, эвтектоидные с перлитной структурой, заэвтектоидные с избыточными карбидами и ледебуритные стали, в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Последнее обстоятель­ство объясняется тем, что легирующие элементы сдвигают влево точки S, Е диаграммы железо - углерод. Поэтому граница между перечисленными сталями проходит при меньшем содержании уг­лерода по сравнению со значениями, указанными на диаграммеFe - Fe₃C.

Учитывая, что некоторые элементы резко сужают или расши­ряют область -железа, кроме этих групп сталей различают аустенитные и ферритные стали,

Углеродистые стали бывают первых трех классов.

По структуре после охлаждения на воздухе различают: пер­литные стали, характеризующиеся низким содержанием леги­рующих элементов и соответственно невысокой устойчивостью пе­реохлажденного аустенита; мартенситные стали со средним со­держанием легирующих элементов и, соответственно, высокой устойчивостью аустенита, и аустенитные стали, содержащие большое количество легирующих элементов и сохраняющие ау­стенитную структуру при комнатной температуре.

По количеству легирующих элементов различают низколеги­рованные стали, содержащие до 2,5 % легирующих элементов, средне легированные - от 2,5 до 10 % и высоколегированные ста­ли, содержащие более 10 % легирующих элементов.

По назначению различают три группы сталей: конструкци­онные (машиностроительные и строительные), инструменталь­ные (штамповые, для режущего и мерительного инструмента) и стали, с особыми физическими и химическими свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, электротехнические, магнит­ные и др.).

12.4. Общие принципы обозначения конструкционных легированных сталей.

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Ц – цирконий, Р – бор, Б – ниобий. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки – то, что сталь высококачественная. Легированные стали выплавляются как качественные (не более 0,035 % S и 0,035 % Р), высококачественные (не более 0,025 % S и не более 0,025 % Р) и особо высококачественные с обозначением буквы Ш или АШ в конце марки (не более 0,025 % S и не более 0,015 % Р)

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2 %, никель 1 –4 %, марганец до 2 %, кремний 0,6 – 1,2 %. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с хромом и никелем с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: Мо 0,2 – 0,4; W 0,5 – 1,2; V 0,1 – 0,3; Ti 0,1 – 0,2.,В 0,002-0,005. Для некоторых групп сталей принимают дополнительные обозначения. Марки автоматных сталей начинаются с буквы А, котельных – с буквы К, подшипниковых – с буквы Ш, электротехнических – с буквы Э, магнито-твердых – с буквы Е. При маркировке электротехнических сталей (1211, 1313,2211 и т.д.) первая цифра обозначает класс по структурному состоянию и виду прокатки, вторая – содержание кремния, третья – потери на гистерезис, четвертая – группу по основной нормируемой характеристике. Вместе три первые цифры означают тип стали, а четвертая – порядковый номер этого типа стали. Марки стали для строительных конструкций обозначают С235, С245, С255, С345, С590К и т.д., где буква С означает, что сталь строительная, цифры – предел текучести, а буква К, ОК – вариант качества стали: качественная, обыкновенного качества. Если в конце обозначения стоит буква Д, это значит, что сталь дополнительно легирована медью в количестве 0,15 – 0,30 %.

В конце обозначения марок особо высококачественных сталей могут стоять буквы, показывающие способы ее дополнительного переплава. Буквы ВД означают, что с целью улучшения качества сталь была подвергнута вакуумно-дуговому переплаву, буква Ш – электрошлаковому, ПД – плазменно-дуговому, ВИ – вакуумно-индукционной выплавке.

Нестандартные легированные стали, выпускаемые заводом «Электросталь», обозначают сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная). Легированную сталь, выпускаемую Златоустовским металлургическим заводом, маркируют буквами ЗИ, заводом «Днепроспецсталь» – ДИ. Во всех случаях после сочетания букв идет порядковый номер стали. После освоения марки металлургическими и машиностроительными заводами условные обозначения заменяют общепринятой маркировкой, отражающей химический состав стали. Литейные стали маркируют по той же системе, как и деформируемые, но в конце марки ставится буква Л. Примеры: 30ХГСА –высококачественная легированная конструкционная сталь, содержащая 0,32–0,39% углерода, 1,0 – 1,4 % хрома, 0,8 – 1,1% марганца, 1,1-1,4% кремния. С345Д -- строительная сталь с пределом текучести 345МПа, содержащая дополнительно 0,15 – 0,30% меди.

ЭИ 417 -- легированная сталь, выпускаемая заводом «Электросталь».

Принципы маркировки сталей по Евронормам и по стандартам зарубежных стран приведены в приложении 1.

Конструкционные стали.

Общая характеристика

Конструкционные стали должны обладать вы­соким комплексом  механических свойств, а не одной какой-либо ха­рактеристики; обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации.

Материалы, идущие на изготовление конструктивных элемен­тов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладая запасом вязкости. При знакопеременных на­грузках конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении - сопротивлением изно­су. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии. Учи­тывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся кон­центраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и рас­пространению трещин.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности конструкционные материалы должны иметь высокие технологи­ческие свойства - хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую сваривае –мость.

Конструкционные материалы массового производства должны быть дешевы и не должны содержать дефи­цитных легирующих элементов.

Из всех материалов, применяемых в настоящее время и про­гнозируемых в будущем, только сталь позволяет получать сочета­ние высоких значений различных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимо­сти. Поэтому сталь является основным и наиболее распространен­ным конструкционным материалом. Легирование позволяет по­высить уровень механических свойств.

Основными преимуществами легированных конструкционных сталей перед углеродистыми являются более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, мень­ший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость, более высокая прокаливаемость и возможность приме­нения более мягких охладителей после закалки, устойчивость про­тив отпуска за счет торможения диффузионных процессов. Отпуск при более высокой температуре дополнительно снижает закалоч­ные напряжения. Легированные стали обладают более высоким уровнем механических свойств после термической обработки. По­этому детали из легированных сталей, как правило, должны под­вергаться термической обработке.

Различают следующие виды конструкционных сталей: 1) уг­леродистые, в том числе автоматные стали; 2) строительные; 3) машиностроительные (цементуемые и улучшаемые); 5) высокопрочные; 6) рессорно-пружинные; 7) подшипниковые; 8) износостойкие, 9) инструментальные, 10) судостроительные стали.

12.5.2 Низколегированные строительные ст али

Стали для металлических строительных конструкций- мостов, газо и нефтепроводов, вагоно­строения, сельскохозяйственного машиностроении, корпусов судов в судостроении и т.д. составляют ~ ¼ всего производства металла. Строительная сталь – это низкоуглеродистая сталь с содержанием углерода: 0,1-0,25 %. По сравнению с углеро­дистыми сталями более высокая прочность строительных низко­легированных сталей достигается упрочнением феррита за счет легирования сравнительно малыми количествами кремния и мар­ганца, а также хрома, никеля, меди и некоторых других элемен­тов.

Свариваемость. Детали строительных конструкций обычно соединяют свар­кой. Поэтому основным требованием к строительным сталям яв­ляется хорошая свариваемость. Это означает, что сталь при сварке не должна давать горячих и холодных трещин и свойства сварного соединения (металла шва и зоны термического влияния) не должны существенно отличаться от свойств основно­го металла. Она проверяется испытаниями пос­ле сварки специальных образцов. С точки зрения металлургии дуговая, контактная, точечная электросвар­ки заключаются в расплавлении и быстрой кристаллизации стали - по­чти закалке из расплава. Неодинаковое тепловое расширение зоны сварки создает высокие сварочные напряжения в шве и около него - и во время кристаллизации, и после охлаждения.   

Склонность стали к образованию горячих и холодных трещин зависит от содержания углерода. Горячие трещины образуются в сварном шве в период кристаллизации. Образованию горячих тре­щин способствует расширение интервала кристаллизации металла шва. Интервал кристаллизации растет с увеличением содержания углерода. Риск растет пропор­ционально сумме серы и фосфора. При охлаждении протекает процесс распада аустенита, сопровождающийся объемными изменениями.

Металл шва и околошовной зоны нагревается значительно выше критических точек. Быстро остывающий шов (а также нагревавшаяся вплоть до точки плавления околошовная зона) могут «подкаливаться»: после охлаждения в структуре появится хрупкий мартенсит. В такой охрупченной зоне свароч­ные напряжения вызывают холодные трещины. Чем больше углерода в стали, тем устойчивее аустенит и больше вероятность образования мартенсита, выше его хрупкость и тем значительнее объемные измене­ния. Поэтому чем больше уг­лерода, тем больше опасность образования холодных трещин и хуже свариваемость.

По результатам испытаний многих марок стали влияние углерода и легирующих элементов на свариваемость оценивают через обобщенный показатель - углеродный эквивалент (СЕ): количество углерода в нелегированной стали, у которой свариваемость такая же, как и у данной легированной. Так, для строительных сталей (в ГОСТ 27772) углеродный эквивалент вы­числяется по составу [%(масс.)] как

С_Э = С + Мn/6 + Si/24 + Сr/5 + Ni/40 + Сu/13 + V/14 + Р/2      

Сварка не требует специальных мер (подогрева конструкции и т.п.),

если углеродный эквивалент С_э < 0,49% для строительной стали класса С390 (с нормой предела текучести σ₀₂ > 390 МПа).

Для более прочных, микролегированных сталей:

С _Э = С + Мn/6 + (Сr + Мо + V +Тi)/5 + (Ni + Сu)/15                         

и допускается С_э < 0,37%.

Свариваемость в значительной степени определяется технологией и видами сварки. Стали подвергаемые дуговой сварке можно подразделить на 3 группы по свариваемости:

1). Свариваемые без ограничения (сварка производится без подогрева и последующей термической обработки соединений,СЕ≤0,35)

2). Ограниченно свариваемые (сварка возможна при подогреве 100-120°С и последующей термической обработке сварных соединений, СЕ= 0,35-0,60)

3). Стали, как правило не применяемые для сварных конструкций (СЕ > 0,60)

Лишь в редких случаях есть возможность термической обработки швов (или конструкции в целом) после сварки. Чтобы шов и прилегающая зона термического влияния не оказались мягче основного металла, сталь сред­ней и высокой прочности при сварке все-таки должна подкаливаться, но не на мартенсит, а на более вязкую структуру - такую же, как в основ­ном металле (например, бейнит). Тогда цель легирования - сбалансиро­вать состав, обеспечивающий и свариваемость, и прокаливаемость. Так, в микролегированной стали наночастицы карбонитридов (Тi, Nb, V) страху­ют зону термического влияния: от роста зерна (при сварке) и от старе­ния (впоследствии).

Околошовная зона, претерпев высокий нагрев и медленное охлажде­ние, обычно более хладноломка, чем основной металл. Поэтому для тол­стого листа ответственного назначения есть сдаточное испытание на охрупчивание при сварке. Наварив на лист валик металла, испытывают вырезанный около шва образец на ударную вязкость при заданной низ­кой температуре (ударная вязкость в зоне термического влияния).

В зависимости от назначения строительные стали поставляются в соответствии с различными спецификациями. Например, есть ГОСТы на строительные стали (ГОСТ 19281 -89),мостовые стали (ГОСТ 6713 – 91), арматурные стали (ГОСТ 5781- 82), судостроительные стали (ГОСТ 5521 – 93) и т.д.

Строительные углеродистые стали обыкновенного качества марок Ст 2, Ст 3 имеют предел текучести _0,2 = 240 МПа, При со­держании 1,5 % Мn и 0,7 % Si предел текучести увеличивается до 360 МПа, т. е. в 1,5 раза.

Целесообразно использовать стали с повышенной прочностью для строительных конструкций; наибольший эффект от снижения веса конструкции достигается при 2-3 кратном приросте прочности. При дальнейшем упрочнении эффективность от применения таких сталей снижается. Однако эффект от использования стали с более высокой прочностью будет тогда, когда удорожание стали перекроется экономией металла в результате снижения веса конструкции.

При этом необходимо учитывать затраты на легирование и на изготовление проката (энергоемкость производства). К низколегированным строительным сталям для строитель­ных конструкций относятся стали марок 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 10ХСНД и 15ХСНД. Стали 10ХСНД и 15ХСНД, содержащие никель и медь, работает в конструкциях при температурах до -60 °С без перехода в хрупкое состояние. Кроме того, введение этих элементов увеличивает кор­розионную стойкость стали в атмосферных условиях. Но относительная экономия стоимости при замене горячекатаной стали ВСт3сп на сталь 10ХСНД (закалка + отпуск) будет при экономии металла не менее 50%.

