Физико-механические свойства углеродистой полуспокойной стали

Материал и методика исследований. Изучение механических свойств полуспокойной и спокойной стали выполнено на шести металлургических заводах, имеющих разные способы выплавки стали (мартеновский, конвертерный) и различный сортамент проката (листовой, фасонный и сортовой). Исследованы но обширной программе в основном наиболее широко применяемые в строительстве и машиностроении стали Ст. 3 и Ст. 5. В ряде случаев для сравнения дополнительно изучали в аналогичном прокате также свойства кипящей стали Ст.3кп с закупориванием и без него.

Сталь всех марок выплавляли в 85—600-т мартеновских печах или 26—115-т кислородных конвертерах по действующей технологии. Раскисление спокойного металла мартеновских опытных плавок проводили в печи и ковше, а конвертерных — только в ковше. Для раскисления спокойной стали, как правило, применяли 12— 25%-ный и 45—75%-ный ферросилиций, ферромарганец и особенно по сечению раскатов. В арматуре из полустали в основном ферромарганцем и 45—75%-ным ферросилицием (на некоторых плавках применяли 12—25%-ный ферросилиций и алюминий, а кипящую — только ферромарганцем. Кипящую сталь закупоривали 45—75%-ным ферросилицием или алюминием.

Для исключения влияния металлургических факторов при выплавке и прокатке металла опытные плавки проводили в мартеновских печах с выпуском в два ковша и получением в одном из них полуспокойной, а в другом (сравнительном) — спокойной или кипящей сталей.

В тех случаях, когда сопоставляли металл разных плавок (конвертер, одножелобная мартеновская печь), обеспечивали примерно одинаковые содержания углерода, марганца и вредных примесей в сталях. Во всех случаях сопоставительным испытаниям подвергали прокат одинаковой толщины с примерно одинаковой температурой конца прокатки.

Был подробно изучен металл 150 плавок в листовом (толщиной до 40 мм), фасонном (с толщиной полки до 25 мм) и сортовом (размером до 62 мм) прокате. Изучение свойств полуспокойной и кипящей стали проводили на 5—11, а спокойной — на 3—7 горизонтах раската слитков.

Образцы для механических испытаний отбирали в соответствии с требованиями стандартов от фасонного и сортового проката в продольном, а от листа — в поперечном направлении. Прочностные свойства и пластичность металла в листовом прокате толщиной 22—40 мм, арматуре диаметром 32—36 мм и в квадрате размером 62 мм определяли на круглых, а в остальных видах и размерах проката — на натурных образцах с прокатной коркой. Испытания на ударную вязкость проводили на образцах типов I и V по ГОСТ 9454—60; при этом образцы типа V изготавливали только из листового и фасонного проката толщиной до 10 мм и сортового (круг, арматура) до 16 мм.

Влияние толщины проката. Сравнительными исследованиями механических свойств углеродистых спокойной, полуспокойной и кипящей сталей в различных профилях проката установлено, что уровень некоторых из них в большой мере определяется толщиной проката: с уменьшением сечения и, следовательно, с увеличением степени обжатия и снижением температуры конца прокатки становится мельче, зерно горячекатаной стали (рис. 62). Это существенно влияет на предел текучести и особенно, на ударную вязкость металла при отрицательных температурах и после механического старения. Значение этого фактора известно и в какой-то мере отражено в ГОСТах, где характеристики некоторых свойств стали дифференцированы в зависимости от толщины проката, однако недостаточно учитывается, в частности, для ударной вязкости.

Это наглядно подтверждается результатами специального исследования, проведенного на 50 плавках Коммунарского завода. Было исследовано но горизонтам раската слитка изменение значений ударной вязкости при -20° С и после механического старения при +20° С (требования ГОСТ 380—60 для сталей ВСт.3сп и ВСт.3пс), а также критической температуры хрупкости (tк1) и коэффициента чувствительности к механическому старению (С1) в зависимости от толщины листа от 8 до 30 мм для сталей Ст. 3кп, Ст. 3пс и Ст. 3сп, а также полуспокойной стали 18Гпс с таким же содержанием углерода, но повышенным (0,8—1,1%) содержанием марганца. С уменьшением толщины листа разница в уровне свойств для рассматриваемых сталей значительно уменьшается, так как усиливается влияние названных факторов прокатки по сравнению с влиянием степени раскисленности стали (рис. 63—66). Столь значительное влияние толщины готового проката на хладостойкость стали указывает на необходимость дифференцированного подхода к замене углеродистой спокойной стали на полуспокойную в зависимости от этого фактора. Это послужило основанием для условного разделения профилей проката на группы по толщине в разработанных рекомендациях по применению полуспокойных сталей. Более высокие показатели хладостойкости полуспокойной стали 18Гпс по сравнению со спокойной сталью ВСт. 3сп (рис. 63—66) показывают, что влияние химического состава стали также может превалировать над степенью ее раскисленности.

