Лабораторная работа № 14. Структура и свойства сварных соединений легированных сталей, упрочняемых термообработкой

Цель работы: ознакомление смикроструктурой, методами упрочнения и свойствами легированных конструкционных сталей, применяемых для сварных металлоконструкций.

 

Двухфазные ферритно-мартенситные стали (ДФМС)

ДФМС — это низкоуглеродистые низколегированные стали, структура которых представляет собой мелкозернистую ферритную матрицу с 15—25 % мартенсита в виде отдельных островков. В структуре также может присутствовать небольшое количество остаточного аустенита, бейнита и дисперсных карбидов. Существует широкий набор ДФМС, различающихся по структуре и свойствам. Базовыми ДФМС являются стали типа 06ХГСЮ (0,05—0,08 % С; 1,1 — 1,4% Мn; 0,4—0,7% Сr; 0,3— 0,5% Si) и 06Г2СЮ (0,05—0,08 % С; 1,4—1,7% Мn; 0,4—0,6% Si).

Листовые ДФМС с высокой штампуемостью по составу близки к широко распространенным сталям типа 09Г2С; 09Г2; 09Г2Д; 10Г2С1 и т. п. (ГОСТ 19282—73). Основной вариант термической обработки для получения ферритно-мартенситной структуры — неполная закалка: нагрев до температур межкритического интервала (МКИ) А_С1— А_С3 с последующим охлаждением. Получение необходимого соотношения структурных составляющих ДФМС при термической обработке обеспечивается путем снижения (до 0,08—0,09 %) содержания углерода в стали, что позволяет уменьшить зависимость количества аустенита от температуры нагрева.

Конкретный режим термической обработки для получения ДФМС с требуемыми свойствами назначается в зависимости от состава стали с учетом параметров термического оборудования (скорости и продолжительности нагрева, средств охлаждения нагретой полосы, возможности проведения отпуска и т. д.). В общем случае температура нагрева должна соответствовать А_С1 + (60-90 °С); охлаждение от температур МКИ предпочтительно проводить с умеренными скоростями (5—30 °С/с) до 400—500 °С, что обеспечивает стабильность получения 15— 25 % мартенсита и лучшую пластичность и вязкость. При этом существует достаточно широкий интервал температур нагрева (40—80 °С), которые, в свою очередь, обеспечивают примерное постоянство структуры и прочностных свойств. Отпуск при 200 — 250 °С способствует повышению на 30 % всех механических свойств, в том числе и ударной вязкости.

Двухфазные ферритно-мартенситные стали предназначены для изготовления деталей холодной пластической деформацией (штамповкой, высадкой, вытяжкой, гибкой). Их окончательные прочностные характеристики формируются в процессе изготовления деталей — в результате упрочнения при деформации и последующего старения уже готовых деталей, например во время сушки лакокрасочного покрытия при 170—200 °С. Повышение прочности ДФМС в процессе деформации составляет в среднем 10 МПа на 1 % обжатия поперечного сечения. В критическом сечении суммарная (на всех операциях) деформация при изготовлении деталей методами холодной объемной штамповки для гарантированного обеспечения σ_в ≥ 800 МПа должна быть порядка 20—25 %. Механические свойства ДФМС после закалки и деформационного старения приведены в табл. 14.1.

 

Таблица 14.1-Механические свойства после термообработки

Марка стали	Термообработка	σв, МПа	σ0,2, МПа
06ХГСЮ	закалка и низкий отпуск	620	250
	деформация и старение	650	560
06Г2СЮ	закалка и низкий отпуск	650	310
	деформация и старение	700	610
09Г2	закалка и низкий отпуск	580	280
	деформация и старение	630	570

Поскольку предел выносливости определяется прочностными характеристиками, то ДФМС имеют определенные преимущества и при циклических испытаниях.

Сталь 09Г2 после обработки на двухфазную структуру имеет повышенный предел выносливости; одновременно примерно в 3—3,5 раза увеличивается число циклов до разрушения в области малоцикловой усталости. Соответствующие механические свойства при растяжении приведены в табл. 1.

Упрочнение ДФМС создают участки мартенсита: каждый 1 % мартенситной составляющей в структуре повышает временное сопротивление разрыву примерно на 10 МПа независимо от прочности и геометрии мартенситной фазы. Разобщенность мелких участков мартенсита и высокая пластичность феррита значительно облегчают начальную пластическую деформацию. Характерный признак ферритно-мартенситных сталей — отсутствие на диаграмме растяжения площадки текучести. При одинаковом значении общего и равномерного удлинения ДФМС обладают большей прочностью и более низким отношением σ_0,2/σ_в = (0,4—0,6), чем обычные низколегированные стали. При этом сопротивление малым пластическим деформациям (σ_0,2) у ДФМС ниже, чем у сталей с ферритно-перлитной структурой.

При любых уровнях прочности все показатели технологической пластичности ДФМС (σ_0,2/σ_в, δ, ψ, вытяжка полых изделий, прогиб, и т. д.), превосходят аналогичные показатели обычных сталей.

Повышенная технологическая пластичность ДФМС позволяет применять их для листовой штамповки деталей сложной конфигурации, что является существенным преимуществом перед другими высокопрочными сталями. Повышенная технологическая пластичность ДФМС позволяет применять эти конструкционные материалы не только в машиностроении, но также для металлоконструкций и крепежных деталей. Конкретное назначение, физические, механические и технологические свойства указанных сталей подробно рассмотрены в справочной литературе.

ДФМС удовлетворительно свариваются методом контактной точечной сварки. Предел выносливости для сварного шва при знакопеременном изгибе составляет 60 % от предела прочности основного металла.

Экономическая эффективность применения ДФМС определяется экономией массы изделий на 25 % и отсутствием необходимости проведения термической обработки для упрочнения изделий.

 

Высокопрочные среднелегированные стали

К группе среднелегированных высокопрочных сталей относятся стали 30ХГСН2А, 40ХСН2МА, 25Х2ГНТА. Эти стали выплавляются в электродуговых печах с последующим вакуумно-дуговым переплавом. Вид поставки — полуфабрикаты в виде поковок, прутков, листов, труб и др. профилей проката.

Рекомендуемые области применения — высоконагруженные детали (цилиндры, балки, работающие на срез оси и шпильки, сварные сосуды под большим давлением). Стали хорошо деформируются в горячем состоянии, свариваются дуговой ручной и автоматической сваркой в среде защитных газов или под флюсом. Сталь 30ХГСН2А сваривается также электронно-лучевой сваркой.

Основной тип сварного соединения — сварка встык. Тавровые соединения допускаются, однако при этом обязательно должно быть утолщение металла обоих «полок» таврового соединения. Утолщение металла в зоне шва рекомендуется и для стыковых соединений. Сварные швы размещаются вне зоны действия концентраторов напряжения, предусмотренных в чертежах. Сварка проводится до закалки и отпуска на заданный уровень прочности. Перед сваркой детали следует нагревать до температуры 200—300 °С; сразу же после сварки необходим отпуск при 200 — 250 °С в течение 3 ч во избежание появления трещин.

Среднелегированные высокопрочные стали подвергают механической обработке до закалки. Наилучшая обрабатываемость резанием достигается в состоянии низкотемпературного отжига с быстрым охлаждением на воздухе от 680—700 °С. Чистовую механическую обработку проводят после окончания термической обработки. После шлифования проводят отпуск при 200—300 °С. После сверления отверстий в отожженной стали необходимо удалять заусенцы и осуществлять развертывание или растачивание отверстий после полной термической обработки, снимая при этом поверхностный слой, окисленный при нагреве под закалку. Толщина окисленного слоя может достигать 20— 50 мкм. Значительно более толстый окисленный и обезуглероженный слой (до 300—500 мкм) остается после штамповки. Некоторые поверхности деталей сложной формы после штамповки не подвергаются механической обработке. В этом случае для обеспечения высокой усталостной прочности хорошие результаты дает интенсивное поверхностное пластическое деформирование (ППД), например дробеструйное. Перед ППД на штампованных поверхностях должны быть устранены грубые дефекты в виде запрессованной окалины, заковов и др. Резьбовые участки болтов или шпилек после термической обработки следует подвергать пескоструйной очистке.

Рекомендуемые режимы упрочняющей термообработки и свойства сталей. Для достижения высокой прочности среднелегированные стали подвергают обычной закалке на мартенсит и низкому отпуску при 220 — 250 °С, который улучшает пластичность, вязкость и особенно сопротивление разрушению при сохранении высокого уровня прочности. Во многих случаях еще более высокий комплекс этих свойств, определяющих конструкционную прочность стали, достигается в результате изотермической закалки на нижний бейнит, после которой структура стали состоит из нижнего бейнита и мартенсита. В ряде случаев после изотермической закалки проводят низкий отпуск, что улучшает сопротивление разрушению.

Стали имеют повышенную прокаливаемость: сталь 25Х2ГНТЛ — до 30 мм; сталь 30ХГСН2А — до 80 мм; для стали 40ХСН2МА размеры сечения не регламентируются.

Механические свойства сталей после различных вариантов упрочняющей обработки приведены в табл. 14. 2. Прочность среднелегированных сталей тем выше, чем больше в них содержание углерода, но при этом будет более низким показатель трещиностойкости, в том числе, сопротивление коррозии под напряжением. Поверхностное пластическое деформирование затрудняет образование трещины усталости, замедляет скорость роста малых трещин и значительно повышает сопротивление малоцикловой усталости. Для защиты от общей коррозии деталей из этих сталей применяют кадмирование, оксидное фосфатирование. Сопротивление коррозии под напряжением можно существенно повысить, применив в качестве финишной операции поверхностное пластическое деформирование: дробеструйное, пневмодинамическое, вибронаклеп и др.

 

Таблица 14.2-Механические свойства после термообработки

Марка стали	Термообработка	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	КСU, МДж/м2
25Х2ГНТА	Закалка и низкий отпуск	1500	1200	8	0,7
30ХГСН2А	Закалка и низкий отпуск	1750	1400	8	0,6
	Изотерм. закалка и низкий отпуск	1600	1170	10	0,9
40ХСН2МА	Закалка и низкий отпуск	2000	1500	8	0,35
	Изотерм. закалка и низкий отпуск	1900	1440	10	0,5

 

В ряде случаев эффект ППД тем выше, чем выше уровень достигаемых при этом остаточных напряжений и больше глубина наклепанного слоя. С этих позиций особенно эффективны обкатка, раскатка и алмазное выглаживание.

Поверхностное упрочнение увеличивает в 2—3 раза ресурс детали при малоцикловом нагружении; повышает предел выносливости при испытании на знакопеременный изгиб до 2 раз.

Прочность сварного соединения (встык) составляет 0,65 σ_в основного металла. Для выравнивания несущей способности рекомендуется местное усиление сварных швов с плавным переходом. После шлифования требуется отпуск при 200—230 °С в течение 3 ч. Сварные швы следует располагать вне зоны концентрации напряжений. Сталь 25Х2ГНТА можно применять и для цементуемых деталей.

 

Контрольные вопросы

1.Укажите особенности механической обработки среднелегированных высокопрочных сталей подвергаемых сварке.

2. Объясните сущность изотермической закалки и область ее применения для сварных соединений.

3. От чего зависит эффект поверхностно - пластической  деформации, какие свойства она повышает?

4. Укажите особенности технологических свойств и области применения двухфазных ферритно-мартенситных сталей.

5. Укажите особенности технологических свойств и области применения среднелегированных высокопрочных сталей, применяемых для сварных металлоконструкций.

 

Задание по работе

1. Зарисовать структуры предложенных образцов сварных соединений и сделать выводы о целесообразности применения указанных сталей в качестве материала для различных металлоконструкций.

2. Сравнить свойства (механические, технологические и эксплуатационные) ДФМСысокопрочных среднелегированных, методы термообработки и объяснить отличие физико-механических свойств;