Состав и свойства сталей. Состав и свойства сталей

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА "ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА"

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

"ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ПЛАВЛЕНИЕМ"

ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОДГОТОВКИ 7.05050401 "СВАРКА"

(СПЕЦИАЛЬНОСТИ 7.092301 "ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ СВАРКИ")

(ДНЕВНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ)

КРАМАТОРСК, 2013

Глава 1 СВАРКА НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ БЕЙНИТНО-МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

Состав и свойства сталей

Высокопрочные стали, предназначенные для сварных конструкции долж-ны обладать хорошей пластичностью, высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению и удовлетворительной свариваемостью. Необходимый комплекс технологических свойств сталей с ⁼ 580 ... 780 МПа обеспечивается структу-рой, которая формируется в процессе мартенситного или бейнитного превраще-ний и определяется легированием и термообработкой.

Основные марки низкоуглеродистых бейнитно-мартенситных сталей: 13ХГМРБ, 14Х2ГМ, 14ХГН2МДАФБ, 12Г2СМФАЮ. 12ХГН2МФБДАЮ, 12ХГНЗМАФД-СШ и др.

Оптимальные механические свойства и высокую сопротивляемость хруп-кому разрушению при отрицательной температуре они приобретают после за-калки или нормализации и последующего высокого отпуска. Механические свойства этих сталей приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Механические свойства некоторых марок сталей(не менее)

Марка стали	Толщина, мм	0,2» МПа	МПа	б5, %	KCU, Дж/см?
-40 °С	-70о('
13ХГМРБ	10 ...50
14Х2ГМРБ	10...50					—
14Х2ГМРЛ	>40					-
14Х2ГМ	3...30					-
12Г2СМФАЮ	10...32					-
12ГН2МФАЮ	16...40				-
12ХГН2МФБАЮ	16...40				—
12ХГН2МФБДАЮ	20 ...40				-
12ХГН2МФДРА	4... 20					-
14ХГН2МДАФБ	3 ... 50				39*	-
14ХГ2САФД	16...40					__
12ГНЗМФАЮДР-СШ	4...40				78*	59*
1 2ХГНЗМАФД-СШ	3 ... 50				-
14ХГНМДАФБРТ	6... 20

КСV

Хорошее сочетание свойств имеют стали, содержащие 0,4 ... 0,6 % Мо и 0,002 ... 0,006 % В с добавкой других легирующих элементов, что обес­печивает получение стабильной бейнитной или мартенситной структуры. Применяются также безникелевые стали, содержащие 0,15 ... 0,3 % Мо и 0,002 ... 0,006 % В (12Г2СМФАЮ), которые уступают сталям типа I4Х2ГМРБ по хладостойкости, и стали с небольшим количеством азота (0,02 ... 0,03 %) и нитридообразующих элементов - алюминия, ванадия, ниобия (12ГН2МФАЮ). Наличие мелкодис-персных нитридов в стали способствует уменьшению их склонности к росту аустенитного зерна при сварке.

Особенностью рассматриваемых сталей является низкое содержание уг-лерода (до 0,2 %), что способствует получению необходимых показателей плас-тичности, вязкости и свари­ваемости. При этом значительно возрастает роль ле-гирую­щих элементов в формировании свойств высокопрочной стали и сварно-го соединения.

Легирование должно обеспечить требуемую прокаливаемость и достаточ-ную сопротивляемость стали разупрочнению при отпус­ке и сварочном нагреве. Требуе­мая прокаливаемость низко­углеродистой стали достигается при неболь-шом легировании марганцем, хромом, молибденом и никелем. Из используе-мых легирующих элементов лишь молибден и ванадий эффективно задержива-ют разупрочнение закаленной стали при отпуске.

С точки зрения повышения прокаливаемости стали при сравнительно низком содержанииуглерода и легирующих элементов эффективны микро-добавки бора в количестве 0,001...0,006 %. Это открывает возможности умень-шения содержания легирующих элементов в стали. В сочетании с 0,15...0,5 % Мо бор обеспечивает получение устойчивой к разупрочнению бейнитно-мар-тенситной структуры метал­ла зоны термического влияния в широком диапа-зоне режи­мов сварки.

Наилучшее сочетание свойств имеют стали, содержащие 0,4...0,6 % Мо, 0,002...0,006 % В с добавкой других леги­рующих элементов. При наличии в стали указанных коли­честв молибдена и бора и при соответствующей обработ-ке обеспечивается получение стабильной бейнитной или мартенситной струк-туры в листовом прокате толщиной до 150 мм(стали 14Х2ГМРБ и др.(табл.1,2)

Эффективно введение в высокопрочные низколегирован­ные стали небо-льших количеств азота (0,02...0,03 %) и нитридообразующих элементов –алю-миния, ванадия, ниобия или циркония. По механическим свойствам и хладос-тойко­сти нитридосодержащие высокопрочные стали превосходят стали такого же химического состава, изготовленные по обычной технологии. Наличие мел-кодисперсных нитридов в стали способствует уменьшению их склонности к росту аустенитного зерна в условиях длительной выдержки при высоких тем-пературах и к старению после механической де­формации, что особенно важно для свариваемых сталей. Поэтому нитридосодержащие стали весьма перспек-тивны для сварных конструкций. На практике хорошо зарекомен­довала себя нитридосодержащая высокопрочная сталь 12ГН2МФАЮ.

Оптимальные механические свойства и высокую сопро­тивляемость хруп-кому разрушению при низких температурах высокопрочные стали приобретают после закалки на марте­нсит от температуры 900...950°С и высокого отпуска при 600...680°С. В нормализованном состоянии высокопрочные низколегированные стали имеют структуру пластинчатого низкоуглеродистого бейнита и недоста-точно стойки к хруп­кому разрушению.

При изготовлении ответственных сварных конструкций наиболее широ-кое применение находях высокопрочные стали14Х2ГМРБ,14Х2ГМРЛ,14Х2ГМ и 12ГН2МФАЮ (табл. 3).Эти стали обеспечивают практически одинаковый уровень механических свойств ( > 588 МПа, Однако в за-висимости от толщины металла они несколько отличаются по показателям хла-достойкости. Наименее леги­рованную безникелевую листовую сталь 14Х2ГМ изготов­ляют толщиной 3...30 мм. Дополнительное легирование нио­бием и бо-ром позволяет изготовлять сталь (марки 14Х2ГМРБ) толщиной до 50 мм. В состоянии поставки обе стали имеют высокие показатели прочности и хладо-стойко­сти. Сталь 14Х2ГМ толщиной до 20 мм применяют в металлоконструк-циях платформ автомобилей грузоподъемностью 75т и более. Стали14Х2ГМРБ, 14Х2ГМРЛ, 12ГН2МФАЮ, 13ХГНМФ и 14ХГН2МФ применяют в строитель-ных метал­локонструкциях, узлах экскаваторов, платформах желез­ных транс-портеров, напорных водоводах и др.

Примечание. Стали поставляют после закалки и высокого отпуска.

Производство литых деталей из стали 14Х2ГМРЛ освое­но для изготовле-ния значительного количества деталей ра­бочего оборудования карьерных и ша-гающих экскаваторов и других машин и механизмов.

Высокая хладостойкость высокопрочных сталей предо­пределяется техно-логией их изготовления, обеспечивающей получение мелкодисперсной струк-туры. Критическая тем­пература хрупкости сталей 14Х2ГМР, 12ГН2МФАЮ, 13ХГНМФ, оцениваемая по условиям KCU > 35 и KCV > > 25 Дж/см² (где KCU — образцы с полукруглым надре­зом, KCV — образцы с острым V-образным надрезом), ниже — 60° С. Эти стали обладают также повышенной сопротивля-емостью абразивному изнашиванию. Для повышен­ной сопротивляемости этому виду изнашивания высокопроч­ные стали поставляют после специальной тер-мообработки (закалка и низкий отпуск), обеспечивающей твердость HV = 350...400. Для многих конструкций важным показа­телем является усталостная прочность стали. Предел выно­сливости их составляет 55...60% временного сопротивления.