Достижения при создании сталей с высокими прочностными и вязкими свойствами связаны с развитием микролегирования. В большинстве случаев микролегированные стали разрабатывались в комплексе с новыми технологиями на прокатном переделе. Введение в стали небольших добавок ванадия и ниобия (до 0,05- 0,1 %) совместно с азотом (0,015-0,025 %) обеспечивает дополнительное упрочнение за счет образования карбонитридов этих элементов и измельчения зерна. Эти элементы по- разному влияют на процессы структурообразования. Ниобий эффективен на всех стадиях прокатного передела при контроле за ростом зерна аустенита при нагреве, при протекании процессов рекристаллизации, γ→ α превращении и дисперсионном упрочнении. Ванадий оказывает слабое влияние на рост зерна и кинетику рекристаллизации аустенита. Поэтому его целесообразно использовать одновременно с другими микродобавками (титаном и ниобием). К сталям такого типа относятся низколегированные стали марок 14Г2АФ, 17Г2АФБ и другие с _0,2 = 450 МПа после нормализации. Уровень прочностных свойств стали обуславливается действием нескольких механизмов упрочнения (легирование твердого раствора, наличие дисперсных частиц второй фазы и перлита, повышение плотности дислокаций и измельчение зерна). Из всех механизмов упрочнения только измельчение зерна одновременно снижает склонность стали к хрупкому разрушению. Исключение составляют такие легирующие элементы как никель и марганец так как они понижают температуру фазового превращения. Из-за высокой стоимости никель вводится в строительные стали в небольших количествах, в отличии от марганца, который содержится в повышенных количествах. Увеличение предела текучести на 10Н/мм² приводит в зависимости от механизма упрочнения к изменениям температуры перехода стали в хрупкое состояние. (табл.12.1)

 

Т а б л и ц а 12.1

Влияние увеличения предела текучести стали на 10Н/мм² под влиянием разных факторов на изменение температуры перехода стали в хрупкое состояние.

 

Изменение температры перехода стали в хрупкое состояние под влиянием изменения химического состава и строения стали	Факторы влияния на изменение температуры перехода стали в хрупкое состояние
	Измельчение зерна	дисперсонное упрочнение	увеличение плотности дислокаций	Упронение перлитом	Лгирование твердого  раствора
					Si	Mn
	-6°С	+2,5°С	+4,5°С	+ 9°С	+ 5,8°С	- 3,5°С

 

Такие стали используют в строительстве и машинострое­нии в виде листов, сортового фасонного проката для изготовления сварных конструкций без дополнительной термической обработки.

Более эффективное измельчение зерна в феррито- перлитных сталях достигается при применении нормализации или термомеханической обработке. После термомеханической прокатки не происходит снижения прочностных характеристик. Поэтому стали, подвергаемые термомеханической прокатке имеют более низкое содержание углерода и лучшую свариваемость. Согласно литературным данным комплекс высоких механических свойств микролегированной стали 12ГСБ (s_в =540МПа;s_0,2 =390МПа;d₅ = 24%; KCV = 60Дж/см² ;Т = -50°С) обусловлен большим влиянием зернограничного упрочнения (его вклад составляет 41%).

В таблицах 12.2 и 12.3 приведены требования к сталям для строительных конструкций (ГОСТ 19281-89) и перечислены типичные стали, удовлетворяющие этим требованиям.

 

Та б л и ц а 12.2.

Требования к свойствам строительных сталей.

 

Категория прочности	Механические свойства			Марка стали
	sв Н/мм^2	d5 %	KCU, Дж/см^2
Обычная прочность С235 С245 С255 С265 С295 Повышенная прочность C325 C345 C375 Высокая прочность С390	400 410 420 430 430   450 480 510   530	23 23 23 21 21   21 21 21   18	-  -  - 29(-40) 29(-40)   34(-70)* 29(-70)* 39(-40)   34(-70)	Ст3сп Ст3сп Ст3сп 09Г2С, 09Г2 09Г2, 09Г2С   09Г2C,   10Г2С,15ХСНД 09Г2С,10Г2С1 15ХСНД,10ГФ,10Г2Б   10ХСНД,15Г2СФ
* Дополнительные требования KCV^-20≥34 Дж/см2 для категории С315 и KCV^-20≥40 Дж/см2

 

По величине предела текучести стали подразделяются на три группы:

стали обычной прочности (С235-С285), стали повышенной прочности (С315-С375), стали высокой прочности (С390-С590)

Та б л и ц а 12.3.

