Теория

Глава IV Низколегированные строительные стали

Одним из эффективных путей снижения расхода стали и повы­шения долговечности различных сооружений и конструкций является применение низколегированной стали взамен простой углеродистой. Под низколегированной сталью, или сталью повы­шенной прочности, условимся понимать экономнолегированные ста­ли, используемые в народном хозяйстве (машиностроении, на тран­спорте, строительстве) в горячекатаном состоянии или в состоя­нии после нормализации. Присутствие в составе низколегирован­ных сталей дорогостоящих или дефицитных элементов допускается только при использовании соответствующих природнолегирован­ных руд: никеля -— при использовании руд Орско-Халиловского месторождения, ванадия — при работе на Качканарских рудах.
К низколегированным сталям, кроме повышенной прочности, обычно предъявляются требования пониженной склонности к ста­рению, повышенной хладнопрочности, хорошей свариваемости, нередко — повышенной износостойкости в условиях абразивного изнашивания, а также коррозионной стойкости в разнообразных газовоздушных средах. Чисто технологические требования (обра­батываемость, штампуемость) завершают разнообразный комплекс противоречивых требований, предъявляемых к таким сталям.
Наибольшее применение низколегированные стали получают в железнодорожном транспорте (вагоны, думпкары, цистерны), в мостостроении, в судостроении (под названием - корпусная сталь), в гражданском и промышленном строительстве, в автотрак­торостроении, в строительстве магистральных газо- и нефтетрубопроводов.

3. Выбор хладнопрочной стали и оценка ее надежности

Наиболее распространенным способом оценки хладноломкости стали является испытание надрезанных образцов на ударный из­гиб при различных температурах, разработанный Н. Н. Давыденковым и его школой. Кроме этого способа, нередко пользуются оценкой излома стали путем определения температуры, при кото­рой появляются первые кристаллические участки на волокнистом фоне излома или когда определенная площадь излома (чаще всего половина) становится кристаллической. Совершенно очевидно, что различие в принятых критериях может привести к значитель­ным расхождениям в оценке склонности стали к хладноломкости. Нередки и такие случаи, когда относительно высоким значениям ударной вязкости отвечает кристаллический вид излома и, наобо­рот, когда волокнистому излому отвечают относительно низкие значения ударной вязкости.
Какая сталь лучше, какая более надежна в работе? Можно привести много доводов в защиту совершенно противоречивых взглядов, существующих на этот счет в литературе. Не имея та­кой возможности, сформулируем некоторые положения, проверен­ные многолетним опытом работы машиностроительной промышлен­ности.
1. Все критерии оценки хладноломкости условны, так как, из­меняя масштабный фактор, характер надреза и условия деформи­рования (скорость нагружения), можно резко изменять и вид из­лома и значения работы разрушения.
2. Многообразные концентраторы (конструктивные и техно­логические), свойственные реальным деталям, как и все приемы их упрочнения, а также сложнонапряженные условия работы, как правило, охрупчивают конструкционные стали, вязкие и хладно­прочные при стандартных условиях испытания.

Влияние термической обработки на хладноломкость

Термическая обработка, изменяя тонкую и микроскопическую структуру, оказывает важное влияние на хладноломкость стали. Частично ее роль уже была показана в предшествующих пара­графах настоящей главы. Уже одно увеличение величины аустенитного зерна без изменения всех остальных элементов структуры стали приводит к повышению температуры перехода от вязкого типа разрушения к хрупкому примерно на 15—20° на каждый балл шкалы ГОСТ. Чем более неоднородно будет внутризеренное строение стали, предопределяющее, согласно П. О. Пашкову, нео­днородность деформации и деформированного состояния, тем от­четливее будет проявляться хрупкость стали. П. О. Пашков и В. А. Братухина следующим образом оценивают влияние структуры на склонность стали к хрупкости (табл. 15). И хотя легирование ста­ли и вносит свои поправки и изменения, характерные для каждого легирующего элемента, но в принципе эта классификация верна.

Влияние состава стали на хладноломкость

Химический состав и чистота стали в отношении вредных и так называемых случайных примесей являются важнейшими факто­рами, определяющими склонность стали к хладноломкости. Как правило, все элементы, входящие в состав стали, охрупчивают ее по сравнению со свойствами, которые можно было бы ожидать от железа высокой чистоты. Особенно резко охрупчивают сталь такие элементы, как углерод, кислород, азот, олово, сурьма и фосфор; последние три — наиболее активно в присутствии и с возрастанием содержания углерода и марганца. Охрупчивающее влияние этих элементов последовательно возрастает с увеличением их содержа­ния в стали.
Другие элементы, как например марганец, никель, кремний, алюминий, хром, молибден, вольфрам, бор, церий оказывают бо­лее сложное влияние на динамическую вязкость стали и склон­ность ее к хладноломкости в зависимости как от их содержания в стали и общего ее состава, так и условий ее термической обра­ботки. Иными словами, влияние этих элементов носит отчетливо экстремальный характер: в определенных пределах содержания они улучшают свойства стали, а затем по достижении максимума ухудшают их.
Характеристика влияния большинства легирующих элементов оказывается тесно связанной со структурой стали, с условиями предшествующей ее обработки. Так, например, одни и те же эле­менты (Мо, Si, В) в одних и тех же сталях (низкоуглеродистых, низ­колегированных) могут значительно понижать температуру пе­рехода от вязких разрушений к хрупким после закалки и низкого отпуска и повышать температуру перехода после улучшения (за­калки и высокого отпуска).
Ухудшение ударной вязкости стали и возрастание ее склон­ности к хладноломкости с увеличением содержания того или иного элемента чаще всего бывает связано со следующими причинами:

Глава II. Хладноломкость стали

Все многообразие видов разрушения деталей машин и элемен­тов сооружений можно классифицировать на следующие основные группы: усталостные, вязкие, хрупкие, коррозионно-эрозионные, выход из строя ввиду изнашивания трущихся поверхностей. Из всех этих групп разрушения наиболее опасными являются хрупкие разрушения, коварная особенность которых состоит в их внезапности, в чрезвычайно большой скорости распространения трещин, приближающейся к скорости взрыва. К числу таких раз­рушений относятся аварии мостов в Бельгии и Канаде (Квебек, 1951 г.), разлом пополам на штормовой волне транспортных су­дов типа «Либерти» (США), хрупкие разрушения газопроводов, газгольдеров и других сооружений. Хрупкие разрушения отдель­ных деталей отмечаются также при эксплуатации тракторов, тя­гачей, экскаваторов, скреперов и других машин и механизмов.В отработанных конструкциях и при продуманной технологии термической обработки деталей наиболее частой причиной хрупких разрушений является повышенная чувствительность свойств ма­териала, и прежде всего динамической вязкости, к снижению тем­пературы рабочей среды. Отсюда, важность установления общих закономерностей изменения пластических свойств стали со сниже­нием температуры, что имеет особо актуальное значение в настоя­щее время при значительном расширении географии машиноиспользования.
Напомним, что если еще недавно тракторы рассматривались только как машины сельскохозяйственного назначения с сезонным графиком их работы, то сейчас значительная часть тракторов ис­пользуется в народном хозяйстве круглый год как мощное сред­ство механизации трудоемких работ. В тундре Сибири, в таежных лесах дальнего Севера, на скалистых и песчаных почвах великих новостроек, во льдах Арктики, в 80-градусный холод работают сейчас гусеничные тракторы, и эти новые, более суровые условия эксплуатации требуют, чтобы применяемые для их изготовления ма­териалы не были бы склонны к хрупким разрушениям при работе на холоде.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства закаленной и отпущенной стали

Под мартенситом — структурой закаленной стали современное металловедение понимает пересыщенный твердый раствор углерода и a-железе. Внедрение атомов углерода в объемноцентрированную решетку приводит к возникновению целого ряда неоднородностей в тонкой структуре сплава: искажению решетки, дроблению зерен на фрагменты, измельчению блоков, увеличению степени их раз-ориентировки.

Влияние легирующих элементов на однородность состава и структуры сплава

Сплавы, применяемые в технике, в отличие от идеальных-неоднородны и несовершенны как по составу, так и по своему строению: макро-, микро- и тонкой структуре. Величина, характер и степень равномерности в распределении этих несовершенств и определяет свойства реальных металлов и сплавов, их поведение в процессах обработки, их прочность и работоспособность в конкретных условиях службы деталей.

Легирующие элементы и прокаливаемость стали

Под прокаливаемостью понимается способность стали воспринимать закалку, а под глубиной прокаливаемости — расстояние от поверхности закаленного изделия до слоя со структурой, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита. Кроме подавления перлитно-трооститного распада, хорошая прокаливаемость стали предполагает подавление у ответственных конструкционных сталей также бейнитного превращения, протекающего при температурах 450—300°. «Нет более важной характеристики термически обрабатываемой стали, чем прокаливаемость» — писал Бейн.

Влияние легирующих элементов на величину зерна и склонность его к росту при нагревании

Подавляющее большинство технологических процессов горячей механической, термической и химико-термической обработок (гомогенизация, нормализация, цементация, закалка) сопровождается изменением величины зерна аустенита. Рост зерен аустенита при нагревании стали выше верхней критической точки является естественным и самопроизвольным процессом, в основе которого заложено стремление всякой системы к уменьшению свободной энергии, в данном случае — поверхностной.

Влияние легирующих элементов на критические точки железа и стали

Легирующие элементы оказывают важное влияние на положение критических точек железа и стали, на протекание полиморфных превращений. Под полиморфизмом, как известно, понимается способность некоторых элементов, например углерода, серы, железа, марганца, титана, и др., и веществ образовывать разные по симметрии, форме и свойствам кристаллы. Общеизвестным примером такого полиморфизма являются две кристаллические формы (модификации) углерода — графит и алмаз.

Страницы