Механические свойства стали при повышенных температурах
Термообработка, состояние поставки | Сечение, мм | s0,2, МПа | sB, МПа | d5, % | y, % |
Прутки. Закакла 1020-1100 °С, воздух, масло или вода. | 60 | 196 | 510 | 40 | 55 |
Прутки шлифованные, обработанные на заданную прочность. | 590-830 | 20 | |||
Прутки нагартованные | <5 | 930 | |||
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1000-1080 °С, вода или воздух. | >4 | 236 | 530 | 38 | |
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1050-1080 °С, вода или воздух. | <3,9 | 205 | 530 | 40 | |
Листы горячекатаные или холоднокатаные нагартованные | <3,9 | 880-1080 | 10 | ||
Поковки. Закалка 1050-1100 °С, вода или воздух. | <1000 | 196 | 510 | 35 | 40 |
Проволока термообработанная | 1,0-6,0 | 540-880 | 20 | ||
Трубы бесшовные горячедеформированные без термообработки. | 3,5-32 | 529 | 40 |
t испытания, °C | s0,2, МПа | sB, МПа | d5, % | y, % | KCU, Дж/м2 |
20 | 225-315 | 550-650 | 46-74 | 66-80 | 215-372 |
500 | 135-205 | 390-440 | 30-42 | 60-70 | 196-353 |
550 | 135-205 | 380-450 | 31-41 | 61-68 | 215-353 |
600 | 120-205 | 340-410 | 28-38 | 51-74 | 196-358 |
650 | 120-195 | 270-390 | 27-37 | 52-73 | 245-353 |
700 | 120-195 | 265-360 | 20-38 | 40-70 | 255-353 |
Аустенитные стали используют как жаропрочные при температурах до 600оС. Основными легирующими элементами являются Cr-Ni. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбидов Ti (для предупреждения межкристаллитной коррозии. Такая структура получается после закалки с температур 1050оС-1080оС). Стали аустенитного и аустенитно-ферритного классов имеют относительно небольшой уровень прочности (700-850МПа).
Рассмотрим особенности влияния легирующих элементов на структуру стали 12Х18Н10Т.
Хром, содержание которого в этой стали составляет 17-19%, представляет собой основной элемент, обеспечивающий способность металла к пассивации и обеспечивающий ее высокую коррозионную стойкость. Легирование никелем переводит сталь в аустенитный класс, что имеет принципиально важное значение, так как позволяет сочетать высокую технологичность стали с уникальным комплексом эксплуатационных характеристик. В присутствии 0,1% углерода сталь имеет при >900оС полностью аустенитную структуру, что связано с сильным аустенитообразующим воздействием углерода. Соотношение концентраций хрома и никеля оказывает специфическое воздействие на стабильность аустенита при охлаждении температуры обработки на твердый раствор (1050-1100оС). Кроме влияния основных элементов, необходимо учитывать также присутствие в стали кремния, титана и алюминия, способствующих образованию феррита.
Рассмотрим способы упрочнения стали 12Х18Н10Т.
Одним из способов упрочнения сортового проката является Высокотемпературная термическая обработка (ВТМО). Возможности упрочнения при помощи ВТМО исследовали на комбинированном полунепрерывном стане 350 производственного объединения «Кировский завод». Заготовки (100х100 мм, длиной 2,5 – 5 м.) нагревали в методической печи до 1150 – 1200оС и выдерживали при этих температурах 2-3 часа. Прокатку выполняли по обычной технологии; готовые прутки диаметром 34 мм поступали в закалочные ванны, заполненные проточной водой, где охлаждались не менее 90 с. Наибольшую прочность имел прокат, подвергнутый ВТМО при наименьших температуре деформации и промежутке времени от конца прокатки до закалки. Так, при ВТМО стали 08Х18Н10Т предел текучести увеличился на 45-60% по сравнению с его уровнем после обычной термической обработки (ОТО) и в 1,7-2 раза по сравнению с ГОСТ 5949-75; Пластические свойства при этом снизились незначительно и остались на уровне требований стандарта.
Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т упрочнилась больше чем сталь 08Х18Н10Т однако разупрочнение по мере увеличения температуры возрастало в большей степени вследствие снижения устойчивости стали против разупрочнения при повышении содержания углерода. Кратковременные высокотемпературные испытания показали, что более высокий уровень прочности термомеханически упрочненного проката, выявленный при комнатной температуре, сохраняется и при повышенных температурах. При этом сталь после ВТМО разупрочняется с повышением температуры, в меньшей степени, чем сталь после ОТО.