Требования к свойствам листовых строительных сталей.

 

Категория прочности	Механические свойства			Марка стали
	sв *Н/мм^2	d5 %	KCU, Дж/см^2
Обычная прочность С235 С245 С255 С275 С285 Повышенная прочность С315 С345 С375 Высокая прочность С390 С440 С590	360 370 380/370 390/380 400/390   440/420 490/470 510/490   540 590 685	26 25 25 24/23 24/23   22 21 20   20 20 14	- - - 29(-20) 29(-20)   34(-70) 34(-70) 34(-70)   29**(-70) 29**(-70) 29**(-70)	Ст3сп Ст3сп Ст3сп Ст3сп, 09Г2С 09Г2С   17Г1С,10Г2С1 17Г1С,10Г2С1, 12Г2С 10Г2Б,15ГФ   14Г2АФ, 15Г2АФ 16Г2АФ 12ГН2МФАЮ
* В числителе значение для толщин 4-10 мм, в знаменателе для толщин 10-20 мм ** Дополнительные требования KCV^-40≥20 Дж/см2

 

 

Свойства проката обычной прочности обеспечиваются углеродистой сталью ВСт3сп (в том числе с использованием термомеханической обработки) или низколегированной сталью 09Г2С, поставляемой в горячекатаном состоянии. Микролегированные стали используют начиная с категории С375. В этом случае стали поставляются в горячекатаном состоянии. Стали высокой прочности поставляются после нормализации, стали категории С590 - после улучшения.

Пожаростойкие стали марок 06БФ и 06МБФ, соответствующие классам прочности С 255 и С345 в 1,5-2 раза превосходящие по огнестойкости применяемые стандартные строительные стали аналогичной прочности. К прокату повышенной огнестойкости предъявляются следующие требования: s_0,2 при температуре 600°С≥ 0,5-0,6 s_0,2 при температуре 20°С. У обычных сталей критическая температура меньше или равна 500°С. (при этом конструкция теряет свою несущую способность на 90 -100% так как снижаются значения предела текучести и модуля упругости).

Стержневая арматура для напряженного железобетона (класс прочности А -IV – A-VI) изготавливается из термоупрочненных с прокатного нагрева сталей типа 20ГС, 25Г2С, ЗОХГСА. и не является свариваемой.

Свариваемую арматуру изготавливают из низколегированных марок сталей (табл.12.4) с микролегированием титаном с массовой долей 0,02-0,08% и бором 0,001-0,008% (23Х2Г2Т, 22Х2Г2Р, 20Х2Г2СР), цирконий -0,05-0,14% (20ХГ2Ц)

Та б л и ц а 12.4

Стали для свариваемой стержневой арматуры.

 

Класс арматурной стали	Диаметр профиля, мм	Марка стали
А-I(A240) A-II(A300)   Ac-II(Ac300) A-III(A400)   A- IV(A600)   A-V(A800)     A-VI (A1000)	6-40 10-40 40-80 10-32(36-40) 6-40 6-22 10-18 (6-8) 10-32 (36-40) (6-8) 10-32 (36-40) 10-22	Ст3кп, Ст3пс,Ст3сп Ст5сп,Ст5пс 18Г2С 10 ГТ 35ГС,25Г2С 32Г2Рпс 80С 20ХГ2Ц     23Х2Г2Т     22Х2Г2аю, 22Х2Г2Р, 20Х2г2СР
Примечания. 1. Допускается изготовление арматурной стали класса А-V (А800) из стали марок 22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р и 20 Х2Г2СР. 2. Размеры, указанные в скобках, изготавливают по согласованию производителя с потребителем.

 

В процессе эксплуатации строительных конструкций происходит эволюция свойств и структуры горячекатаной арматуры. В табл. 12.5 представлены механические свойства стали 35ГС (А III)  текущего производства и их изменение за 50 лет эксплуатации.