Малоуглеродистая сталь. По однородности механических свойств при испытании на растяжение полуспокойная сталь мало отличается от спокойной. В этом отношении она имеет преимущество перед закупоренной и тем более обычной кипящей сталью (табл. 46). Для всех типов стали наблюдается общая тенденция к значительному снижению предела текучести с увеличением толщины проката при относительной стабильности временного сопротивления и относительного удлинения (рис. 67).

При одинаковых содержаниях углерода и марганца временное сопротивление полуспокойной стали в среднем на 2 кгс/мм2, а предел текучести — на 1 кгс/мм2 ниже, чем спокойной. Относительное удлинение полуспокойной стали несколько выше, чем спокойной. Повышение прочностных характеристик полуспокойной стали до уровня спокойной может быть достигнуто путем небольшого повышения содержания углерода (примерно на 0,02%) и марганца. Прочностные свойства кипящей стали на 3—4 кгс/мм2 ниже, чем полуспокойной. Относительное удлинение кипящей стали выше, чем у полуспокойной, и тем более, чем у спокойной стали.

Механические свойства при испытании на растяжение листового и фасонного проката толщиной до 10 мм и сортового — до 16 мм из стали Ст. 3сп соответствуют нормам ГОСТ 380—60 для спокойной стали (табл. 47). По ударной вязкости при температурах +20, -20 и -40° С и после механического старения (при температуре +20° С) полуспокойная сталь не отличается от спокойной (табл. 48).

Обе стали полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ 380—60 (группа В) по ударной вязкости (табл. 49). По критической температуре хрупкости (t проб, отобранных на различных горизонтах раската слитков, полуспокойная сталь Ст.3пс в прокате указанных толщин также близка к спокойной стали Ст.3сп (табл. 50).

В связи с тем что в прокате толщиной <10 мм (при испытании образцов типа V по ГОСТ 9454—60) стали обоих типов лежит ниже -40° С, была определена ударная вязкость образцов указанного сечения при более низких температурах (до -100°C). Результаты этих испытаний показывают, что по хладостойкости полуспокойная и спокойная стали марки Ст. 3 в прокате рассматриваемых толщин сходны: t лежит при -80° С и ниже.

Для накопления данных о свойствах полуспокойной стали по сравнению со спокойной в листовом и фасонном прокате толщиной 5—10 мм были проведены испытания на ударную вязкость металла более 700 плавок сталей Ст.3 текущего производства семи металлургических заводов. Результаты исследований (рис. 68—71) свидетельствуют о том, что по величине ударной вязкости при -20° С и после механического старения в листовом и фасонном прокате толщиной до 10 мм включительно полуспокойная и спокойная стали Ст.3 равноценны. Характер кривых показывает, что однородность проката по значениям ударной вязкости для стали обоих видов также одинакова. Сказанное относится в равной мере к мартеновской и конвертерной сталям.

Механические свойства полуспокойной Стали в листовом и фасонном прокате толщиной до 20 мм и сортовом — до 30 мм при испытании на растяжение, как правило, удовлетворяют требованиям ГОСТ 380—60 (см. табл. 47). По уровню значений ударной вязкости при температурах испытаний -20° и 0°С полуспокойная и спокойная стали марки Ст.3 существенно не различаются (табл. 48). При температуре -20° С и после механического старения спокойная сталь и в большей степени — полуспокойная не всегда обеспечивают получение ударной вязкости не менее 3 кгс*м/см2 (см. табл. 49).

При дальнейшем увеличении толщины испытуемого проката наблюдаются пониженные по сравнению с требованиями ГOCТ а значения предела текучести у спокойной и в еще большей мерс — у полуспокойной стали (см. табл. 47). Значительно снижается ударная вязкость, особенно при отрицательных температурах и после механического старения (см. табл. 48) и сталь обоих видов в большинстве случаев не удовлетворяет требованиям группы В ГОСТ 380—60 (см. табл. 49). Значения tк, смещаются в область более высоких температур (см. табл. 50).

Результаты испытаний образцов с острым надрезом не внесли принципиальных изменений в сравнительную оценку свойств спокойной и полуспокойной стали, выполненных на образцах со скругленным надрезом (табл. 51). Увеличение остроты надреза (с 1 до 0,25 мм) приводило к повышению tк1 на 10—20 град при испытании на образцах сечением 10х10 мм и на 30—50 град — на образцах размером 5х10 мм.

В процессе исследований установлено, что уровень механических свойств фасонного и особенно сортового проката из сталей всех видов выше, чем листового соответствующей толщины (см. табл. 47, 48). Поэтому в указанном прокате спокойная и полуспокойная сталь в большей мере, чем в листовом, удовлетворяют требованиям ГОСТ 380—60 (см. табл. 49).

Очевидно, более высокий уровень физико-механических свойств сортового и фасонного проката но сравнению с листовым аналогичной толщины объясняется более благоприятными условиями прокатки и последующего охлаждения металла, а также отбором проб вдоль направления прокатки в первом случае.

Исследования и производственная практика показывают, что полуспокойная сталь, как правило, выдерживает технологическую пробу на загиб в холодном состоянии и по указанному виду испытаний не уступает спокойной стали.

Предел выносливости (o-1) при испытании гладких круглых (диаметром 5,53 мм) образцов зависел главным образом от величины временного сопротивления. Отношение о-1/oв составило 0,47—0,52 для стали Ст.3пс и 0,49—0,50 — для спокойной. На образцах с надрезом (диаметром 6,43 мм, R = 0,45 мм) предел выносливости спокойной и полуспокойной стали тех же плавок был на 20,5—24,5% ниже, чем на гладких.

Среднеуглеродистая сталь. Свойства сталей Ст. 5пс и Cr. 5сп изучали в фасонном прокате и арматуре периодического профиля.

По однородности механических свойств при испытании на растяжение (табл. 52) сталь Ст. 5пс незначительно отличается от стали Ст. 5сп.

Механические свойства фасонного проката толщиной до 10 мм и сортового (арматура) диаметром до 16 мм из полуспокойной стали марки Ст. 5пс при испытании па растяжение не уступают свойствам тех же видов проката из спокойной стали и полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ 380—60 (табл. 53). Уровень прочностных свойств полуспокойной стали при одинаковых содержаниях углерода и марганца, как правило, был на 2—3 кгc/мм2 ниже, а относительное удлинение — на 1—2% выше, чем спокойной. Об этом свидетельствовал также сравнительный статистический анализ сдаточных испытаний арматуры разных размеров (табл. 54, вариант I). Это связано в основном с меньшим содержанием кремния в полуспокойной стали, которое может быть компенсировано повышением содержания углерода и марганца (табл. 55).

В результате корректировки химического состава (II вариант) прочностные свойства и пластичность арматуры из полуспокойной стали Ст. 5пс в дальнейшем практически не отличались от свойств арматуры из спокойной стали (табл. 53, II вариант, табл. 56).

Ударная вязкость (ненормируемая для стали Ст. 5) фасонного проката толщиной до 10 мм и сортового — до 16 мм при температурах до -40° С включительно и после механического старения практически одинакова для стали Ст. 3пс и Ст. 5сп (табл. 57). Для обеих сталей tк1 составляет ниже —40° С и только в единичных случаях — (30—40° С).

Арматура диаметром >16 мм и до 28 мм включительно из полуспокойной стали по всем показателям при испытании на растяжение удовлетворяет требованиям ГОСТ 380—60 и по уровню механических свойств мало отличается от арматуры из спокойной стали, уступая ей по ударной вязкости при отрицательных температурах (табл. 53—57).

Для полуспокойной и спокойной сталей Ст. 5 влияние острого надреза на ударную вязкость выражено более отчетливо, чем на малоуглеродистых. Так, критическая температура хрупкости для образцов размером 5х10 мм при переходе от скругленного к острому надрезу повышается на 40—60 град.