Хромоникелевые нержавеющие стали используют для сварных конструкций в криогенной технике при температуре до -269оС, для емкостного, теплообменного и реакционного оборудования, в том числе для паронагревателей и трубопроводов высокого давления с температурой эксплуатации до 600оС, для деталей печной аппаратуры, муфелей, коллекторов выхлопных систем. Максимальная температура применения жаростойких изделий из этих сталей в течение 10000 ч составляет 800оС, температура начала интенсивного окалинообразования составляет 850оС. При непрерывной работе сталь устойчива против окисления на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температурах <900оС и в условиях теплосмен <800оС.
Коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т используется для изготовления сварной аппаратуры в разных отраслях промышленности, а также конструкций, работающих в контакте с азотной кислотой и другими окислительными средами, некоторыми органическими кислотами средней концентрации, органическими растворителями, в атмосферных условиях и т.д. Сталь 08Х18Н10Т рекомендуется для сварных изделий, работающих в средах более высокой агрессивности, чем сталь 12Х18Н10Т и обладает повышенной сопротивляемости межкристаллитной коррозии.
Таким образом, благодаря уникальному сочетанию свойств и прочностных характеристик, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т нашла самое широкое применение практически во всех отраслях промышленности, изделия из этой стали имеют длительный срок службы и неизменно высокие характеристики в течение всего срока службы.
Источник
ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ
Механические свойства металла изменяются в зависимости от его температурного состояния. В процессе сварки металл подвергается нагреву до высоких температур, изменение которых происходит в широких пределах и в сравнительно короткое время.
Механические характеристики металла при высоких температурах нельзя считать полностью исследованными. Более обстоятельно изучены механические свойства металла в области упругих изменений. На фиг. 9 представлено изменение механических характеристик стали в зависимости от температуры при нагреве до 500—600° С [2].
Модуль упругости стали Е при нагревании постепенно понижается, а коэффициент теплового расширения а возрастает. В области температур упругих изменений стали произведение аЕ можем принять постоянным и равным (хЕ = 12 • 10-6 • 2,1 • 106^ = 25 кГ/см2.
Предел прочности стали оь с повышением температуры до 100°С несколько снижается, затем при дальнейшем нагреве повышается и имеет наибольшее значение в области температур 200—300°С. При нагреве от 300 до 500°С предел прочности стали, кроме жароупорной, постепенно понижается. При температуре выше 500°С предел прочности стали резко снижается, принимая при 600°С весьма низкие значения по сравнению с прочностью при обычных температурах.
Пластические свойства стали, характеризуемые относительным удлинением и поперечным сужением при разрыве, неск(элько снижаются в области температур 150—300° С. С увеличением температуры выше 300°С пластические свойства стали возрастают. Такой характер изменения пластических свойств стали показывает, что при большой скорости остывания закрепленного стального элемента его разрыв при температурах 150—300°С весьма вероятен. Этим объясняется целесообразность предварительного подо-
21
грева стали при сварке до 150—200° С, чтобы замедлить остывание после сварки.
Предел текучести стали ст с повышением температуры до 500° С несколько понижается, а затем при дальнейшем повышении температуры (свыше 500°С) резко падает, доходя почти до нуля при температуре 600°С.
Фиг. 9. Зависимость механических свойств стали от температуры.
В действительности предел текучести стали несколько повышается в области температур 150—300°С, затем постепенно понижается при нагреве до 500° С, а после этого резко падает (фиг. 10, пунктирная кривая). Ввиду малых значений предела текучести стали при температуре 600°С и выше, примем допущение, что предел текучести сталей, кроме жароупорной, при температуре 600° С и выше имеет нулевое значение (фиг. 11). Другими словами, будем считать, что при температуре 600°С и выше сталь находится только в пластическом состоянии, теряя полностью свои упругие свойства.
При охлаждении стали ниже нуля предел прочности и предел текучести повышаются, причем предел текучести приближается к пределу прочности.
При весьма низкой температуре сталь теряет пластические свойства, переходит в хрупкое состояние и становится хладно-
Фиг. 10. Зависимость предела текучести аг стали
от температуры:
1 — схематизированная диаграмма; 2 — действительная диаграмма.
бгшКГ/СМ>
Фиг. 11. Условная зависимость предела текучести стали от температуры:
1 — схематизированная диаграмма; 2 — условная диаграмма.
ломкой. Для каждого металла существует своя критическая температура, выше которой металл способен пластически деформироваться, а при температурах ниже критических металл теряет способность к образованию пластических деформаций и разрушается в виде хрупкого излома. Для стали критическая температура, ниже которой происходит хрупкое разрушение, находится в области — 65—160° С.
Помимо низких температур, на хрупкое разрушение стали большое влияние оказывает концентрация напряжений, вызванная
Фиг. 12. Работа излома стали при разных температурах; а — ненадрезанные образцы; б — надрезанные образцы.
