характеристики

Ударная вязкосТо, МДж/м при t °С

Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, особенно при низких температурах. Поэтому его не должно быть более 0,008 %. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном или ниобием азот, образуя нитриды, становится легирующим элементом, способствующим измельчению структуры и улучшению механиче-

ских свойств; однако ударная вяз кость стали при низких температурах получается низкой. Увеличение сопротивления стали хрупкому разрушению обеспечивается простейшей термической обработкой - нормализацией.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды и нитриды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Г), хром (X), ванадий (Ф),

Рис. 2.1. Атомная решетка

а - железа; 6 - аустенита; • - атом железа; О - атом углерода

Рис. 2.2. Микроструктура стали

-углеродистой стали (ХШО), справа - зерно перлита (Х2000}

вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля (И), меди (Д), кремния и алюминия, которые входят s сталь в виде твердых растворов.

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали; никель повышает прочность стали и пластические свойства.

Вредные примеси. К ним в первую очередь относятся: фосфор, который, образуя раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладоломкость), и снижает пластичность при повышенных; сера, делающая сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800-1000°С) вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. Поэтому содержание серы и фосфора в стали ограничивается: так, в углеродистой стали СтЗ серы должно быть не больше 0,05 % и фосфора-0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насы-щен1!е ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0,0007 %), но, концентрируясь около включений в межкрнсталличсских областях и располагаясь преимущественно по границам блоков, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению, снижению временного сопротивления и ухудшению пластических свойств. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необхо-ди.мо защищать от воздействия атмосферы.

Термическая обработка. Значительного повышения прочности, де формационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой благодаря тому, что под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключается в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последующего охлаждения на воздухе. После нормализацни структура стали получается более упорядоченной, снимаются внутренние напряжения, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости. Поэтому нормализация, являясь простейшим видом термического улучшения стали, применяется довольно часто.

При бистром остываннн стали, нагретой до температуры, превосходящей температуру фазового превращения, сталь закаливается. Для закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз. Из переохлажденного аустенита, имеющего углерод в твердом растворе, образуется или бсйнит, или мартенсит. Углерода при быстром охлаждении выделяется очень немного, и успевает появиться только первая часть фазового превращения - замена решетки аустенита решеткой феррита; в результате получается структура феррита, пересыщенная углеродом, называемая мартенситом. Такая структура оказывается неустойчивой, причем углерод стремится выделиться. Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность. Однако пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры производится ее отпуск, т. е. нагрев до температуры, при которой происходит желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течение необходимого времени и затем медленное остывание. По мере нагрева стали при достаточно высоких температурах отпуска (600-680°С) образуется структура, представляющая собой мелкозернистую ферритовую основу, в которой распределены мелкие карбиды. Такая структура называется сорбитом отпуска. Она обладает оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик, высокой стойкостью против хрупкого разрушения и минимальным разупрочнением при сварке. Производить отпуск при температурах, превышающих 723 °С, нет смысла, так как при этом наступает полная или частичная перекристаллизация стали и эффект термической обработки снижается.

Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах 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. Наряду с углеродом выделяются азот и карбиды других элементов, которые производят аналогичное действие. Перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходят 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, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов и поэтому их выделению (физико-химическое старение, дисперсионное твердение). Невысоким нагревом (до 150- 200 "С) молено 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 стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.

Сталь, применяемая в металлических конструкциях, производится двумя способами: в мартеновских печах и конвертерах с поддувкой кислородом сверху. Стали мартеновского и кислородно-конвертерного производства по своему качеству и механическим свойствам практически одинаковы. Однако производство кислородно-конвертерной стали проще и дешевле.

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными, спокойными.

Нераскпсленпые 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), и в ней происходит наибольшая ликвация вредных примесей и углерода. 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 от 0,12 до 0,3 % или алюминия до 0,1 %; кремннй (или алюминий), соединяясь с растворенным кислородом, уменьшает его вредное влияние. При соединении с кислородом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, что ведет к повышению ее качества и механических свойств. 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. Спокойные стали применяются при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

Однако спокойные стали примерно на 12 % дороже кипящих, что заставляет ограничивать их применение и переходить, когда это выгодно по технико-экономическим соображениям, на изготовление конструкций из полуспокойной стали.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния-в размере 0,05-0,15% (редко алюминием). От головной части слитка отрезается меньшая часть, равная примерно 8 % массы слитка. По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное положение,