Вся электронная библиотека >>>

  арматурная сталь >>>

 

 

Высокопрочная арматурная сталь


Раздел: Учебники



 

1. Обоснование выбора содержания углерода в стали и направления легирования

  

 

Из всех элементов, вводимых в сталь для достижения после упрочняющей термической обработки определенного комплекса физических, механических, технологических, эксплуатационных и других характеристик, углерод является главным компонентом,

определяющим закаливаемость, т. е. способность стали приобретать максимальную твердость при закалке.

Однако, повышение прочности мартенсита с ростом в стали содержания углерода достигается ценой снижения пластичности и особенно ударной вязкости.

Если при образовании твердых растворов внедрения атомы углерода в феррите (а-фазе) и аустените (у-фазе) характеризуются неупорядоченным, статистически равновероятным расположением в октаэдрических междоузлиях по всем возможным осям и плоскостям кристалла, то, как было показано прямым нейгроннографическим методом в решетке мартенсита они располагаются уже упорядочеппо, в основном (на 80%) только в октаэдрических междоузлиях с координами железа, параллельных оси тетрагональных и по плоскостям, перпендикулярным оси тетрагональности.

Такое расположение атомов углерода в мартенсите (пересыщенном твердом растворе углерода в а-железе) приводит к деформации решетки а-железа: увеличению периода «с» и уменьшению периода «а»

В результате этого тетрагоналыюсть решетки мартенсита (отношение осей с/а) практически линейно возрастает с ростом содержания углерода в стали (Г. В. Курдюмов).

Исследования интенсивности рентгеновских отражений при +20

и — 196°С на закаленных сталях с 0,35 до 0,45% С (В. А. Ильина, В. К. Криц- кая) показали, что углерод в кристалле мартенсита вызывает не только большие статические и динамические искажения, но и ведет к ослаблению межатомных связей. Это обнаруживается по возрастанию среднеквадратичных отклонений тепловых колебаний атомов железа в узлах решетки (увеличивается параметр Уй^У, снижению характеристической температуры В и уменьшению модуля Юнга.

Единого мнения об оптимальном содержании углерода применительно к термически упрочненному сортовому, листовому и фасонному прокату не имеется. Это в существенной степени связана с различием в требованиях к конечной продукции, а также обусловлено -особенностями технологии производства, переработки и областями практического использования термически упрочненного проката.

 

 

Н. Ф. Легсйда, Н. Ф. Тюрин, В. С. Носов, а также П. И. Соколовский пришли к выводу, что наилучшее сочетание прочности» пластичности и ударной вязкости при термическом упрочнении толстолистовой кипящей стали и фасонного проката достигается при содержании углерода 0,12—0,18%. При термическом упрочнении углового профиля 45X45X4 мм с полным охлаждением рекомендуется иметь содержание углерода в стали не выше 0,11 %  в то время как при термоупрочнении такого же профиля с отдельного и прокатного нагрева с последующим отпуском по мнению В. Т. Худика содержание углерода должно находиться в пределах 0,25—0,30%.

Однако, при содержании 0,3% С, например, в арматурной стали, термически упрочненной в потоке прокатки, как уже упоминалось, вследствие крутого спада ее прочностных характеристик ^"интервале температур отпуска (самоотпуска) 300—550°С наблюдается большой разброс свойств по длине прутков.

Термически упрочненная арматура с 0,3% С и выше отличается также большим разбросом пластических свойств низкими значениями равномерного удлинения и высокой склонностью к коррозии под напряжением

Кроме того, вследствие положительной осевой ликвации углерода в заготовках квадрат 80 мм, прокатанных из головной части слитков массой 8—12,5 т, фактическое содержание этого элемента в центральных зонах арматурных стержней может значительно- (до 60%) превышать среднеплавочнос. Поэтому при содержании углерода, например, 0,3% С это может уже вызывать опасность- возникновения закалочных трещин при термическом упрочнении, в потоке стана, а в случае несквозной мартенситной прокаливае- мости арматуры крупных диаметров приводить к образованию в. центральных зонах прутков структуры высокоуглеродистого верхнего бейнита, обладающего повышенной хрупкостью

Нами при разработке оптимального состава стали для массового изготовления термически упрочненной арматуры с прокатного» нагрева за основу была принята низкоуглеродистая сталь с содержанием углерода в диапазоне 0,16—0,22%.

Выбор такового уровня содержания углерода позволяет:

—        осуществлять технологический процесс термического упрочнения с прокатного нагрева по способу прерванной закалки с получением структуры высокопрочного, но достаточно пластичного частично самоотпущенного уже во время охлаждения мартенсита: без необходимости проведения специального отпуска термоупрочненной стали;

—        получить в сочетании с соответствующим низким легированием достаточно широкий интервал температур отпуска (самоотпуска), в пределах которого наблюдалось бы замедленное разупрочнение закаленной стали — важное условие для обеспечения стабильности технологического процесса термоупрочнения арматуры с прокатного нагрева па заданный класс прочности в условиях колебания температур самоотпуска по длине 80 м прутка;

—        полностью исключить опасность трещинообразования даже при полной закалке и ограничить максимальное значение предела прочности стали при этом величинами порядка 1400—1500 МПа;

—        достигнуть после термического упрочнения с прокатного нагрева достаточно высокой конструктивной прочности арматурной «стали, в частности, ее сопротивляемости хрупкому разрушению.

