книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

При температуре 250—400 °С (синее каление) в углеродистых и некоторых низколегированных сталях может происходить явление, выражающееся аналогично старению в повышении прочности, пониже­ нии пластичности и падении ударной вязкости. Это явление получило название синеломкости стали. Деформирование стали при температу­ рах, вызывающих появление характерного синего цвета, недопустимо, так как в этом состоянии сталь делается особенно хрупкой. Синелом­ кость стали тем больше, чем выше содержание фосфора и прочих вред­ ных примесей, т.е. синеломкость — явление того же типа, что и старе­ ние. Склонность стали к синеломкости определяют испытанием на ударную вязкость образцов, подогретых до температуры 250—400 °С.

Наклеп и рекристаллизация

Наклеп. Рассмотрим процессы деформации, протекающие в металле при действии, например, растягивающих напряжений. Начальные дефор­ мации Д/ всегда упругие, их значение находится в прямой зависимости от напряжения. На рис. 43 упругая деформация характеризуется кри­ вой АО и ее продолжением (пунктир). Выше точки предела упругости А напряжение вызывает не упругую, а остаточную пластическую дефор­ мацию. Если нагрузка превысила условный предел текучести а0>2 и вы­ звала напряжение ffj, то после разгрузки в металле остается пластиче­ ская деформация, равная величине а (остаточное удлинение). При на­ гружении металла вновь его способность к пластической деформации

уменьшается на величину а%а предел текучести увеличивается и будет равен Oi, т.е. потребуются большие напряжения, чтобы вызвать новую

пластическую деформацию. Упрочнение металла под действием холод­ ной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. Дальнейшее нагружение выше Ci приведет к появлению новой остаточ­ ной пластической деформации и повышению предела текучести и т.д., пока металл не потеряет способность пластически деформиро­ ваться (образовывать сдвиги в кристаллах). Тогда дальнейшее увеличе­ ние напряжения вызовет разрушение металла.

'Упрочнение металла при холодной пластической деформации про­ исходит в результате искажения кристаллической решетки, увеличения плотности дислокаций и сдвигов одной части кристалла по отноше­ нию к другой по дислокационной схеме (см. рис. 36). При сдвигах де­ лятся на части блоки кристаллической решетки внутри зерен (дробят­ ся блоки мозаики), зерна становятся вытянутыми, ориентированными в направлении деформации. Чем больше была степень пластической де­ формации, тем более высокое сопротивление будет оказывать металл при воздействии на него внешних сил, тем выше будут его предел те­ кучести, предел прочности и твердость при одновременном снижении пластичности и вязкости (рис. 44).

Рекристаллизация - явление укрупнения зерен микроструктуры

72

Рис 43. График зависимости растягиваю­ щих напряжений О стали от вызываемой ими деформации 8 при последователь­ ном нагружении и разгружении

Рис. 44. График изменения механичес­ ких свойств стали с содержанием 0,27 % углерода в зависимости от степени пла­ стической деформации:

при нагреве стали после наклепа. После пластической деформации ме­ талл находится в неустойчивом состоянии из-за искажения его кристал­ лической структуры. Поэтому в нем самопроизвольно, должны про­ изойти явления, возвращающие металл в структурно более устойчивое состояние с течением времени. Нагрев наклепанного металла приводит к ускорению протекания этих п|юцессов.

При небольшом нагреве (дляже­ леза температура 300—400 °С) про­ исходит снятие искаженной решетки в результате незначительного переме­ щения атомов. Этот процесс называ­ ется возвратом или отдыхом метал­ ла. Причем твердость и прочность ме­

не происходит. При более высоком нагреве атомы металла приобретают

73

способность к значительным перемещениям, что приводит уже к рез­ кому изменению его микроструктуры (рост зерен) и механических свойств (рис. 45). Минимальная температура, при которой резко начи­ нают изменяться микроструктура и свойства пластически деформирован­ ного металла, называется температурой рекристаллизации.

Процесс рекристаллизации протекает в два этапа:

первичная рекристаллизация при минимальной температуре, ког­ да мелкие зерна, вытянутые вследствие пластической деформации, превращаются в беспорядочно ориентированные зерна округлой фор­ мы;

вторичная (собирательная) рекристаллизация при более высокой температуре, заключающаяся в увеличении размеров отдельных зерен за счет мелких.

Окончательный размер кристаллов зависит не только от темпе­ ратуры процесса, времени выдержки, но и степени деформации.

Для изготовления газонефтепроводов, резервуаров, газгольдеров и других строительных конструкций сталь поступает в основном в го­ рячекатаном состоянии и всегда имеет в той или иной степени сле­ ды остаточной пластической деформации. Далее этот металлподвер­ гают холодной деформации методами вальцевания, рулонирования и другими при изготовлении заготовок шаровых и цилиндрических ре­ зервуаров; методами вытяжки, волочения или обжатия при изготов­ лении арматурной стали и т.д. При этом неизбежно происходит изме­ нение структуры и свойств вследствие механической деформации.

С учетом явлений наклепа и рекристаллизации в производстве заготовок для резервуаров и других строительных конструкций рег­ ламентируют, например, допускаемые радиусы изгиба в зависимости от размеров изготовляемых изделий, а также ограничивают степень полосчатости стали, поставляемой с металлургических заводов, конт­ ролируют размеры зерна в зоне термического влияния сварных швов конструкций по шкале микроструктур и т.д.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.По каким признакам классифицируют сталь для строительных конст­ рукций?

2.Что такое кипящая, спокойная и полуспокойная сталь?

3.По каким признакам характеризуется качество стали? На какие виды де­ лится сталь по качеству?

4.Какие неметаллические включения присутствуют в стали и как оценива­

взависимости от количества легирующих элементов?

7.Что характеризуют механические свойства стали? Дайте понятие о показа­ телях прочности, твердости, пластичности, ударной вязкости, усталости?

74

8. Что характеризуют технологические свойства? Какими видами испытаний их определяют?

9.Что такое наклеп? Его влияние на структуру и свойства стали?

10.Что такое рекристаллизация стали? Как изменяются структура и свойст­ ва стали на различных стадиях рекристаллизации?

11.Дать понятие о хрупком и вязком разрушении стали.

12.Что такое сопротивление стали хрупкому и вязкому разрушению? Дать математическое выражение оценки хрупкого и вязкого разрушения.

13.Какие факторы влияют на склонность стали к хрупкому разрушению?

14.Какие методы оценки склонности стали к хрупкому разрушению Вы знаете? Их особенности и применение?

15.Что такое старение стали? Какой применяют метод оценки склонности

стали к старению?

Глава 3

ВИДЫ СТАЛЕЙ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ИДЕТАЛЕЙ СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫХ МАШИН

13.УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Сталь углеродистую обыкновенного качества поставляют в горячеката­ ном состоянии в виде листов, полос, а также фасонного и сортового проката, главным образом для строительных конструкций.

Взависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь подразделяют на три группы:

A, поставляемая по механическим свойствам (табл. 4) и применяемая для несварных нагруженных деталей машин и конструкций;

Б, поставляемая по химическому составу (табл. 5) и предназначенная для термически обрабатываемых, кованых, сварных и других неответ­ ственных деталей машин и конструкций;

B, поставляемая по механическим свойствам и химическому составу и применяемая для сварных ответственных строительных конструкций.

Вкаждую из этих групп входят определенные марки стали. Сталь маркируют буквами Ст и условными номерами 1, 2, 3 и т. д. Сталь групп Б и В обозначают дополнительно этими буквами. Сталь группы А имеет марки СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4,Ст5, Стб; группы Б - БСтО, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСтб и группы В - ВСт1, ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСт5.

Чем больше номер марки, тем выше прочность, но ниже пластичность стали. Исключением являются марки СтО и БСтО, которые соответ­ ствуют наиболее загрязненной примесями ( Р, S и др.) стали с содер­ жанием до 0,23 % С (некондиционная сталь). Например, сталь марки

Ст1сп имеет временное сопротивление ав = 320 -г 420 МПа, относи-

75

Таблица 4

Механические свойства при'растяжении и условия на изгиб в холодном состоянии углеродистой стали обыкновенного качества

Примечание, d - диаметр оправки; а - толщина образца.

тельное удлинение 65 = 34%; сталь марки Стбсп - ав = 600 МПа и 65 = 15 %, т. е. характеристики свойств повышаются почти в два раза с 1 по 6 марку стали.