В арматуре диаметром >28 мм для полуспокойной стали II группы химического состава наблюдалось значительное количество образцов, не удовлетворявших требованиям ГОСТ 5781—61 (табл. 53) главным образом по пределу текучести (не менее 30 кгс/мм2). В связи с этим были проведены промышленные эксперименты по повышению прочностных свойств полуспокойной стали для арматуры диаметром 28—40 мм путем дальнейшего (до 1,1%) увеличения содержания марганца. Зависимость механических свойств полуспокойной стали от содержаний углерода и марганца определяли методом множественной корреляции по результатам 1700 первичных испытаний арматурного профиля диаметром 28—40 мм. Получены следующие уравнения регрессии:

По результатам расчетов с использованием полученных уравнений был установлен следующий химический состав полуспокойной стали (III вариант) для арматуры диаметром более 28 мм: 0,28—0,37% С; 0,8—1,1% Mn, до 0,17% Si.

Полуспокойная сталь с повышенным содержанием марганца отличалась от обычной полуспокойной стали (II вариант) меньшей сегрегацией элементов по длине и, особенно по сечению раскатов. В арматуре из полуспокойной стали с 0,9—1,1% Mn максимальная положительная степень сегрегации по углероду и сере составила 11 и 16% против II и 27% при 0,6—0,9% Mn (для спокойной стали соответственно 6 и 11%).

Полуспокойная сталь с повышенным содержанием марганца (III вариант) характеризуется более высокими, чем спокойная, прочностными свойствами (табл. 53, 54) и удовлетворительной пластичностью, практически полностью удовлетворяя требованиям ГОСТ 5781—61 к стали Ст.5сп при испытании на растяжение. При повторных сдаточных испытаниях арматуры отмечено повышение значений относительного удлинения, причем тем в большей степени, чем ниже было его первоначальное значение и чем больше интервал между испытаниями. Поскольку пробы для сдаточных испытаний отбирали на разных горизонтах по длине раската слитка и полученное улучшение результатов при повторном испытании могло быть связано с местом отбора пробы, для изучения этого вопроса было проведено специальное исследование. С этой целью испытывали ежедневно в течение 27 дней арматуру одиннадцати плавок полуспокойной стали. Образцы для испытаний вырезали из одного и того же прутка арматуры данной плавки. Все испытания проведены на пятикратных круглых образцах диаметром 20 мм. Исследования (рис. 72) показали, что в первые дни после прокатки величина относительного удлинения быстро нарастает. Затем этот процесс замедляется и после 12—15 суток относительное удлинение стабилизируется.

Технологическую пробу на загиб в холодном состоянии, как правило, выдерживали все образцы из спокойной и полуспокойной стали Ст. 5 без существенных различий.

При исследованиях и статистической обработке результатов сдаточных испытаний (см. табл. 54) отмечено увеличение однородности механических свойств по раскату слитка с повышением содержания марганца в полуспокойной стали.

При повышении содержания марганца с 0,6—0,9 до 0,8—1,1% существенно снизилась критическая температура хрупкости (на 15—20 град) и увеличилась ударная вязкость после механического старения. Поэтому сталь Ст. 5пс с повышенным содержанием марганца в арматуре диаметром 32 мм по показателям хладостойкости и чувствительности к механическому старению мало отличается от спокойной (табл. 57).

Предел усталости (о-1) круглых гладких образцов диаметром 5,53 мм, вырезанных из листа толщиной 12 мм, для полуспокойной и спокойной стали Ст.5сп находился в одинаковых пределах (0,41—0,44 ов); на образцах с надрезом (R = 0,45 мм) он был на 12,8—26,7% ниже, чем на гладких.

В строительных организациях арматуру упрочняют путем предварительного ее растяжения. Для оценки влияния этого технологического приема на свойства спокойной и полуспокойной стали стержни диаметром 12—28 мм подвергли деформации растяжением на лабораторной машине из расчета получения 5%-ного остаточного удлинения (как это принято на практике). Для сравнения исследовали рядом взятые штанги без упрочнения.

После упрочнения прочностные характеристики арматуры значительно возрастают (иногда предел текучести па 16—20 кгс/мм2), а относительное удлинение снижается и во многих случаях оказывается ниже требуемой нормы. При этом в результате упрочнения резко снижается ударная вязкость, особенно при отрицательных температурах. Это приводит к повышению критической температуры хрупкости на 20—30 град. Установлено, что наклеп арматуры в процессе холодной деформации растяжением ухудшает пластические свойства и хладостойкость полуспокойной и спокойной сталей Ст. 5 в равной мерс.

С учетом этого более целесообразно производить термическое упрочнение арматуры из среднеуглеродистых сталей, которое наряду с получением высокого уровня прочности и требуемого значения относительного удлинения позволяет повысить хладостойкость металла (tк1 снижается на 20—40 град).