надрезами и неровностями. Хрупкое состояние стали может быть вызвано объемным напряженным состоянием, при котором весьма затруднено образование пластических деформаций.
На фиг. 12 приведены кривые ударной вязкости котельной стали в зависимости от температуры [3]. Кривые А соответствуют результатам испытаний стали, подвергавшейся предварительно нормализации для измельчения зерна, а кривые В соответствуют результатам испытаний крупно-зернистой стали.
Критическая температура ненадрезанных образцов для стали А— 160°С, а для стали В—90°С. При наличии надрезов критическая температура хрупкого разрушения значительно выше и для стали А равна +5° С, а для стали В +45° С (см. фиг. 12).
Для устранения деформаций после ‘сварки – применяется холодная и горячая правка сварных конструкций. Холодная правка основана на растяжении укороченных участков и мест сварной конструкции до проектных размеров – и форм. …
Образование остаточных напряжений и деформаций при сварке вызывается появлением внутренних усилий при местном нагреве металла. Оба эти явления находятся во взаимной связи, но проявляются при сварке конструкций в различной степени …
могут быть самые разнообразные и зависят от характера соединений и вида конструкции, применяемых методов сварки, режима нагрева, механических характеристик и химического состава свариваемых металлов. Как правило, для уменьшения пиков остаточных …
Источник
Главная / Полезная информация
Характеристики высокопрочной стали
Марки высокопрочной стали
Сталь является одним из самых важных материалов, который используется практически во всех отраслях промышленности. К высокопрочной стали (в зависимости от области применения) предъявляют различные требования. Марки сталей отличаются по структуре, химическому составу и по своим свойствам (физическим и механическим).
Сталью называют деформируемый сплав железа с углеводом (не более 2 процентов) и примесями других элементов: марганца, кремния, фосфора. К высокопрочному крепежу предъявляются особые требования. Поэтому для получения стали, которая будет идеально соответствовать всем характеристикам добавляют специальные примеси – легирующие элементы. Это – хром, вольфрам, ванадий, титан, марганец или кремний.
СТАЛЬ МАРКИ 3
Углеродистая сталь обычного качества.
Именно такая сталь пользуются наибольшим спросом в строительстве. Причина такой популярности – технологичность, прочность и привлекательная цена. Еще одно преимущество этого сплава – возможность изготавливать из нее изделия, которые выдерживают большую нагрузку и обладают хорошей сопротивляемостью ударам.
Сталь 3 производят по ГОСТ 380-94, согласно ему сталь маркируются буквами «Ст» с порядковым номером от 0 до 6. Чем выше этот номер, тем большее количество углерода содержится в стали. А значит, лучше прочность, но при этом хуже пластические характеристики. Сталь 3 хорошо сваривается, нефлокеночувствительна, не склонна к отпускной хрупкости. Сталь 3 содержит: углерод – 0,14-0,22%, кремний – 0,05-0,17%, марганец – 0,4-0,65%, никель, медь, хром – не более 0,3% , мышьяк не более 0,08%, серы и фосфора – до 0,05 и 0,04%. Количество этих компонентов в сплаве Ст3 не допускается выше указанных значений.
Основа стали – феррит. Его характеристики не позволяют использовать его в чистом виде. Для улучшения показателя прочности феррита сталь насыщают углеродом, добавляют (легируют) хром, никель, кремний, марганец и проводят дополнительное термическое упрочнение.
Сталь 3 выдерживает широкий температурный диапазон при переменных нагрузках. Хорошо сваривается, штампуется в холодном и горячем состоянии, подвергается вытяжке. Применяется без термической обработки.
Свариваемость стали
Без ограничений – сварка производится без подогрева и без последующей термообработки. В стали, относящейся к хорошей, содержание углерода составляет менее 0,25%. Они свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов сварки.
Температура применения
Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 30.
Максимальная температура применения – плюс 300.
СТАЛЬ МАРКИ 35
Качественная среднеуглеродистая сталь.
Такой вид стали применяют для деталей, которые требуют высокой пластичности и сопротивления удару. Качественные углеродистые стали типа 35 изготавливают по ГОСТ 1050-88 и маркируют двухзначными цифрами, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 35 (0,35 %). Она обладает высокой прочностью (σв = 640…730 МПа, σ0,2 = 380…430 МПа) и относительно низкой пластичностью (δ = 9…14 %, ψ = 40…50 %). Кроме того, этот тип стали не восприимчив к средним напряжениям, обладает стойкостью к деформации и износостойкостью, не подвержен образованию трещин и коррозии. Поэтому именно сталь 35 используют при производстве высокопрочного крепежа и фланцевых соединений. Температурный диапазон: от -40 до +450 градусов Цельсия
Сталь 35 сваривается ограниченно. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Рекомендуем подогрев и последующую термообработку. КТС без ограничений.