Не менее важную роль в определении химического состава материала для массового производства термоупрочненной арматуры с прокатного нагрева играет выбор эффективного легирования и -микролегирования.

Наиболее широкое распространение в связи с относительной доступностью и дешевизной в отечественной и зарубежной металлургии получили марганец и кремний, вводимые в сталь в качестве раскислителей и легирующих элементов.

Особенно ценным преимуществом марганца является его способность весьма активно повышать прокаливаемость стали, поскольку он интенсивно уменьшает скорость превращения аустенита при охлаждении как в перлитном, так и в промежуточном интервалах (Э. Бейн, Э. Гудремон). Если расположить легирующие элементы по снижению их влияния на прокаливаемость в ряд: В, Be, Мп, Mo, W, Сг, Ti, Zr, Nb, V, Ni, Si, Cu можно увидеть, что по эффективности влияния марганец занимает третье место после бериллия и первое — среди переходных металлов IV— VI групп периодической системы элементов Менделеева, характеризующихся наличием недостроенной d-электронной внешней оболочки атомов, и наиболее широко применяемых при легировании •сталей и сплавов. Тем не менее, по влиянию марганца на свойства железа и стали различного химического состава и структурного •состояния единого мнения нет. Имеются данные как о положительном, так и нейтральном или даже отрицательном влиянии марганца, как легирующего элемента, на свойства железа и стали. В работах, положительно оценивающих присутствие марганца в, сплавах на основе железа, имеются сведения, что при повышении содержания марганца до 2% наблюдается улучшение ударной вязкости и снижение критической температуры хрупкости высокочистого (0,001—0,005% С) железа вакуумной выплавки и низкоуглеродистой стали в горячекатаном или нормализованном состояниях, уменьшение склонности к образованию микротрещин в колониях перлита в условиях растяжения при низких (—123°С) температурах . Марганец упрочняет феррит, повышает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях.

В отличие от вышеприведенных данных, W. Е. Rees, В. Е. Hopkins, Н. R. Tipler установили, что повышение содержания марганца до 2% не влияет ни на ударную вязкость, ни на Гкр высокочистого (0,002% С) нормализованного (950°С) железа. Однако, если .концентрация углерода в сплаве возрастает до уровня его содержания в техническом железе (0,05%), то введение 2% марганца резко снижает Г1ф сплава: с +80 до — 60 °С, т. е. на 140 °С. Вместе с тем, на стали с 0,35% С в закаленном и высокоотпущеи- ном (560 С) состоянии наблюдали значительное снижение пластичности с ростом содержания марганца до 3%.

Отмечается снижение под влиянием марганца хрупкой прочности закаленных стальных образцов при наводороживании, которые хрупко разрушались даже при отсутствии внешней нагрузки (Я. М. Потак). Просматривается тенденция, что с повышением содержания углерода' в стали, находящейся как в упрочненном, так и в неунрочненном состояниях, охрупчивающее влияние марганца усиливается. Итак, характер влияния марганца на сочетание прочности, пластичности и сопротивляемости хрупкому разрушению железа и стали сложный, меняется в зависимости от содержания в сплаве углерода, других элементов и структурного состояния стали.

У второго важного компонента железных сплавов — кремния —» помимо способности активно раскислять сталь за счет легкости передачи им валентных электронов с внешней оболочки 3s23p2 атомам кислорода, имеющим внешнюю элекронную оболочку 2s22p4 с достижением ими в результате этого устойчивых электронных конфигураций 2s22p6, имеется весьма полезное для решения поставленных задач свойство: способность повышать стойкость мартенсита против отпуска (Г. В. Курдюмов, В. С. Мескии, Р. И. Энтин).

Кремний, как и марганец, оказывает сложное и неоднозначное влияние на прочность, пластичность и ударную вязкость железа и стали. Это влияние изменяется в зависимости от содержания самого кремния, других легирующих элементов в стали и характера ее термической обработки.

Большинство исследователей высказывают единодушное мнение, что кремний при его содержании до 1,5—2%, как и марганец, оказывает упрочняющее действие на железо и сталь, практически не ухудшая пластичности при этом Однако, оценки влияния кремния на ударную вязкость и сопротивляемость хрупкому разрушению железа и стали значительно более противоречивы. А. П. Гуляев показал, что в чистом (0,002% С) железе вакуумной выплавки введение до 1% Si существенно снижает Гкр и лишь при дальнейшем возрастании его концентрации в сплаве наблюдается повышение этой температуры, хотя и при 2% Si железо оказывается еще менее склонным к хрупкости, чем в его отсутствии. Этот положительный эффект автор связывает с вышеупомянутым раскисляющим действием кремния в стали.

М. П. Браун считает, что кремний, особенно в компексе с марганцем и хромом, обеспечивает значительное упрочнение при сохранении высокой пластичности и вязкости, если содержание углерода не выше 0,25% . В работе на стали с 0,35% С в закаленном и высокоотпущенном состоянии обнаружили, что в отличие от марганца, при повышении содержания кремния до 2,5% пластичность непрерывно улучшается, а по мнению М. Л. Берн- штейна присутствие кремния в высокопрочных термоупроч- ненных сталях, в связи с благоприятным влиянием его на субструктуру мартенсита, следует считать обязательным.

Имеются сведения, что кремний (до 2%) снижает тетрагональ- ность решетки исходного мартенсита и уменьшает склонность к образованию закалочных трещин, поскольку уменьшает деформацию образца при закалке.

Вместе с тем, имеются и другие оценки влияния кремния на свойства железа и стали. Так, по данным повышение содержания кремния до 0,6% не влияет на ударную вязкость технического (0,05% С) литого железа, но при дальнейшем росте его концентрации она резко снижается. Л. И. Гладштейн и Д. А. Лит- виненко отмечают повышение Т1<р в нормализованной строительной стали с 1,46% Si. Указывается (К. Taffner, К. Meyer), что при содержании свыше 0,5% кремний оказывает отрицательное влияние на Гкр горячекатаной строительной стали, а в  пришли к заключению, что уже при содержании свыше 0,37% кремний оказывает вредное влияние на работу распространения трещин в нормализованных и улучшенных сталях с 0,15—0,20% С. На повышение энергии активации микродеформации а-железа под влиянием кремния и возрастание в связи с этим 7кр указывает В. И. Саррак.

Приведенный анализ результатов исследований различных авторов свидетельствует о том, что влияние марганца и кремния на соотношение прочности, пластичности < и склонности железа и стали к хрупкому разрушению неоднозначно. Оно находится в сложной зависимости от содержания углерода, других элементов в стали, технологии ее производства и термической обработки. Поэтому по справочным данным выбрать оптимальное содержание этих элементов применительно к термически упрочняемой с прокатного нагрева арматурной стали массового назначения не представляется возможным.

Потребовалось проведение систематических исследований в этом направлении, особенно имея в виду специфичность конечного продукта—высокопрочную арматурную сталь периодического профиля, имеющую активно действующие концентраторы напряжений

(систему поперечных и продольных ребер жесткости) и испытывающую сложное воздействие внешних и внутренних сил при работе в преднапряженном бетоне.

При разработке коррозионностойких и свариваемых термо- упрочненных арматурных сталей особое внимание в данной книге уделено оценке влияния хрома и алюминия.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Высокопрочная арматурная сталь

 

Смотрите также:

    

СТАЛЬ ЛЕГИРОВАННАЯ. Легирующие добавки, легированные стали

Сталь легированная. При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, VV, Mo, Ti, Co, V и др.) достигается значительное улучшение их...

 

СТАЛЬ. Углеродистые стали. Углеродистая сталь. Легированная...

Легированная сталь Железо и сталь. Сталь углеродистая обыкновенного качества.
СТАЛЬ ЛЕГИРОВАННАЯ. Легирующие добавки, легированные стали.

 

Сварка легированной стали. Характеристика легированных сталей

17.1. Характеристика легированных сталей. Для улучшения качества стали применяют легирование.

 

Сталь. Легированная сталь. Сталью называется сплав железа...

Широкое применение в металлообработке имеет один из видов инструментальной легированной стали — быстрорежущая сталь.

 

Классификация сталей - стали углеродистые и легированные

В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят т. н. легирующие
Mn (при содержании более 1%) и Si (более 0,8%). По степени легирования (т. с. по суммарному.

 

НЕРЖАВЕЮЩАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ — сталь, легированная хромом...

сталь, легированная хромом, никелем и марганцем, сохраняющая при охлаждении с высокой темп-ры до комнатной и ниже структуру у-твердого раствора (аустенита).

 

СТАЛЬ. Стали углеродистые и легированные, низкоуглеродистые...

Легирование стали способствует благоприятному пониже- нию этой темп-ры. Сопротивление стали хрупкому разрушению характеризуется ударной вязкостью.

 

Легированная сталь. Сталь содержит в сумме до 2,5% легирующих...

Легированная сталь классифицируют либо по структуре, либо по назначению. Различают легированную сталь следующих структурных классов.

 

Углеродистые и легированные стали. Низколегированные строительные...

Углеродистые и легированные стали. Углеродистой называют нелегированную сталь, содержащую 0,04...2 % углерода.

 

Легированная сталь. Стали перлитного класса имеют структуру перлита...

Легированная сталь. Сталью называется сплав железа с углеродом.
Сталь — сплав железа с углеродом, процентное содержание которого благодаря особой обработке (легированию)...