Сталь бывает спокойной, полуспокойной и кипящей, поэтому в марки добавляют соответственно индексы: сп, пс и кп. Кипящую сталь изготов­ ляют только с 1 по 4 марку всех групп, например, Ст1кп, ВСт4кп и другие; полуспокойная и спокойная сталь —любой марки.

В зависимости от числа гарантируемых характеристик сталь постав­ ляют по категориям 1, 2 и т. д.

Сталь группы А имеет три категории: 1 - гарантируются ов и 6; 2 - то же и испытание на изгиб; 3 - то же и предел текучести дх. В марке стали указывают номера категорий —2 и 3 (СтЗсп2, СтЗспЗ) и не ука­ зывают номер категории 1 (СтЗсп, Ст2кп). Химический состав стали группы А отмечают в сертификате (паспорте) па сталь, но не гаранти­ руют.

Сталь группы Б поставляют по двум категориям: 1 —гарантируется

больше помер марки стали, 1 ем выше в ней содержание углерода. На­ пример, БСт1сп содержит 0,06-0,12 % С, а БСтбсп —0,38-0,49 % С.

Сталь группы В поставляют по шести категориям: 1 —гарантируются химический состав, механические свойства ав и 6 й испытание на изгиб;

туре —20 °С.

Для строительных конструкций наиболее широко применяется сталь категории 5, например ВСтЗсп5. Она имеет следующий химический со­ став: 0,14-0,22 % С; 0,4-0,65 % Мп; 0,12-0,3 % Si, менее 0,04 % Р и менее 0,05 % S. Ее механические свойства: ав = 380 + 490 МПа; ат 230 МПа; 65 > 20 %; KCU+20 > 0,7 МДж/м2; KCU_2o > 0,3 МДж/м2; KCU после механического старения не менее 0,3 МДж/м2 и удовлетворительное испытание на изгиб на угол 180° вокруг оправки d = 0,5 а.

Сталь марок ВСтЗсп5, ВСтЗспб и ВСтЗпс5 применяют для изготовле­ ния резервуаров, газгольдеров и других конструкций средних и малых размеров, газонефтеироводов малых диаметров, арматурной стали и т. д. Сталь углеродистую обыкновенного качества используют также и для деталей строительно-монтажных машин, например, Ст1 для изготовления неответственных деталей: опор, шайб, прокладок, рам и т. д.; Ст2 для изготовления заклепок,анкерных болтов и т. д. Для шкивов, муфт, заглушек, корпусов редукторов, а также болтов применяют СтЗ. Из Ст4 изготовляют крюки, тяги, клинья, а также крепежные детали насосов,

78

Таблица 6

Ударная вязкость углеродистой стали обыкновенного качества группы В категорий 3,4,5 и 6

компрессоров; из Ст5 - пальцы, втулки, плашки зажимов, болты; из Стб - промежуточные валы, стропы, ролики передвижных агрегатов, втулки, шкивы и т. д.

В зависимости от предъявляемых требований к деталям машин про­ водят их упрочнение. Ст1, Ст2, СтЗ обычно подвергают химико-терми­ ческой обработке (цементация, цианирование и т. д.) с последующей закалкой и низким отпуском при температуре 160-180 °С, что позволяет получать высокую прочность, твердость, износоустойчивость на поверх­ ности стальных деталей в сочетании с пластичной сердцевиной. СтЗ, Ст4, Ст5 подвергают нормализации или закалке с высоким отпуском при температуре 550-650°С для улучшения механических свойств. Закалка с высоким отпуском позволяет получать наиболее благоприятное сочета-

79

Т а б л и ц а 7.

Механические свойства стали категории 2 углеродистой качественной конструкц­ ионной

ние прочности, пластичности и вязкости, поэтому такое упрочнение реко­ мендуется для деталей машин, работающих также и в северных усло­ виях. После термического улучшения, например, для СтЗ гаранти­ руется KCU _ 4 о не менее 0,3 МДж/м2

Сталь углеродистую качественную конструкционную поставляют

ющих марок: спокойная - 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп - пониженной прокаливаемости), 60 диаметром или толщиной до 250 мм и 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 70Г диаметром или толщиной до 60 мм (в марке индекс ,,сп” не ставят); кипящая и полуспокойная 05кп, 08кп,08пс, Юпс, Юкп, 11кп,15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20пс.

8 0