СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Модифицирование структуры и свойств стали

Свойство железоуглеродистых сплавов испытывать фазовые превращения при кристаллизации и повторном нагревании - охлаждении, изменять структуру и свойства под влиянием термоме­ханических и химических воздействий и примесей-модификаторов широко используется в металлургии для получения металлов с за­данными свойствами.

При разработке и проектировании стальных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, технологического оборудования и машин (автоклавов, обжигательных печей, мельниц, напорных и без Напорных трубопроводов различного назначения, металлоформ для изготовления строительных изделий, строительных машин и др.) не обходимо учитывать климатические, технологические и аварий­ные условия их работы. Низкие отрицательные температуры пони­жают порог хладноломкости, ударную вязкость и вязкость разруше­ния. Повышенная температура снижает модуль упругости, временное сопротивление разрыву, предел текучести, что отчетливо проявляет­ся, например, при пожарах. При 600 °С сталь, а при 200 °С — алюми­ниевые сплавы полностью переходят в пластическое состояние, и конструкции, находящиеся под нагрузкой, теряют устойчивость. Вот почему незащищенные металлические конструкции обладают срав­нительно небольшой огнестойкостью. Технологическое оборудова­ние — котлы, трубопроводы, автоклавы, металлоформы, а также ар­матура железобетонных конструкций, постоянно подвергающиеся в процессе производства циклическому нагреву-охлаждению в интер­вале температур 20-200 °С и более, испытывают термическое старе­ние и низкотемпературный отпуск, усугубляемые часто коррозией, которые необходимо учитывать при выборе марок стали для кон­кретных целей.

Основными способами модифицирования структуры и свойств стали, применяемыми в металлургии, являются:

-— введение в расплавленный металл веществ, образующих ту­гоплавкие соединения (карбиды — ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды — A1N; оксиды — (Cr, Fe)203, (Al, Fe)203), являющиеся центрами кри­сталлизации;

— введение легирующих элементов, повышающих прочность кристаллических решеток феррита и аустенита, замедляющих диф­фузионные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислокаций;

— термическая и термомеханическая обработка стали.

Они направлены главным образом на измельчение зерен охлаж­денной стали, снятие остаточных напряжений и повышение ее хими­ческой и физической однородности. В результате повышаются ов, tfo,2, Kic, KCU, а_1, прокаливаемость стали; снижаются твердость, по­рог хладноломкости, отпускная хрупкость, склонность к термиче­скому и деформационному старению, улучшаются пластические свойства стали. Ниже рассмотрены специфические особенности ука­занных способов.

Легирующие элементы вводят в конструкционные стали в коли­честве: Сг — 0,8-1,1%; Ni — 0,5-4,5%; Si — 0,5-1,2%; Мп — 0,8-1,8%. Элементы W — 0,5-1,2%; Мо — 0,15-0,4%; V — 0,1-0,3%; Ті — 0,06-0,12%; В — 0,002-0,005% и другие вводят в сталь в сочетании с Сг, Ni и Мп для дополнительного улучшения ее свойств. Являясь кар­бидообразующими элементами, они одновременно служат добавками - модификаторами, обеспечивающими зарождение и измельчение зерна стали при кристаллизации расплава.

В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывают буквами и цифрами, стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента; отсутствие цифр означает, что оно не превышает 1,5%. Принятые обо­значения легирующих элементов: А — азот, Б — ниобий, В — вольф­рам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, К — кобальт, Н — никель,

М — молибден, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ч — редкоземельный, Ю — алюминий. Содержание углерода указывают двузначными цифрами, приводимыми в начале марки стали в сотых долях процента. Напри­мер, марка стали I2XH3A означает, что в ней содержится в среднем 0,12% С, до 1-1,5% Сг, 3% Ni и до 1% N. При суммарном содержании легирующих элементов до 2,5% стали относят к низколегированным, от 2,5% до 10% — к среднелегированным, свыше 10% — к высоколе­гированным. Легирующие элементы образуют с железом твердые рас­творы замещения, растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа; образуют специальные карбиды, например легированный це­ментит (Fe, Сг)3С, а при высоком содержании — интерметаллические соединения — FeCr, FeV, Fe3Ti и др.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите и аустените, уменьшают размер зерна и частиц карбидной фазы. Наиболее сильно тормозят рост зерен аустенита и продуктов его распада модификато­ры: Ті, Nb, Zr, V и N, образующие труднорастворимые карбиды. Располагаясь по границам зерен, они затрудняют их рост, диффузию углерода и других легирующих элементов и повышают устойчивость аустенита к переохлаждению. Поэтому низколегированные стали имеют мелкозернистую структуру и более высокие качественные показатели. Особенно заметно упрочняют сталь легирующие эле­менты Ni, Мп и Si.

Термическая и термомеханическая обработка яв­ляются распространенными способами модифицирования структуры и улучшения свойств стали. Различают следующие их виды: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Отжиг включает процессы гомоге­низации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений.

На рис. 7.7 представлены температурные области различных ви­дов отжига.

Гомогенизации подвергают слитки легированной стали при 1100— 1200 °С в течение 15-20 ч для выравнивания химического состава, уменьшения дендритной и внутрикристаллической ликвации, вызы­вающей хрупкий излом при обработке стали давлением, анизотропию свойств, образование флокенов и крупнозернистой структуры.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа деформированного металла путем нагрева его выше темпе­ратуры порога рекристаллизации (0,4-0,57Тпл), выдержки при этой температуре и охлаждения. Различают холодную и горячую (теп­лую) деформации. Холодную проводят при температуре ниже поро­га рекристаллизации, а горячую — выше, обычно при 0,7-0,757 Тпл
(Тпл — температура плавления по абсолютной шкале температур). Рекристаллизация при холодном деформировании называется стати­ческой, а при горячем — динамической, характеризующейся оста­точным «горячим наклепом», полезно используемым для закалки с прокатного нагрева. При статической рекристаллизации происходит резкое снижение ов, Оо,2 и НВ наклепанного материала и повышение 5 и г|/, что необходимо для холодной деформации (прокатки, штам­повки, волочения).

Отжиг для снятия оста­точных напряжений осуще­ствляют при 550...650 °С в течение нескольких часов. Он предотвращает коробле­ние сварных изделий после резания, правки и т. д.

Нормализация преду­сматривает нагрев сортово­го проката из до - и заэвтек - тоидной конструкционной стали до температуры на 40...50 °С выше точек Асз и Act, непродолжительную выдержку и охлаждение на воздухе. Она вызывает пол­ную фазовую перекристал­лизацию стали, снимает внутренние напряжения, повышает пластичность и ударную вязкость. Ускорен­ное охлаждение на воздухе приводит к распаду аусте­нита при более низких тем­пературах. Нормализация широко применяется для улучшения свойств низко­углеродистых строительных сталей, заменяя отжиг. Для среднеуглеродистых и леги­рованных сталей она соче­тается с высоким отпуском

при температурах ниже порога рекристаллизации.

Закалка иотпуск предусматривают улучшение прочностных и пластично-вязких свойств стали, снижение порога хладноломкости и чувствительности к концентраторам напряжений.

Закалка заключается в нагреве стали на 30...50 °С выше точки АСз для доэвтектоидных или ACi для заэвтектоидных сталей, вы­держке до полной аустенизации стали и охлаждении ее со скоро­стью, обеспечивающей переход аустенита в мартенсит. Послед­ний представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe. Перестройка кристаллической решетки y-Fe в a-Fe происхо­дит без выделения избыточных атомов углерода из аустенита. По­этому, кристаллическая решетка мартенсита сильно искажена и ис­пытывает напряжения, обусловленные особенностями строения и увеличением удельного объема мартенсита по сравнению с аустени - том на 4...4,25%. Мартенсит хрупок, тверд и прочен (НРС 65, HV 960, ов = 1000 МПа при С <0,015% и ов = 2600-2700 МПа при С = 0,6-0,8%). Однако достаточно полное мартенситное превраще­ние возможно только для высокоуглеродистых и легированных ста­лей, обладающих повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита. В низкоуглеродистых и низколегированных конструкци­онных строительных сталях она мала и поэтому при закалке, даже при быстром охлаждении водой мартенсит либо не образуется, либо образуется в меньшем количестве в сочетании с бейнитом. При бы­стром охлаждении низкоуглеродистых строительных сталей (С < 0,25%) (закалка с прокатного нагрева) происходит распад аусте­нита и образование высокодисперсной феррито-цементитной струк­туры перлита-сорбита и троостита или низкоуглеродистого мартен­сита и цементита. Такая структура получила название — бейнит. Он имеет повышенную прочность, твердость и выносливость по сравне­нию с продуктами распада аустенита в перлитной области — сорби­том и трооститом, при сохранении высокой пластичности, вязкости и пониженном пороге хладноломкости. Упрочнение стали закалкой с прокатного нагрева обусловлено тем, что динамическая рекристал­лизация при прокатном нагреве проходит неполно, и бейнит унасле­дует высокую плотность дислокаций, образовавшихся в деформиро­ванном аустените. Сочетание пластической деформации стали в ау - стенитном состоянии с закалкой и отпуском позволяет значительно увеличить ее прочность (ов = 2200...3000 МПа), пластичность и вяз­кость (5 = 6...8%, |/ = 50...60%); устранить склонность к отпускной хрупкости, которая наблюдается при среднетемпературном отпуске легированной стали при 300...400 °С.

Отпуск является заключительной операцией термической сб - работки стали, после которой она приобретает требуемые свойства. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки Ась выдержке при заданной температуре и охлаждении с оп­ределенной скоростью. Цель отпуска — снижение уровня внутрен­них напряжений и повышение сопротивления разрушению. Разли­чают три его вида: низкотемпературный (низкий) с нагревом до 250 °С; среднетемпературный (средний) с нагревом в интервале 350- 500 °С и высокотемпературный (высокий) с нагревом при 500- 600 °С.

Старение углеродистой стали проявляется в изменении ее свойств во времени без заметного изменения микроструктуры. По­вышаются прочность, порог хладноломкости, снижается пластич­ность и ударная вязкость. Известны два вида старения — термиче­ское и деформационное (механическое). Первое протекает в резуль­тате изменения растворимости углерода и азота в a-Fe в выделения избыточных фаз (карбидов и нитридов) из феррита в зависимости от температуры. Скопление атомов С и N на дислокациях и выделение третичного цементита из пересыщенного твердого раствора феррита, ускоряемое повышенной температурой (50-150 °С), и является при­чиной термического старения.

Деформационное (механическое) старение протекает после пла­стической деформации при температуре ниже порога рекристалли­зации. Основной причиной этого вида старения является также ско­пление атомов С и N на дислокациях, затрудняющее их движение. С фактами возникновения отпускной хрупкости и старения стали строители сталкиваются при электротермическом способе натяже­ния арматуры в процессе изготовления преднапряженных железобе­тонных конструкций.