1.5. Высокопрочные стали с карбонитрвдным упрочнением с феррито-нерлитной микроструктурой
Возможность повышения прочности строительной стали, связанная с измельчением ее микроструктуры, появилась в связи с применением на металлургических заводах новых термодеформационных режимов горячей прокатки и освоением термической обработки готового проката. Разработаны три основных способа упрочнения с одновременным измельчением микроструктуры: горячая обработка давлением с большими обжатиями при пониженных температурах - контролируемая прокатка; термическая обработка с ускоренным охлаждением от высоких температур - закалка, часто с последующим отпуском; специальное микролегирование в сочетании с термической обработкой - карбонигридное упрочнение. Известны также комбинации этих основных способов.
В нашей стране для производства высокопрочной стали нашли применение все три способа. Однако наибольшее распространение получил способ карбонигрид-ного упрочнения [29, 30]. В этом способе, основанном на введении в сталь небольших добавок сильных карбидо- и нигридообразующих элементов с обязательной термической обработкой, упрочнение за счет образования дисперсных выделений карбонитридов удачно совмещается с сильным измельчением зерна стали, что позволяет при значительном возрастании механической прочности сохранить и даже существенно повысить сопротивление хрупкому разрушению. Способ экономичен и не ухудшает свариваемости, так как повышение прочности и хладостойкости достигается при весьма ограниченных добавках карбидо- и нигридообразующих элементов, в сумме не превышающих 0,2 % по массе.
Согласно результатам некоторых работ для упрочнения низколегированной феррито-перлигной строительной стали могут бьггь использованы карбиды и нитриды ряда элементов: алюминия, ванадия, ниобия, тантала, берилия, лантана, молибдена и вольфрама. Однако из экономических и технологических соображений в России для этой цели были использованы карбонигриды ванадия и нитриды алюминия. При ЭТОМ небольшие добавки карбидо- и нигридообразующих элементов: ванадия, алюминия и азота вводятся при выплавке в рядовую низколегированную сталь типа 14Г2, содержащую до 1,2-1,7 % марганца.
Готовый прокат подвергают термической обработке - нормализации, включающей нагрев до 890-950 °С, при котором в стали формируются дисперсные частицы карбонитридов диамет-
ром 10"2-10"1 мкм, сдерживающие рост зерна при нагреве и резко измельчающие микроструктуру. Карбонигридное упрочнение, обеспечивая особо мелкозернистую микроструктуру со средним диаметром зерна феррита 5-12 МКМ (10-12 баллов) по шкале ГОСТ 5639-82*, мало зависящую от толщины проката (рис. 1.4), позволяет получать сталь с высоким пределом текучести > 400-450 МПа и низкой температурой хрупкости (рис. 1.5 и 1.6) [30].
50 40
20 10
у
- 4
-«я
10 20 30 40 Толщина, мм
Рис. 1.4. Зависимость величины зерна феррита от толщины листов строительной стали разных марок 1 - СтЗкн; 2 - СтЗсн; 3 - 09Г2С и 10Г2С1; 4 - 16Г2АФ завода "Азовсталь" из литых слябов НЛМЗ (светлые точки) и катанных слябов КМЗ (темные точки); 5 - 16Г2АФ производства ОХМК
600 1 400
I 300 I 200
□
□ □
LT
iS""-
4
\ о
о 4 □ 5 6
\ i
10 12
14 16 d
-1/2 -1/2
, MM
Рис. 1.5. Зависимость предела текучести от величины зерна феррита толстолистовой стали разных марок 1 - СтЗкп; 2 - СтЗпс; 3 - СтЗсп; 4 - 09Г2С и 10Г2С1; 5 - 16Г2АФ из литых слябов НЛМЗ; 6 - 16Г2АФ из катанных слябов КМЗ; 7 - 16Г2АФ производства ОХМК
т,„,°с
1,4 1,6
2,2 2,4
Рис.1.6. Зависимости температуры хрупкости Tso от величины зерна феррита толстолистовой стали разных марок (обозначения те же, что и на рис.1.5.)
В табл. 1.20 приводится химический состав, а в табл. 1.21 механические свойства по ГОСТ 19282-73* для трех марок отечественной листовой высокопрочной феррито-перлитной стали с карбонитридным упрочнением, используемой в металлоконструкциях.
Таблица 1.20. Химический состав феррито-перлитных сталей с карбонитридным упрочнением
Сталь марки
Массовая доля элементов, %
Си 2
14Г2АФ(Д)
0,12-0,18
0,3-0,6
1,2-1,6
< 0,4
< 0,3
(0,15-0,3)
0,07-0,12
0,015-0,025
15Г2АФДПС
0,12-0,18
До 0,17
1,2-1,6
<0,3
<0,3
0,2-0,4
0,08-0,15
0,015-0,03
16Г2АФ(Д)
0,14-0,2
0,3-0,6
1,3-1,7
< 0,4
< 0,3
(0,15-0,3)
0,08-0,14
0,015-0,025
1 Массовая доля фосфора в стали должна быть не более 0,035%, серы - не более 0,04%; по требованию потребителя массовая доля фосфора должна бьггь не более 0,03%, серы - не более 0,035%.
2 Стали, для которых марка условно обозначена с буквой Д в скобках, по требованию потребителя дополнительно легируются медью; в этом случае буква Д вводится в марочное обозначение.
3 В готовом прокате допускаются отклонения по химическому составу, указанные в табл. 1.17
Таблица 1.21. Механические свойства ферриго-перлитных сталей с карбонигридным упрочнением в листовом прокате
Временное
Предел
Относительное
Ударная вязкость KCU, Дж/см
Испытание на
Толщина
сопротивление
текучести,
удлинение 65,
при температуре "С
изгиб в ХОЛОД-
Марка стали
проката, мм
разрыву, МПа
-ь20 после механического старения
НОМ состоянии на 180° при ди-
Не менее
аметре оправки
До 5
d=2a
14Г2АФ(Д)
От 5 ДО 10
d=2a
От 10 ДО 32 вкл.
d=2a
Св.32 ДО 50 вкл.
d=2a
До 5
d=2a
15Г2АФДПС
От 5 ДО 10
d=2a
От 10 ДО 20 вкл.
d=2a
Св.20 ДО 32 вкл.
d=2a
До 5
d=2a
16Г2АФ(Д)
От 5 ДО 10
d=2a
От 10 ДО 32 вкл.
d=2a
Св.32 ДО 50 вкл.
d=2a
Примечание. По требованию потребителя значения временного сопротивления разрыву не должны превышать 690 МПа для стали марок 14Г2АФ(Д) и 15Г2АФДНС и 780 МПа для стали марки 16Г2АФ(Д).