Свариваемость стали
Сталь конструкционной марки 35 сваривается ограниченно. С увеличением углерода в стали зона термического влияния и шов закаливаются, увеличивается твердость, сварные соединения становятся более хрупкими и склонными к образованию трещин.
Удовлетворительные стали имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильных режимах сварки получается качественный шов. Для улучшения качества сварки часто применяют подогрев.
Температура применения
Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.
Максимальная температура применения – плюс 425.
СТАЛЬ МАРКИ 35Х
Сталь легированная, хромистая
Крепежные изделия из стали 35Х обладают высокой конструктивной прочностью, гарантируют надежность конструкции. Кроме того, сталь 35Х хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, обладает большим запасом вязкости и высоким сопротивлением усталости. Также, сталь 35Х имеет высокое сопротивление износу, коррозии, трещинам и другим дефектам.
Главное преимущество крепежа из легированной конструкционной стали 35Х перед углеродистыми – это более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость. А уровень механических свойств повышен за счет термической обработке.
Свариваемость стали
Ограниченно свариваемая.
Температура применения
Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.
Максимальная температура применения – плюс 425.
СТАЛЬ МАРКИ 40Х
Сталь конструкционная легированная. Сталь марки 40Х содержит 0,40% углерода и менее 1,5% хрома. Эта сталь довольно трудносвариваема. Поэтому, чтобы получить качественное сварное соединение, необходимы дополнительные операции. При сварке потребуется подогрев до 200-300 градусов, а потом – термообработка путем отжига.
Благодаря добавлению хрома, крепежные изделия из ст.40Х обладают твердостью, прочностью, жаропрочностью и устойчивостью к коррозии. Сталь 40Х рассчитана на значительные нагрузки. Механические свойства стали 40х: предел кратковременной прочности – 570 – 940 МПа, предел пропорциональности – 320 – 800 МПа, относительное удлинение – 13 – 17%, относительное сужение – 35 – 55%, ударная вязкость – 400 – 850 кДж/кв.м.
Плюсы этой марки стали: устойчивость к действию высоких и низких температур и их резким перепадам, могут использоваться под открытым небом и даже в агрессивных, влажных средах. Еще одно неоспоримое преимущество крепежных изделий именно из этой марки стали – это отсутствие необходимости обрабатывать и очищать поверхность.
Свариваемость стали
Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка.
Температура применения
Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.
Максимальная температура применения – плюс 425.
СТАЛЬ МАРКИ 45
Сталь марки 45 обладает высокой стойкостью и прочностью. Сталь 45 применяют при изготовлении деталей механизмов, используемых при повышенных нагрузках и требующих сопротивления (ударам, трению). Механические свойства этой стали позволяют ей выдерживать значительные перепады температур и другие неблагоприятные климатические воздействия. Эта сталь способна выдержать температурные испытания от 200 до 600 градусов по Цельсию.
При использовании ст. 45 следует помнить, что:
• прочность снижается при нагревании до 200 0С;
• сталь является трудносвариваемой и характеризуется низкой флонекочувствительностью.
Сталь марки 45 — среднеуглеродистая; идеально подходит для изготовления деталей, требующих высокой прочности или высокой поверхностной твердости, а также деталей средненагруженных и не подвергающихся в работе истиранию.
Свариваемость стали
Высокоуглеродистую сталь марки 45 рекомендуют соединять контактной сваркой. Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию трещин. Сварка требует обязательного подогрева. При их сварке требуются специальные технологические процессы.
Температура применения
Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.
Максимальная температура применения – плюс 425.
Сталь марки 09Г2С
Сталь конструкционная низколегированная.
Обозначение 09Г2С указывает, что в стали присутствует 0,09% углерода, буква «Г» означает марганец, а цифра 2 – процентное содержание до 2% марганца. Буква «С» означает кремний, содержание кремния менее 1%.
Главное преимущество этой стали – высокая механическая прочность, которая позволяет применять более тонкие детали по сравнению с деталями, изготовленными из других сталей. А значит, детали из стали 09Г2С имеют меньший вес, что экономически более выгодно. Кроме того, еще один плюс этой стали – низкая склонность к отпускной хрупкости.
Свариваемость стали
Марка стали 09Г2С широко используется для сварных конструкций. Сварка может производиться как без подогрева, так и с предварительным подогревом до 100-120 градусов по Цельсию. Сварка довольно проста, причем сталь не закаливается и не перегревается в процессе сварки, благодаря чему не происходит снижение пластических свойств или увеличение ее зернистости. При температуре воздуха минус 15 °С и ниже применяют предварительный местный подогрев независимо от толщины стали.
Температура применения
Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 70.
Максимальная температура применения – плюс 450.
Источник