Лекция 10. Легированные конструкционные стали. Инструментальные легированные стали. Конструкционные стали

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, 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, обладать запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении - сопротивлением износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии, сопротивление хрупкому разрушению и т.д.

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

Строительные стали

К строительным относятся конструкционные стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, для армирования железобетона.

К низколегированным строительным сталям относятся низкоуглеродистые свариваемые стали, содержащие недорогие и недефицитные легирующие элементы и обладающие повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углеродистыми сталями. Применение низколегированных сталей позволяет уменьшить массу строительных конструкций, получить экономию металла, повысить надежность конструкций. Низколегированные строительные стали содержат до 0,25% углерода, 2-3% легирующих элементов (Cr, Si, Mn), микродобавки (Y, Nb, Ti, Al, N) и др.

Требования к сталям:

- определенное сочетание прочностных и пластических свойств,

- малая склонность к хрупким разрушениям (низкий порог хладноломкости)

- коррозионная стойкость,

- хорошая свариваемость

- обработка резанием.

Строительные стали для металлических конструкций подразделяются по категориям прочности на: стали нормальной прочности, повышенной прочности и высокой прочности. Каждый класс прочности характеризуется минимально гарантированными значениями временного сопротивления разрыву и предела текучести.

Временное сопротивление при растяжении и предел текучести являются основными расчетными характеристиками при проектировании металлоконструкций и сооружений. От их значений зависит сечение элементов конструкций, а, следовательно, их масса.

Не менее важным критерием, определяющим эксплуатационную надежность строительных конструкций, является их склонность к хрупким разрушениям (порог хладноломкости). По хладостойкости строительные стали делят на стали без гарантированной хладостойкости, стали хладостойкие до -40ºС и стали для эксплуатации конструкций ниже -40 ºС.

Детали строительных конструкций обычно соединяют сваркой, поэтому основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Стали этого класса не должны давать горячих и холодных трещин. Склонность к образованию 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. Металл шва и около шовной зоны нагревается выше критических точек. При охлаждении протекает процесс распада аустенита, сопровождающийся объёмными изменениями. Чем выше содержание углерода, тем выше объёмные изменения, тем больше опасность образования холодных трещин. Поэтому стали, используемые для изготовления строительных конструкций, не должны содержать более 0,25%С и устанавливается тем ниже, чем более легирована сталь.

Строительные стали могут быть углеродистыми и низкоуглеродистыми низколегированными.

Низкоуглеродистые низколегированные стали обычной прочности в горячекатаном или нормализованном состоянии применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефте- и газопроводов. Стали поставляются в горячекатаном состоянии с феррито-перлитной структурой. Прочностные свойства этих сталей обеспечиваются на стадии производства.

К низколегированным строительным сталям повышенной прочности относятся стали марок 14Г2, 17ГС, 9Г2С и др. Введение в сталь небольших добавок ванадия и ниобия обеспечивает дополнительное упрочнение за счет образования карбонитридов этих элементов и измельчения зерна. К сталям такого типа (стали повышенной прочности) относятся стали марок 14Г2АФ, 17Г2АФБ, и другие с σ_{0,2 =} 450 МПа после нормализации. Такие стали используются в виде сортового проката для изготовления конструкций без дополнительной термической обработки. В эту же группу входят атмосферостойкие стали, в состав которых вводят в малом количестве Cu, P, Ni, Cr, Si. Они образуют на поверхности продукты коррозии с высокой плотностью и прочностью, обладающие лучшим сцеплением с поверхностью, чем антикоррозийные покрытия (10ХНДП, 15ХСНД).

Строительные стали высокой прочности марок 12Х2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ применяются в особо ответственных конструкциях, в которых прочность достигается карбонитридным упрочнением, термическим упрочнением и контролируемой прокаткой. Термическое упрочнение этих сталей заключается в закалке от 850 – 920⁰С и высоком отпуске при 600 – 680⁰С. После этого получается высокодисперсная смесь продуктов распада мартенсита и нижнего бейнита. Прочность после такой обработки достигает σ_в = 700МПа.

Присутствие частиц карбонитридов и нитридов способствует заметному измельчению зерна. Стали с карбонитридным упрочнением применяют для ответственных металлоконструкций, пригодных для эксплуатации при температурах ниже – 40⁰С, а также для магистральных газопроводных труб северного исполнения.