Та б л и ц а 12.5

Механические свойства опытной арматуры.

 

Срок эксплуатации, лет	Механические свойства
	sв, МПа	s0,2. МПа	d, % max
Текущее производство 7 25 35 50	710 682 650 596 557	520 454 443 398 315	21 23 19 16 9
Требования по ГОСТ 5781-82 К классу прочности АIII	590	390	-

 

После 35 лет эксплуатации механические свойства стали 35ГС находятся на нижнем уровне требовании стандарта, а через 50лет снижаются до уровня требований класса AII. Снижение прочности обусловлено разрушением пластинчатого перлита, а снижение пластичности выделением включений второй фазы, инициирующей образование микротрещин.

Для изготовления облегченной крепи горных выработок были разработаны микролегированные стали (табл.12.6). Замена стали Ст5пс с пределом текучести 280МПа на стали типа 23ХГ1АБ с пределом текучести 440МПа позволяет заменить тяжелый профиль на более легкий.

 

Та б л и ц а 12. 6

Стали для спецпрофилей крепи горных выработок.

 

Марка стали	Химический состав						Механические свойства
	С	Mn	Si	V	Nb	Другие элементы	sв Н/мм^2	sт Н/мм^2	d5 %
Ст5пс   Ст5сп     23ХГ1АБПС (23ГАХПС)   20Г2АФПС	0,28-0,37     0,20-0,27     0,15-0,24	0,50-0,80     1,10-1,50     1,10-1,50	0,05-0,15   0,15-0,30   н.б. 0,17   н.б. 0,17	-     -     0,07-0,12	-     0,01-0,03   -	-   Азот Хром 0,015- 0,30- 0,025 0,60 Азот 0,015-0,030	490   590   590	280   440   440	14   18   18

Н.б. – не более

Применение в строительных конструкциях более прочных низ­колегированных сталей вместо углеродистых дает возможность сни­зить расход металла на 15-30 % и снизить трудоемкость монтажа. Несмотря на несколько более вы­сокую стоимость их использования экономически целесообразно.

Дополнительное повышение механических свойств и сниже­ние порога хладноломкости достигается с помощью контролируе­мой прокатки. Контролируемая прокатка состоит в проведении деформации, особенно в конце процесса, при более низкой темпе­ратуре (800-850 °С) с увеличением степени деформации в послед­них проходах. Эффект контролируемой прокатки состоит в значи­тельном измельчении зерна, а также дисперсном упрочнении час­тицами карбонитридов, что позволяет отказаться от последующей термической обработки.

В мостостроении для изготовления сварных конструкций при­меняются стали с высокой прочностью ( _о.2 > 600 МПа): 10ХСНД, 15ХСНД, 10Г2С1Д, 16Г2АФ и др. Практика отечественного мостостроения в 1990-х годах выдвинула дополнительные требования качеству металлопроката.:

- гарантированное сопротивление хрупкому разрушению металла при отрицательных температурах (по результатам испытаний образцов с острым надрезом -KCV)

- гарантированное обеспечение сплошности толстолистового металлопроката не ниже 1,2 классов ГОСТ 22727 (по результатам ультразвукового контроля-УЗК);

- нормирование прочностных и пластических свойств толстолистового проката в направлении его толщины;

- нормирование максимального значения углеродного эквивалента.

Низкая рентабельность сталей 10ХСНД, 15ХСНД, связанная с высоким содержанием никеля и хрома, привела к необходимости совершенствования технологии как на стадии производства: разработка экономически эффективного перевода никеля и хрома из руды в чугун, а затем в сталь, обеспечивающий минимально необходимое содержание этих элементов только за счет природного легирования, а также комплексная обработка жидкой стали, позволившая снизить содержание вредных примесей серы и фосфора. Снижению стоимости сталей способствовала разработка микролегированных ванадием или ниобием сталей. Это дало возможность повысить прочность за счет механизма дисперсионного твердения, так же пластичность и вязкость за счет измельчения структуры. Химический состав и механические свойства разработанных сталей (по ТУ 14 -1 – 5120-92) и сталей по ГОСТ 6713, а также некоторых зарубежных аналогов, приведены в табл. 12.7 и 12.8. В табл. 12.9. приведены механические свойства нормализованного проката.

