Физико-механические и служебные свойства малоуглеродистой полуспокойной стали

Сравнительное исследование уровня физико-механических свойств полуспокойной стали с раскислением по двум вариантам — в ковше ферросилицием или в центровой алюминием, а также обычной кипящей, закупоренной кипящей и спокойной сталей Ст. 3 в листе толщиной 12—16 мм по горизонтам раската слитка проведено УНИИM и Коммунарским заводом. Полученные результаты (табл. 73) свидетельствуют, что в листе толщиной 12—16 мм полуспокойная сталь с раскислением в центровой но уровню значений критической температуры хрупкости и количеству образцов, выдержавших испытания на ударную вязкость при отрицательной температуре и после механического старения в соответствии с ГОСТ 380—60, существенно уступает полуспокойной стали с раскислением в ковше и мало отличается от химически закупоренной кипящей стали.

О значительном преимуществе по величине ударной вязкости полуспокойной стали с раскислением в ковше в сравнении с металлом с раскислением в центровой свидетельствуют также данные промышленной статистики по заводу им. Петровского (табл. 74). Поэтому при раскислении в центровой сталь Ст. 3пс в листах толщиной 14—16 мм удовлетворяет нормам ГОСТ 380—60 по ударной вязкости только в 61—90% случаев; сталь, раскисленная в ковше, в указанном прокате полностью соответствует этим требованиям.

Свойства полуспокойных сталей 10пс (0,07—0,14% С, 0,35—0,65% Mn, сл. Si, <0,040% S и 0,035% