Лабораторная работа № 1 3. Структура и свойства сварных соединений низколегированных сталей

Цель работы: ознакомление смикроструктурой и свойствами низколегированных конструкционных сталей, областью их применения.

Низколегированные стали содержат до 0,2 % С и до 2—3 % легирующих элементов.

Легирующие элементы, вводимые в сталь, образуя с железом, углеродом и другими элементами твердые растворы и химические соединения, изменяют ее свойства. Это повышает механические свойства стали и, в частности, снижает порог хладноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций.

Наличие марганца в сталях повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. По сравнению с другими сталями марганцовистые стали позволяют получать сварные соединения более высокой прочности при знакопеременных и ударных нагрузках. Введение в стали небольшого количества меди (0,3—0,4%) повышает стойкость стали против коррозии (атмосферной и в морской воде). Наличие в сталях легирующих элементов (которые растворяются в феррите и замедляют диффузионные процессы) тормозит процесс распада аустенита при охлаждении и действует равносильно некоторому увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в зоне термического влияния на участках где металл нагревается выше температур точки А_С1, могут образовываться закалочные структуры. При сварке термических упрочненных сталей на участках рекристаллизации и синеломкости может произойти отпуск металла, характеризующийся структурой сорбита отпуска, с понижением его прочностных свойств. Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусматривать минимальную возможность появления в зоне термического влияния закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших толщин. При сварке термически упрочненных сталей следует принять меры, предупреждающие разупрочнение стали на участке отпуска. Сварка горячекатаной стали способствует появлению закалочных структур на участках перегрева и нормализации. Термическая обработка низколегированных сталей — чаще всего закалка с целью повышения их прочности при сохранении высокой пластичности, усложняет технологию их сварки. На участках рекристаллизации и синеломкости происходит разупрочнение стали под действием высокого отпуска с образованием структур преимущественно троостита или сорбита отпуска. Это разупрочнение тем больше, чем выше прочность основного металла в результате закалки.

Околошовная зона, где наиболее резко выражены явления перегрева и закалки, служит вероятным местом образования холодных трещин. Таким образом, получение при сварке низколегированных сталей, особенно термоупрочненных, равнопрочного сварного соединения вызывает некоторые трудности и поэтому требует применения определенных технологических приемов (сварка короткими участками нетермоупрочненных сталей и длинными участками термоупрочненных и др.).

Обычно не имеется затруднений, связанных с возможностью образования холодных трещин, вызванных образованием в шве или околошовной зоне закалочных структур. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное содержание марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин в указанных зонах повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях предупреждение трещин достигается предварительным подогревом до 120—200 °С. Низколегированные стали не намного дороже углеродистых, но по сравнению с ними имеют лучший комплекс механических свойств, повышенную хладостойкость, пониженную склонность к старению, лучшую свариваемость, повышенную износостойкость и коррозионную стойкость.

Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением. Легирование низкоуглеродистых марганцовистых сталей (0,015—0,025 % N, 0,10— 0,20 % V, около 0,1% Ti, а также ~0,05 % А1) создает предпосылки для выделения дисперсных включений карбонитридов ванадия, ниобия, титана или нитридов алюминия.

Дисперсные включения V(С, N), Nb(С, N), A1N, во-первых, тормозят диффузию атомов при нагреве до 1280 °С (для обработки давлением), тем самым, препятствуя росту зерна аустенита (зерно сохраняется в пределах № 10—12), во-вторых, тормозят движение дислокаций в процессе пластической деформации. В совокупности эти факторы значительно повышают прочность, вязкость и хладостойкость.

Доля собственно дисперсного упрочнения составляет около 15—25%, а доля упрочнения от измельчения зерна—30—40 %.

Наибольшая ударная вязкость при отрицательных температурах достигается в стали с содержанием 0,10— 0,15% V. Наиболее рациональным является совместное легирование несколькими карбидо- и нитридообразующими элементами, например 0,08V + 0,03Nb, а в сталях, содержащих азот, 0,10 V + 0,04 % А1. С учетом этого положения разработаны основные марки стали с карбонитридным упрочнением: 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ. После нормализации эти стали имеют предел текучести соответственно 400, 450, 500 МПа, в сочетании с высокими ударной вязкостью и хладостойкостью. Дополнительное легирование стали никелем (до 2 %) способствует сохранению высоких характеристик пластичности и вязкости при низких температурах.

Легирование алюминием позволяет снижать размер зерна в горячекатаных, нормализованных и улучшенных сталях (за счет образования A1N, тормозящего диффузию и препятствующего росту зерен при нагреве).

Из низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением изготовляют металлоконструкции промышленных зданий, ответственные сварные конструкции, в том числе северного исполнения, пролетные строения железнодорожных и крупных автодорожных мостов, платформы автомобилей большой грузоподъемности (до 120 т) и др.

Стали 14Г2АФ и 16Г2АФ применяют, как правило, в нормализованном состоянии. Свойства сталей после нормализации определяются степенью растворения в аустените упрочняющих фаз при нагреве, величиной зерна и процессами выделения высокодисперсных упрочняющих фаз из пересыщенного твердого раствора при охлаждении. В связи с тем, что дисперсные частицы повышают не только прочность, но и вязкость (ограничивая рост зерна), нормализованный прокат разной толщины мало различается по ударной вязкости и хладостойкости (обычно эти свойства стали в горячекатаном состоянии сильно зависят от толщины листов).

Повышенной хладостойкостью (до —100 °С) обладает сталь 14Г2АФ в виде тонких листов, а сталь 12ГН2МФАЮ — при толщине листов до 40 мм.

Хорошей свариваемости низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением способствует низкое содержание углерода и легирующих элементов, ограниченная склонность к росту зерна.

Пониженная закаливаемость в околошовной зоне определяет меньшую склонность к образованию трещин в сварных соединениях. Стали типа 14—16Г2АФ свариваются без ограничений при условии практически мгновенного охлаждения. Однако, при малых скоростях охлаждения происходит рост зерен, снижается ударная вязкость и повышается порог хладноломкости в околошовной зоне. Применяют ручную, автоматическую и полуавтоматическую сварку, в том числе в атмосфере защитных газов.

Стали с карбонитридным упрочнением легко подвергаются механической обработке и холодной обработке давлением, что определяется их высоким запасом пластичности. Применение этих сталей дает большую экономию металла: до 30 % — по сравнению с обычными низколегированными сталями 10Г2С1 и 14Г2; и до 50 % — по сравнению с конструкциями из углеродистой стали ВСт З.

Особенно перспективны дешевые стали 14Г2АФ и 16Г2АФ, широко используемые в виде относительно тонкостенных электросварных труб диаметром 152— 420 мм для промышленных строительных сооружений и изделий машиностроения, эксплуатируемых в северных условиях.

Низколегированные малоперлитные стали — это стали с очень низким содержанием углерода. Они содержат до 0,1 % С, до 2 % Мп и дополнительно в разных сочетаниях V ≈ 0,1 %, Nb≈ 0,06 %, а иногда и Мо ≈ 0,2 % (может присутствовать алюминий до 0,05 %). Благоприятное сочетание свойств получается при содержании легирующих элементов в стали не более 2—3%. Ванадий, ниобий, алюминий и частично молибден участвуют в образовании дисперсной упрочняющей фазы на основе углерода и азота (дисперсных включений карбонитридов V(С, N), Nb(С, N), MoN, и нитридов A1N). Эти стали используют для конструкций различного назначения. Их применяют взамен низколегированных нормализованных и термически упрочненных сталей для изготовления сварных конструкций в судо- и мостостроении, транспортном и химическом машиностроении, строительстве и трубопроводном транспорте для передачи нефти и газа. Высокий комплекс механических свойств, хорошие свариваемость и формуемость позволяют использовать малоперлитные стали для изготовления таких ответственных конструкций, как магистральные газопроводы, эксплуатируемые в районах Севера.

Влияние микролегирования наиболее эффективно реализуется в малоперлитных сталях при контролируемой прокатке. В результате такой обработки высокая прочность сочетается с высоким сопротивлением вязкому и хрупкому разрушению. Контролируемая прокатка — это высокотемпературная обработка, основанная на определенном сочетании основных параметров горячей деформации: температуры нагрева; суммарной степени деформации и ее величины при различных температурах, скорости охлаждения между проходами и т. д. В процессе прокатки с контролируемым режимом деформации структурные изменения в деформируемом металле протекают в три стадии.

На первой стадии (> 950 °С) в процессе деформации происходит рекристаллизация; на второй стадии (< 950 °С) сталь упрочняется вследствие измельчения структуры (в процессе нормализации) и повышения плотности дислокаций в процессе наклепа; на третьей стадии (≈ 800 °С) происходит выделение дисперсных избыточных фаз (V(С, N), Nb(С, N), MoN, A1N) при распаде пересыщенного твердого раствора.

Условия нагрева должны обеспечивать максимальное растворение компонентов, вызывающих образование в дальнейшем дисперсных частиц избыточной фазы в процессе распада пересыщенного твердого расвора. Для получения хладостойкого проката температура начала прокатки должна быть ≈ 1200 °С. На завершающем этапе обработки деформация проводится в диапазоне температур А_с3 –А_с1 (≈ 800 °С) при суммарной деформации ≥ 66 %.

После контролируемой прокатки листы толщиной до 32 мм имеют следующие механические свойства: σ_0,2= 490 МПа; σ_в ≈ 600 МПа; δ = 24 %; KCU = 1,0 МДж/м² при 100% волокна в изломе ударных образцов при 0°С.

Ударная вязкость повышается примерно в 2 раза по сравнению с ее значением после обычной прокатки и приближается к значению, соответствующему ударной вязкости нормализованной стали.

Дополнительное применение термического упрочнения при изготовлении листового проката из малоперлитных сталей способствует повышению их прочностных свойств до 40 %, что обеспечивает более экономное расходование проката.

Малоперлитные стали с карбонитридным упрочнением (типа 09Г2ФБ) после контролируемой прокатки низколегированных строительных сталей имеют максимальную конструктивную прочность и наиболее низкую температуру полухрупкости (Т₅₀ = —70 °С).

Получение такого комплекса свойств этих сталей обусловлено их мелкозернистостью (зерно 11—12) и наличием дисперсных карбонитридов V(С, N); Nb(С, N) или A1N (рисунок 13.1).

 

 

Рисунок 13.1- Микроструктуры углеродистой, низколегированной и низколегированной малоперлитной сталей

Контрольные вопросы

 

1. Укажите преимущества и недостатки углеродистых сталей.

2. Какие свойства стали при сварке улучшает наличие марганца?

3. Укажите отличительную особенность марок низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением.

4. Укажите отличительную особенность марок низколегированных малоперлитных сталей.

 5. Объясните структурные изменения, происходящие на каждой стадии контролируемой прокатки.

6. Укажите технологические и эксплуатационные свойства сталей с карбонитридным упрочнением и малоперлитных сталей, области рационального их применения.

Задание по работе

1. Сравнить микроструктуры низкоуглеродистых и низколегированных сталей, измерить их твердости и объяснить отличие физико-механических свойств;

2. Для предложенных образцов низкоуглеродистых и низколегированных сталей, определить размеры типовых зон сварного соединения.