Т б л и ц а  12.7

Максимальное содержание элементов в сталях для мостостроения в соответствии с нормативно-технической документацией, % (масс.)

 

Сталь	C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Cu	Mo	V	Nb	Углеродный эквивалент, %
15ХСНД (ГОСТ 6713) 10ХСНД (ГОСТ 6713) 15ХСНДА (ТУ 14-5120-92) 10ХСНДА (ТУ 14-5120-92) С (ASTM 588) K (ASTM 588) 50W тип B (ASTM A709) 60A (CSA G.40.21)	0,18   0,12   0,15   0,10 0,15 0,17   0,20   0,20	0,70   0,80   0,90   0,95 1,35 1,20   1,35   1,35	0,70   1,10   0,70   1,10 0,40 0,50   0,50   0,40	0,035   0,035   0,010   0,010 0,035 0,035   0,040   0,040	0,035   0,035   0,015   0,015 0,040 0,040   0,050   0,030	0,90   0,90   0,60   0,60 0,50 0,70   0,70   0,70	0,60   0,80   0,50   0,50 0,50 0,50   0,50   0,90	0,40   0,60   0,40   0,60 0,50 0,50   0,40   0,60	-   -   -   - - 0,10   -   -	-   -   -   - 0,10 -   0,10   V+ Nb	-   -   0.06   0.06 - 0.06   -   £0.10	-   -   £0.45   £0.45 - -   £0.49   £0.55

 

Та б л и ц а  12.8.

 

Механические и технологические свойства проката для мостостроения в соответствии

с нормативно-технической документацией.

 

Сталь	sт Н/мм^2	sв, Н/мм^2	s,%	Ударная вязкость, Дж/см^2, не менее		Класс УЗК	Доля волокна в изломе не менее /длина расслоения не более,%/мм	sв,   Н/мм^2	Ψ , %
				KCU	KCV
15ХСНД (ГОСТ 6713) 10ХСНД (ГОСТ 6713) 15ХСНДА (ТУ 14-5120-92) 10ХСНДА (ТУ 14-5120-92) С (ASTM 588)   K (ASTM 588)   50W тип B (ASTM A709)   60A (CSA G.40.21)	345   390   345     390     345   345   345     400	490   530   490     530     485   485   485     570	21   19   21     19     18   18   19     18	29 (при -60°С и-70°С) 29(при -60°С и-70°С) 69(при -60°С и-70°С)   69(при -60°С и-70°С)   -   -   -     -	-   -   29(при -20°С и-40°С)   29(при -60°С и-70°С)   27(при -0°С и- 20°С) 27(при -0°С и-20°С) 27(при +4°С и -12°С)   27(при -0°С и-20°С)	3   3   0,1,2     0,1,2     2,3   2,3     2,3     2,3	50/15   50/15   80/0     80/0     -   -     -     -	-   -   270     270     -   -     -     -	-   -   35     36     -   -     15     15

 

 

Т а б л и ц а  12.9

Свойства нормализованного проката для мостостроения

Сталь	sт Н/мм^2	sв, Н/мм^2	s,%	Ударная вязкость, Дж/см^2, не менее		Класс УЗК	Доля волокна в изломе не менее/длина расслоения не более,%/мм	sв,   Н/мм^2	Ψ , %
				KCU	KCV
15ХСНД (ГОСТ 6713) 10ХСНД (ГОСТ 6713) 15ХСНДА (ТУ 14-5120-92) 10ХСНДА (ТУ 14-5120-92)	390   455   410     465	530   550   540     560	23   23   28     27	65   85   261     250	25*   29*   185*     215*	3   3   0,1     0,1	50/15-70/5   50/1-80/0   100/0 един./95/0   100/0 един./95/0	95*   120*   490     520	8*   7*   50     54
* по ГОСТ 6713 указанные характеристики не нормируются, и определялись факультативно.

