Термическая обработка стали как метод повышения прочностных и деформационных свойств стали: нормализация, отпуск, старение. Методы выплавки стали

Термическая обработка стали позволяет повысить прочностные, деформационные и др. свойства стали (наряду с легированием), так как под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяется структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Наиболее простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключается в повторном нагреве проката до t = 910 °С (температуры образования аустенита) и постепенном охлаждении до комнатной температуры.

При быстром остывании стали происходит закалка стали. После закалки структуры придают стали высокую прочность, но снижается пластичность и повышается хрупкость (склонность к хрупкому разрушению).

Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры (соотношения феррита и аустенита в нужных пропорциях) производится её отпуск, т.е. нагрев до t = 600÷680 °С, но не более 723°С (до фазы выделения феррита из аустенита), и затем медленное остывание в течение необходимого времени. При этом процессе образуется структура стали, представляющая собой мелкозернистую ферритовую основу. Такая структура называется сорбитом отпуска. Она обладает оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик, имеет высокую стойкость против хрупкого разрушения и минимальным разупрочнением при сварке. Производить отпуск при температуре более 723 °С нет смысла, так как при этом происходит полная кристаллизация стали и эффект термической обработки снижается.

Старение. Этот процесс происходит при невысоких температурах нагрева равных 150÷200°С, что приводит к перестройке структуры и изменению прочности и пластичности в течении длительного времени.

Старение снижает сопротивление динамическим нагрузкам и рассматривается как отрицательное явление. Наиболее подвержены старению стали, загрязнённые газами (азот, фосфор, кислород, водород). К ним относится кипящая сталь. Сталь производится двумя способами: в мартеновских печах и конвекторах с поддувкой кислорода сверху вниз.

По степени раскисления стали могут быть кипящие (КП), полуспокойные (ПС) и спокойные (СП).

Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения газов: такая сталь называется кипящей и оказывается более засорённой газами и менее однородной по структуре. Кипящая сталь хуже сопротивляется хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество малоуглеродистой стали, её раскисляют добавками кремния (Si) от 0,12 до 0,3 % или алюминием до 0,1 %. Кремний (алюминий), соединяясь с кислородом в растворе металла, уменьшают его вредное влияние. При соединении с кислородом раскислители образуют в мелкодисперсной среде (фазе) силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, что ведёт к повышению её качества и механических свойств. Раскисленные стали не кипят при разливе в изложницы и поэтому их называют спокойными сталями. Она (спокойная сталь) более однородна, лучше сваривается и лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупким разрушениям. Спокойные стали применяют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающимся статическим и динамическим нагрузкам, да ещё и в условиях отрицательных температур. Однако, спокойные стали дороже кипящих на 12 %, что заставляет ограничивать их применение и переходить, когда это выгодно, на изготовление С.К. из полуспокойной стали.

Полуспокойная сталь (пс) является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния в размере 0,05÷0,15 %. По стоимости полуспокойные стали занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями.

В зависимости от вида конструкций и условий их эксплуатаций углеродистая сталь разделена на шесть категорий качества (согласно требованиям ГОСТ 380-80):

· кипящая сталь изготавливается по второй категории – ВСт3кп2;

· полуспокойная сталь по шестой категории – ВСт3пс6;

· спокойная сталь по пятой категории – ВСт3сп5.

В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трём группам:

А – по механическим свойствам;

Б – по химическому составу;

В – по механическим свойствам и химическому составу.

Области применения сталей приведены в таблице 50 СНиП ІІ-23-81* «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

Ударная вязкость. Склонность металла к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрации напряжений проверяются испытанием на ударную вязкость – определение величины работы, затрачиваемой на разрушение надрезанного образца определённых размеров (см. рис. 3.1) на маятниковом копре.

Рис. 3.1. Образец для испытания на ударную вязкость

а-а

а

а

Ударное действие на образец увеличивает возможность перехода металла образца в хрупкое состояние. Чтобы иметь сравнимые результаты испытание проводится на стандартных образцах с размерами согласно рис. 3.1. (размеры в мм)

Ударная вязкость резко снижается у состаренного металла. Поэтому для ответственных конструкций ударную вязкость определяют после искусственного старения. В таблице 3.1.

Дата добавления: 2015-07-19