«Ответы на вопросы материаловедению»

 

1. Перлитное превращение в сталях

а. Процесс возникновения кристаллов, составляющих перлит, контролируется диф­фузионным механизмом.

б. Схематическое изображение превраще­ния аустенита в перлит – см. рис.:

 

в. Образование перлита в доэвтектоидных сталях. Доэвтектоидное образование феррита при T≤Ar₃ в случае достаточного переохлаждения может идти по сдвигово­му механизму с образованием видмаштеттовой структуры. При T<Ar₁ происходит эвтектоидный распад оставшегося непре­вращенным аустенита в перлит. В сталях с содержанием 0,8% С (эвтектоидные) при T≤Ar₁ происходит только эвтектоидный распад аустенита в перлит. В сталях с со­держанием углерода >0,8% (заэвтектоидные) вначале происходит предэвтектоидное образование Fe₃C при T≤Ar_сm, а затем при T≤Ar₁ –эвтектоидный распад непревра­щенного аустенита в перлит.

г. Межчастичное расстояние S. Расстоя­ние S в перлитной структуре – это f (ΔТ). Межчастичное расстояние (в мкм) умень­шается с увеличением ΔТ по эмпирической зависимости: S = 15/ΔТ для углеродистой стали.

 

д. Межчастичное расстояние в различных перлитных структурах:

 

 

 

 

 

Пример сорбито-трооститной структуры – см. рис.:

Вырожденный (или аномальный) перлит. Аномальное структурообразование проис­ходит в результате превращения при тем­пературах, близких (чуть ниже) к равно­весным, т.е. при незначительном переох­лаждении. Представляет собой обособлен­ные и достаточно крупные поля феррита и скопления также обособленных карбидов (в перлитных участках). В случае смягча­ющего отжига такая структура является желательной, во всех других случаях – она нежелательна (участки с пониженной твер­достью и прочностью). Способствуют обра­зованию такой структуры Ni, Si, Mo. Пре­пятствуют Мn, Сг, Со, Аl.

 

 

2. Строительные стали

Углеродистые стали, применяемые не­посредственно после прокатки, в некоторых случаях после последующей нормализации, для которых гарантируются только предел текучести и временное сопротивление.

Стандарт TGL 7960.

Укрупненная классификация:

Группа качества 1. Минимальные требо­вания по чистоте (Р, S, N); содержание Si и Мn не гарантируется; обычно томасовская сталь.

К этой группе относятся: St33, St34, St38, St38, St42, St50, St60, St70.

Группа качества 2. Стали, к которым предъявляются несколько более высокие требования, обычно или мартеновские, или выплавленные в кислородном конверторе, или дополнительно обработанные (синте­тические шлаки, рафинирование) конвер­торные стали. Повышенные требования по чистоте в отношении Р, S, N; гарантирован­ные значения ударной вязкости при 20°С.

К этим сталям относятся, например: St 34u-2; St 34hb-2; SI 34b-2; St 38u-2; St 38hb-2; St 38b-2- St 42u-2; St 42hb-2; St42b-2; S150-2, St 60-2; St 70-2.

Группа качества 3. Стали, к которым предъявляются специальные –требования и которые используются для изделий слож­ной конфигурации, сложно нагруженных сооружений, особых условий эксплуатации. У этих сталей предполагается повышенная опасность хрупкого разрушения. Поэтому наряду с высокой чистотой по Р, S, N, Си, Сr, Ni должны быть гарантированы значе­ния ударной вязкости до температуры –40°С. Для получения нестареющей и к тому же мелкозернистой стали необходимо специальное раскисление (например, алю­минием).

К этим сталям относятся: St34-3; St38-3; St42-3; St52-3.

Стали получают обычными сталеплавиль­ными процессами.

Технические характеристики строитель­ных сталей общего назначения

а. Механические свойства. Приведенные в табл. 1 данные относятся ко всем видам сталеплавильных процессов и способам раскисления, а также ко всем группам ка­чества.

б. Свариваемость. Свариваемость строи­тельных сталей общего назначения ограни­чивается содержанием углерода, которое должно быть ≤0,22% (по анализу плав­ки). При более высоком содержании угле­рода требуются специальные мероприятия (например, подогрев), так как при сварке; вследствие повышения твердости в результате подкаливания может возникнуть повышенная опасность хрупкого разрушения строительных сталей.

 

                                                                                          Таблица   1

 

Марка стали	σв	σs(min)	δ5(min) %
St33	33	–	22
St34	34-42	22	31
Sf38	38–44	24	25
St42	42–49	26	23
St50	50–58	28	19
St52	52–62	36	22
St60	60–68	32	14
St70	70–75	37	10

 

 

Термическая    обработка      строительных сталей общего назначения: нормализация в интервале   820–920°С    (в   зависимости от содержания углерода); отжиг (нагрев) для снятия напряжений при 600–650°С.

Применение.

Группа качества 1. Клепаные и закреп­ленные на винтах (болтах) конструкции. Статически нагруженные сварные конструкции.

 

Группа качества 2. Кипящая   сталь   для сварных     конструкций     (температура экс­плуатации   >–25°С).   Стыковые соединения материала толщиной ≤12 мм. Угловые сварные швы (в зависимости от степени их ответственности  и температуры  эксплуатации). Полуспокойная сталь    при    толщине материала   ≤20   мм   (когда  эту   сталь  используют вместо спокойной стали).

Спокойная     сталь – для всех остальных конструкций.

Группа качества 3. Для гнутых конструкций с большой степенью холодной деформации,  которые   при   температуре эксплуата­ции   25°С  испытывают динамические на­грузки. Для конструкций, эксплуатируемых с высокой скоростью нагруження. Для всех – динамически   нагружаемых   сварных   конст­рукций  при  толщине  материала   ≤40  мм.

Низколегированные строительные стали

Низколегированные    строительные стали в отличие от аналогичных    сталей    общего назначения    содержат    повышенные количества   таких   легирующих элементов, как Si, Мп, Сr, и применяются в горячедеформированном  или  нормализованном  состоя­ниях   (в зависимости от требуемых значе­ний   временного   сопротивления и предела текучести).     Стали       имеют     повышенные прочностные   характеристики   при   ограниченной свариваемости.

К низколегированным строительным сталям  относятся    стали,    легированные Мn: 19 Мn3;     9 Мn6;     14 Мn6;     Мn     и     Si: 18 MnSi 6; 25 MnSi 6; Mn, Si и Cr: 14MnCrSi 4 30 MnCrSi 6.

Выплавляются обычными методами (по выбору изготовителя).

Технические характеристики

а. Стандартом TGL14509 гарантируются минимальные значения механических свойств (в зависимости от толщины про­ката), приведенные в табл. 2.

 

 

                                                                         Таблица   2

 

Высокопрочные свариваемые   строительные стали

Высокопрочные свариваемые мелкозерни­стые стали в горячекатаном и нормализо­ванном состояниях, применяемые в виде труб, листов или прутков вместо обычных строительных сталей. Применение высоко­прочных строительных сталей позволяет об­легчить конструкции и экономить металл.

Стандарт TGL 22426.

Классификация; St45/60A – легирован­ная титаном. Для профилей толщиной (диа­метром) ≤8 мм в прокатанном состоянии; St45/60B – легированная титаном. Для труб, прутков и листов толщиной (диамет­ром) ≤6 мм; St45/60 С – легированная ва­надием и азотом. Для толстых листов толщиной ≤50 мм.

Выплавка    в   мартеновской   печи   или   в электропечи.

Технические характеристики. Оговарива­ются следующие свойства:

а. Временное сопротивление 57–70 кгс-мм-² в зависимости от состояния при поставке и марки стали.

