Ознакомление с классификацией высокопрочных сталей для строительных конструкций. Характеристика особенностей процесса термического упрочнения исследуемых сталей. Анализ зарубежных аналогов отечественных высокопрочных сталей для строительных конструкций.
Аннотация к работе
Высокопрочными сталями принято называть такие стали, предел прочности которых больше 1500 МПА, а предел текучести больше 1400 МПА. Стали с более высоким содержанием углерода практически не применяются, т.к. он отрицательно сказывается на свариваемости, которая является одной из основных характеристик для строительных конструкций. Наряду с пределом текучести для проката из стали каждого класса нормируют и другие механические свойства. Так, например, прокат из стали С255 (СТЗСП) после ДТУ полностью соответствует или даже превышает уровень требований к прокату из стали СЗ45 (О9Г2С). Высокая прочность этих сталей достигается карбонитридным упрочнением (в сталях, содержащих ванадий и алюминий, и повышенное количество азота (до 0,03 %)), термическим упрочнением и контролируемой прокаткой.
Введение
Высокопрочными сталями принято называть такие стали, предел прочности которых больше 1500 МПА, а предел текучести больше 1400 МПА. Эти стали особого назначения, предназначенные для работы в особо тяжелых условиях, где требуется высокая конструкционная прочность при минимальном весе. Высокопрочные стали - сложнолегированные стали с высокой степенью чистоты. Они выплавляются из чистых шихтовых материалов, в электропечах с защитной атмосферой или вакуумной печи и подвергаются специальным методам очистки после выплавки. Высокой прочности можно добиться и в простых углеродистых сталях после закалки и низкого отпуска, но после такой термообработки вязкость их равна нулю и они не могут быть использованы для деталей испытывающих ударные нагрузки. Для того чтобы получить необходимые сочетания механических свойств необходимо использовать целый набор легирующих элементов, которые обеспечивают не только высокую прочность, но и необходимую вязкость, хладностойкость, коррозионную стойкость, сопротивление усталостному разрушению и т.д. Основным легирующим элементом простых сталей является углерод. Он эффективно увеличивает прочность и твердость, но снижает вязкость. Поэтому содержание углерода в высокопрочных сталях ограничено, и обычно не превышает 0,3-0,4%.
Для строительных конструкций из высокопрочных сталей предел прочности составляет 450-750 Мпа , предел текучести - 440-590 Мпа.
Такие строительные конструкции производят из низкоуглеродистых сталей с низким содержанием углерода марок : 12Г2СМФ, 14Г2МФ, 12ГН2МФАЮ , 16Г2АФ , 18Г2АФ , 09Г2ФЮ и 09Г2ФБ.
Стали с более высоким содержанием углерода практически не применяются, т.к. он отрицательно сказывается на свариваемости, которая является одной из основных характеристик для строительных конструкций.
1. Классификация высокопрочных сталей для строительных конструкций
Стали для строительных конструкций классифицируют либо по структурному признаку либо по уровню свойств в готовом изделии.
В основу классификации по структурному признаку положено наличие известной взаимосвязи между химическим составом стали и ее структурой после горячей прокатки или нормализации, хорошо описываемой термокинетическими и изотермическими диаграммами распада переохлажденного аустенита. Различают стали четырех классов : - Феррито - перлитного;
- Феррито - бейнитного;
- Бейнитного
- Мартенситного.
Каждому классу стали соответствует определенный уровень осовных свойств изготовленногоизнее проката после горячей прокатки, нормализации или термического улучшения. Однако наиболее распространенной классификацией сталей для строительных конструкций в отечественных и зарубежных стандартах является классификация по уровню основных механических свойств в готовом прокате, главным образом по пределу текучести и ударной вязкости при отрицательных климатических температурах, характеризующих сопротивлению хрупкому разрушению.
Согласно ГОСТ 27772 стандартизовано по прочности 10 классов стали: - стали обычной прочности - С235, С245, С255, С275, С285;
- стали повышенной прочности - С345, С375, С44О, С59О;
- стали высокой прочности - С390, где, С - сталь строительная, цифры - предел текучести проката, Н/мм.
Наряду с пределом текучести для проката из стали каждого класса нормируют и другие механические свойства. Одновременно с основными механическими свойствами ГОСТ 27772 регламентирует также химический состав стали для проката каждого класса прочности. Необходимо отметить, что регламентация указанным стандартом химического состава становится его серьезным недостатком по следующей причине. В последние годы разработаны и внедряются на металлургических заводах различные схемы упрочнения проката в потоке станов, которые обеспечивают значительно более высокие показатели прочности и хладостойкости. Так, например, прокат из стали С255 (СТЗСП) после ДТУ полностью соответствует или даже превышает уровень требований к прокату из стали СЗ45 (О9Г2С). Однако поставка такого проката по ГОСТ 27772 требует дополнительных. Иногда достаточно длительных согласований с Заказчиком. Прокат из сталей повышенной прочности по ГОСТ 19281 классифицируется аналогично ГОСТ 27772. Для проката каждого класса прочности нормируются механические свойства при растяжении и ударная вязкость при отрицательных климатических температурах (хладостойкость). В ГОСТ 19181 в отличие от ГОСТ 27772 даны только общие рекомендации по базовому химическому составу и маркам низколегированных сталей, обеспечивающих изготовление проката требуемых класса прочности и категории хладостойкости, которые приводятся в качестве справочного материала.
2. Химический состав высокопрочных сталей для строительных конструкций
Строительные стали высокой прочности (табл. 1) производят и поставляют в соответствии с ГОСТ 19281-89 и ГОСТ 27772-88.
Высокая прочность этих сталей достигается карбонитридным упрочнением (в сталях, содержащих ванадий и алюминий, и повышенное количество азота (до 0,03 %)), термическим упрочнением и контролируемой прокаткой.
Для карбонитридного упрочнения применяют охлаждение с температуры прокатки или нормализацию при 890-950 °С. При охлаждении образуются частицы V (С, N) диаметром 10-100 нм и формируется мелкозернистая структура с размером зерен феррита 5-12 мкм. Эта структура мало зависит от толщины проката (при условии, что она не превышает 40-50мм), обеспечивает ?0,2 = 400...500 МПА и низкие значения t50.
Термическое упрочнение этих сталей заключается в закалке от 850 до 920 °С и высоком отпуске при 600-680 °С. Этому упрочнению подвергают прокат толщиной до 40-50 мм из сталей 12Г2СМФ, 14Г2МФ, 12ГН2МФАЮ и 12ХГН2МФБАЮ. После высокого отпуска получается высокодисперсная смесь продуктов распада мартенсита и нижнего бейнита. Однако наибольшая прочность достигается у сталей с карбонитридным упрочнением благодаря дисперсионному твердению при отпуске (?Т = 600...730 МПА).
Таблица 1 Химический состав и свойства строительных высокопрочных сталей
Марка Содержание элементов, % ?В ?Т ?, % KCU, МДЖ/м2, при t, °С
* - сталь также содержит: 1,4 - 1,7 % Ni; 0,15 - 0,25 % Mo; 0,05 -0,1 % Al; ** - сталь также содержит 0,15 - 0,25 % Mo
Присутствие частиц карбонитридов и нитридов способствует заметному измельчению зерна и обусловливает дополнительное зернограничное упрочнение.
Уровень свойств сталей зависит от сочетания легирующих элементов и микродобавок. Наиболее широкое распространение получила сталь 16Г2АФ. После нормализации она имеет мелкое зерно (10-20 мкм), высокую прочность в сочетании с низким порогом хладноломкости.
Стали с карбонитридным упрочнением применяют для ответственных: металлоконструкций, пригодных для эксплуатации при температурах ниже - 40 °С, а также для магистральных газопроводных труб северного исполнения. сталь строительный термический
Особую группу среди высокопрочных строительных сталей образуют малоперлитные (5-10 % перлита) стали с карбонитридным упрочнением при низком содержании углерода. Наибольшее применение получили 09Г2ФЮ и 09Г2ФБ. Сталь 09Г2ФБ содержит, %: до 0,12 С; 0,05 Nb; 0,08 V и до 0,015 N. Следствием снижения концентрации углерода является повышенная ударная вязкость и пластичность, низкий порог хладноломкости этих сталей. Основное их назначение - магистральные нефте- и газопроводные трубы большого диаметра (до 1420 мм) северного исполнения.
