Улучшение механических свойств стали

Влияние химического состава на механические свойства стали

Химический состав сталихарактеризуется процентным содержанием в ней различных компонентов и примесей.

Углерод (У) – повышает предел текучести и временное сопротивление стали, однако пластичность и свариваемость стали уменьшаются. Поэтому в строительных конструкциях применяют только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,22 %.

Кремний (С) – раскисляет сталь, увеличивает предел текучести и временное сопротивление, ухудшает свариваемость, стойкость против коррозии и сильно снижает ударную вязкость.

Марганец (Г) – увеличивает предел текучести и временное сопротивление стали.

Медь (Д) – повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное (более 0,7 %) содержание меди способствует старению стали.

Алюминий (Ю) – хорошо раскисляет сталь, повышает ее ударную вязкость.

Азот (А) – увеличивает хрупкость стали, особенно при низких температурах, и способствует ее старению.

Никель (Н), хром (X), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т), бор (Р) являются легирующими компонентами, улучшающими механические свойства стали; применение их для сталей, используемых в строительстве, ограничивается дефицитностью и высокой стоимостью.

Ряд примесей является вредным для сталей, сильно ухудшая ее конструкционные качества;

Фосфор (П) – резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, а также делает ее хладноломкой (хрупкой при отрицательных температурах),

Сера – несколько уменьшает прочностные характеристики стали и, главное, делает ее красноломкой (хрупкой и склонной к образованию трещин при температуре 800 – 1000°С), что влечет за собой появление сварочныхтрещин.

Кислород, водород и азот, которые могут попасть в расплавленный металл из воздуха и остаться там, ухудшают структуру стали и способствуют увеличению ее хрупкости.

Достигается термической обработкой.

Нормализация (разновидность отжига) нагрев проката свыше 910°С - 930°С с последующим охлаждением на воздухе. Это приводит к уплотнению структуры стали и снятию внутренних напряжений. Нормализация, являясь простейшим видом термической обработки, стали, применяется довольно часто.

Закалка заключается в нагреве стали выше 910°С -930°С с последующим быстрым охлаждением. В зависимости от скорости охлаждения могут быть получены различные структуры – более или менее твердые и мелкозернистые.

Отпуск заключается в нагреве проката до t=723°С с последующим медленным охлаждением для получения более однородного и устойчивого структурного строения сплава. Различают высокий, средний и низкий отпуск.

При высоком отпуске (600 - 650°С) временное сопротивление стали снижается, а пластичность повышается.

Низкий отпуск (350 - 400°С) ухудшает показатели ударной вязкости. При благоприятных условиях углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решетки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и к уменьшению пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Эта перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходит в течение достаточно длительного времени, поэтому такое явление называется старением. Старению способствуют: а) механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение); б) температурные колебания. Невысоким нагревом (до 150–200 °С) можно резко усилить процесс старения. При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению кипящие стали.

2.5 Виды производства стали, применяемой
в металлических конструкциях

Сталь, применяемая в металлических конструкциях, производится двумя способами: в мартеновских печах и конверторах с продувкой кислородом сверху. Стали мартеновского и кислородно-конверторного производства по своему качеству и механическим свойствам практически одинаковы. Однако производство кислородно-конверторной стали проще и дешевле, поэтому она начинает вытеснять мартеновскую.

Нераскисленные стали «кипят» при разливке в изложницы вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной.

Механические свойства несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномерного распределения химических элементов. Особенно это относится к головной части, которая получается наиболее рыхлой (вследствие усадки и наибольшего насыщения газами). Поэтому от слитка отрезают дефектную головную часть, составляющую примерно 5 % массы слитка. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество малоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния или алюминия.

Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спокойными. От головной части слитка спокойной стали отрезают часть, составляющую примерно 15 %. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.

Однако спокойные стали примерно на 12 % дороже кипящих, и выход годного проката ниже примерно на 10%, что заставляет ограничивать её применение.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния, редко алюминием. От головной части слитка отрезается меньшая часть, равная примерно 8 % массы слитка. При прокате происходит обжатие металла, размельчение зерен и различное их ориентирование вдоль и поперек проката, что сказывается на механических свойствах металла. На свойства металла влияют также температура прокатки и последующее остывание. При окончании прокатки при заниженной температуре металл наклепывается. Это приводит к повышению временного сопротивления и предела текучести, но снижает пластические свойства и ударную вязкость. Значения предела текучести и временного сопротивления стали зависит от её толщины. С увеличением толщины проката сталь становится менее пластичной и предел текучести и временное сопротивление её уменьшается.

При столь многообразных факторах, влияющих на прочность стали, вполне естественно, что показатели прочности имеют определенное рассеивание.

На основании полученных статистических данных устанавливаются наименьшие значения механических свойств металла, которые записываются в соответствующие ГОСТы и по которым производится отбраковка металла на металлургических заводах. Стали с одинаковым химическим составом и механическими свойствами составляют одну марку стали.

В зависимости от механических свойств (предела текучести) все стали, применяемые для строительных конструкциях, в соответствии с СНиП 2-23-81* объединены в классы прочности (классы стали). Таких классов шестнадцать: С 235, С 245, С 255, С 275, С 285, С 345, С 345Т, С 345К, С 375, С 375, С 375Т, С 390, С 390К, С 440, С 590, С 590К (принятые обозначения: С — сталь, цифра – предел текучести стали, Т – термоупрочненная, К – повышенной коррозионной стойкости).

В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик углеродистая сталь подразделяется на три группы:

группа А — гарантируются механические свойства;

группа Б — гарантируется химический состав;

группа В — гарантируются механические свойства и отдельные требования по химическому составу.

В строительных конструкциях применяется преимущественно сталь группы В, так как для обеспечения прочности необходима гарантия механических свойств, а для свариваемости и высокого качества стали требуется соблюдение норм по химическому составу. Для второстепенных нерасчетных элементов конструкций иногда применяется сталь группы Б. Сталь группы А в строительных конструкциях, как правило, не применяется.

В зависимости от нормируемых показателей стали всех групп подразделяют на 6 категорий (химический состав, R_un, R_yn, изгиб в холодном состоянии, ударная вязкость при t=+20 °С и t=-20 °С, после механического старения). Обозначения марок углеродистой стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-71 приняты буквенно-цифровыми. Буквы Ст означают слово «сталь», цифры 0, 1, 2, 3, 4 и.т, д. – условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава стали и ее свойств. Для стали групп Б и В перед обозначением марки стали ставится буква Б или В. Степень раскисления стали обозначается индексами «сп» (спокойная), «пс» (полуспокойная) и «кп» (кипящая), добавляемыми к обозначению марки стали.

Для обозначения полуспокойной стали с повышенным содержанием марганца после номера марки ставят букву Г. Для обозначения категории стали в конце ставится ее номер (для первой категории номер не ставится). Например, обозначение ВСт3сп5 соответствует марке стали 3, спокойной, группы В, 5-й категории; обозначение ВСт3Гпс5 – марке стали 3 с повышенным содержанием марганца, полуспокойной, 5-й категории; обозначение Ст1кп — марке стали 1, кипящей, группы А, 1-й категории.

Наиболее распространенной в строительных металлических конструкциях является сталь марки СтЗ. Сталь 3 обладает достаточно высоким пределом текучести Ryn=23—24 кН/см², пластична, хорошо сваривается, надежно работает при различных силовых воздействиях.

В целях унификации применения и упрощения заказа требуемой стали Нормами проектирования стальных конструкций (СНиП ll-23-81) предусмотрено применение в строительных конструкциях низкоуглеродистых сталей только следующих способов выплавки и категорий:

1)полуспокойной — 6-й категории (ВСтЗпс6) – 2-я группа прочности

2)спокойной и полуспокойной с повышенным содержанием марганца — 5-й категории, (ВСтЗсп5-1, ВСтЗГпс5);

3)кипящей — 2-й категории (ВСтЗкп2-1)- 1,2 группа прочности

В настоящее время поставляется сталь СтТпс и ВСтТсп с пределом текучести 29 кН/см², получаемая на основе углеродистой стали путем термической обработки.

Обозначения марок низколегированных сталей построено по следующему принципу: первые цифры обозначают среднее количество углерода в сотых долях процента, буквы показывают наличие легирующих компонентов, цифры за буквами указывают количество легирующего компонента в целых процентах (цифра 1 обычно не проставляется); если легирующего компонента меньше 0,3%, то он в обозначение марки не вводится. Например, марка 10ХСНД обозначает сталь со средним содержанием углерода 0,1%, легированную хромом, кремнием, никелем и медью в количествах более 0,3% и менее 1%; сталь 14Г2 содержит в среднем 0,14 % углерода и до 2% марганца.

При применении литья в строительных конструкциях употребляется сталь для отливок или серый чугун для отливок.

Дата добавления: 2014-01-07