 

 По сравнению со сталями по ГОСТ 6713, а также некоторыми зарубежными аналогами новые стали характеризуются более экономной системой легирования, жесткими нормами по содержанию вредных примесей (табл.12.7) и меньшим значением углеродного эквивалента- 0,45% (0,52-0,55% по ГОСТ 6713 и 0,49-0,55% для зарубежных аналогов). Прокат из сталей 10ХСНДА и 15 ХСНДА при практически одинаковом уровне прочностных свойств имеет значительно более высокую пластичность и вязкость, хладостойкость (до -70°С), улучшенную свариваемосить, С_э < 0,42%, при сохранении высокой коррозионной стойкости. (табл.12.8). Стоимость проката из природнолегированной стали на 15-20% ниже.

 В вагоностроении и сельскохозяйственном машиностроении применяются высокопрочные стали ( ₀.₂  750 МПа): 12Г2СМФ, 14ГСМФР и др.

Материалы для грузовых вагонов. По грузоподъемности отечественные грузовые вагоны уступают лучшим зарубежным образцам (76т – Россия и ~122т США). В вагоностроении в ближайшее время необходимо решить техническую проблему- повысить грузоподъемность отечественных грузовых вагонов до 90-100т и надежность до межремонтного пробега до 500тыс. км при массе тары не более 20т. Решение этой задачи может быть получено только применением конструкционных материалов повышенной прочности и коррозионной стойкости с низкой удельной массой. К таким материалам относятся - низколегированные стали класса прочности 450-600, алюминиевые сплавы и нержавеющие стали. Для изготовления крупногабаритных сварных конструкций, к которым относятся грузовые вагоны, используют: - стали от класса прочности 235-255 (табл.12.2) до класса прочности 500 и выше (12Г2СМФ, 14ГСМФР и др.)  

Для изготовления рам большегрузных самосвалов нужны свариваемые высокопрочные стали с временным сопротивлением не менее 1050МПа. Высокий уровень прочности достигается за счет карбонитридного упрочнения (при этом за счет дисперсных частиц резко уменьшается размер аустенитного зерна, а при последующем охлаждении это приводит к увеличению дисперсности мартенситно- бейнитной структуры, что положительно сказывается как на прочности так и на вязкости стали). Это позволяет экономить дорогостоящие легирующие элементы. Требуемыми свойствами обладают стали: 12ХГН2МА (предел текучести 690МПа, хладостойкость -70°С, 17 ХГН2МФБТ (предел текучести 1000МПа, хладостойкость -60°С). Эти стали превосходят по хладостойкости зарубежные аналоги Weldox-700 b Hardex-400 соответственно.

Сталь   для рельсов, колес и бандажей. Рост грузонапряженности железнодорожного транспорта (увеличение осевых нагрузок и скоростей движения) поставил задачу повышения качества металла для рельсов, колес и бандажей, включая обеспечение их высокой износостойкости и надежности, в том числе при отрицательных температурах эксплуатации. Исходя из этого, современными стандартами на рельсовую и колесную сталь (ГОСТ Р 51685-2000, ГОСТ 10701-89,ТУ 0943-050-01124328) включены жесткие требования по ее химическому составу, включая чистоту по содержанию вредных примесей – серы, фосфора, водорода, кислорода и,особенно, неметаллических включений и остаточных цветных металлов. Рельсовая сталь марки К76Ф имеет состав: С 0,71-0,78 %; Mn 0,82-0,90%; Si 0,26-0,36%; S 0.017%; P 0,015%; V 0,061%; Ca 0,0011%, что соответствует требованиям ГОСТ Р 51685-2000. По микроструктуре и механическим свойствам сталь также удовлетворяла требованиям ГОСТ а (табл. 12.10 и 12.11)

 

Та б л и ц а  12.10

Механические свойства рельсов из стали К76Ф.

 

Значение	sв, Н/мм^2	sт Н/мм^2	dп,%	y, %	KCU, Дж/см^2
Среднее Колебания Норма ГОСТ Р 51685-2000, Не менее:  Категория Т1 Категория Т2	1222 1198-1256   1180 1100	866 848-890   800 750	11,4 8,3-16,0   8,0 6,0	39 34-46   25,0 25,0	34,5 29-44   25 15

Та б л и ц а 12.11

Твердость термоупрочненных рельсов из стали К76Ф.

 

Значение	Твердость рельса
	На поверхности катания головки	На глубине от поверхности катания головки		В шейке	В подошве