При низком содержании углерода высокий уровень прочности достигается применением контролируемой прокатки - высокотемпературной пластической деформации, контролируемой по тепловому и деформационному режимам. Она включает нагрев до 1200 °С для растворения легирующих элементов в аустените и последующее деформирование в три стадии. Первая стадия протекает при температуре не ниже 950 °С и сопровождается развитием рекристаллизации и измельчением зерна. Вторая стадия происходит при температуре, близкой к нижней границе аустенитной области, и предусматривает высокие степени деформации. В аустенитных зернах резко возрастает плотность дислокаций, к которым перемещаются атомы азота и углерода, образуя зародыши карбонитридов. Третья стадия осуществляется при 800-850 °С, когда сталь имеет двухфазную структуру. На этой стадии дополнительно измельчается зерно, формируется развитая субзеренная структура, протекает процесс дисперсионного твердения - закрепление дислокационных стенок дисперсными частицами. После охлаждения сталь приобретает структуру феррита с ячеистой субструктурой и дисперсными частицами карбонитридов. В результате дополнительного действия механизма субзеренного упрочнения стали 09Г2ФБ и 09Г2ФЮ после контролируемой прокатки имеют ?в ? 560 МПА, ?т ? 460 МПА, KCU - 60 0C = 0,6 МДЖ/м2.
3. Зарубежные аналоги отечественных высокопрочных сталей для строительных конструкций
Отечественные стали для строительных металлических конструкций регламентируются ГОСТ 27772-88 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия». Он распространяется на листовой, широкополосный универсальный, фасонный (уголки, двутавры, швеллеры), сортовой прокат и гнутые профили из углеродистых и низколегированных сталей для стальных конструкций со сварными и другими соединениями. Общеевропейские стали для сварных конструкций регламентируются стандартом EN 10025 (Hot rolled products of non-alloy structural steels. Technical delivery conditions). Стандарт определяет требования к горячекатаным нелегированным сталям обычного качества и качественным, поставляемым в виде листового и длинномерного проката. Поставляемые по стандарту стали предназначены для использования в сварных, болтовых и клепаных конструкциях при климатических температурах. Термическая обработка для этих сталей не предусмотрена, не считая поставки в нормализованном состоянии (N). Отпуск для снятия внутренних напряжений допускается. Кроме этого, для металлоконструкций применяются свариваемые мелкозернистые стали, поставляемые по стандарту EN 10113 (части 1, 2, 3). Этот европейский стандарт определяет требования к прокату из качественных и специальных мелкозернистых свариваемых сталей. Эти стали, по сравнению с обычными нелегированными сталями, поставляемыми по стандарту EN 10025, имеют более высокие показатели прочности (Re, Rm), пластичности ( d ), ударной вязкости (KCV) и более низкую температуру перехода в хрупкое состояние ( xp ). Отличие отечественных высокопрочных сталей от европейских сталей заключается в основном в том, что в российских стандартах широко предусматривается использование низколегированных сталей, тогда как в общеевропейских стандартах системы EN регламентируются высокопрочные низкоуглеродистые стали, у которых соответствующие механические свойства создаются за счет измельчения зерна и микролегирования низкоуглеродистых сталей. В связи с создавшейся дефицитностью основного легирующего элемента, применяемого в отечественном прокате повышенной прочности, предназначенном для сварных конструкций, а именно марганца (стали 09Г2, 10Г2С1, 12Г2С и др.), в последние годы разрабатываются металлургическими комбинатами страны микролегированные низкоуглеродистые стали на базе марки Ст3, которые имеют повышенную прочность и хладостойкость и могут применяться взамен марганцовистых сталей. Эти стали не вошли в ГОСТ 27772-88, а поставляются по разработанным металлургическими комбинатами техническим условиям, например [2, 3, 4 ]. Европейский стандарт EN 10113 определяет общие требования к мелкозернистым сталям повышенной категории качества. В части 2 этого стандарта даны марки и классы качества нормализованных сталей (N) и условия их поставки; в части 3 - соответственно то же для сталей, подвергнутых термомеханической обработке (М). Эти стали специально предназначены для производства тяжелонагруженных частей в таких конструкциях, как мосты, затворы шлюзов, складские хранилища, водонапорные башни и т.д. Указанные части конструкций работают при климатических или более низких отрицательных температурах.