б. Предел текучести 43–45 кгс-мм-² в зависимости от толщины (диаметра) для всего сортамента.

в. Удлинение – в пределах от 18 до 20%.

г. Испытания на загиб. Образцы, ото­бранные от всего сортамента, должны вы­держивать изгиб на 180° вокруг оправки, имеющей двойной диаметр (толщину), без образования трещин.

д. Способность к загибу кромки (отбортовке). Гарантируется для толстых листов.

е. Ударная вязкость. В TGL приводятся гарантированные минимальные значения для стальных прутков и листа при темпе­ратурах от +20 до –60°С, составляющее в зависимости от марки стали и вида тер­мической обработки 3,0–7,0 кгс-м-см-².

ж. Жаропрочность. Для толстого листа из St45/60C гарантируется предел текуче­сти при температурах от 100 до 400 °С 25–39 кгс-мм-².

з. Свариваемость. Стали должны быть пригодны для сварки оплавлением, для стыковой, контактной сварки.

Термическая обработка. Стальные трубы и прутки из сталей St45/60B и С поставля­ются в отожженном состоянии; профили из стали S145/60A – после горячей прокатки.

Применение – мосты; опоры; грузоподъ­емные устройства; шахтные вагонетки; подъемные механизмы; транспортные уст­ройства; цистерны; трубопроводы; сельско­хозяйственные машины; строительные кон­струкции.

 

 

3. Испытание на усталость

 

Испытания с приложением периодической нагрузки. Определение числа циклов при заданном напряжении, приводящих к раз­рушению, или предельного напряжения, ни­же которого разрушения не происходит ни при каком (для стали 10-10⁶) числе цик­лов (предел выносливости), или напряже­ния, которое после заданного числа циклов (например, 10⁵) ведет к разрушению (пре­дел ограниченной выносливости). Остаточ­ную деформацию измеряют только в спе­циальных случаях.

Данное испытание является важнейшим для выбора материала (и/или размеров) деталей машин и транспортных средств, так как материал в условиях циклического нагружения иногда может разрушаться да­же при напряжениях ниже технического предела упругости (текучести). Определя­емое значение предела циклической проч­ности (выносливости), полученное в усло­виях нагружения в направлении прокатки, нужно уменьшить на 20%, когда нагружение идет перпендикулярно направлению прокатки. Надрезы, шероховатость поверх­ности сильно снижают предел циклической прочности (предел выносливости). Кроме того, влияет и размер деталей конструк­ций (размер образцов).

Нагружение образцов может быть од­ноступенчатым и многоступенчатым. Кро­ме того, проводят эксплуатационные испы­тания деталей на усталостную прочность.

Характер переменного нагружения боль­шей частью бывает синусоидальным.

Виды нагружения: растяжение – сжатие; циклический изгиб; плоский изгиб; знако­переменное закручивание.

Испытания регламентируются TGL 19330; 19333; 19336; 19340.

Усталость – снижение прочности мате­риалов при повторяющемся (циклическом) нагружении. Возникает особый вид усталостного разрушения.

Излом состоит из:

а) участка усталостной трещины: глад­кая, без макроскопически видимой дефор­мации поверхность, часто с линиями (бо­роздками), похожими на годовые кольца; эти линии (бороздки) отражают интервалы продвижения трещины между циклами на­гружения;

б) долом – окончательное разрушение с макроскопически шероховатой поверхно­стью.

Электронномикроскопические исследова­ния обнаруживают на плоскости зароды­шевой трещины тонкий рельеф, который связан с подрастанием трещины во время каждого отдельного цикла:

а) растяжение↔сжатие или односторон­нее изгибное циклическое нагружение;

б) двустороннее изгибное знакоперемен­ное нагружение;

в) усталостное разрушение турбинной лопатки с двумя зародышевыми трещина­ми.

Общий вид диаграммы усталостной прочности: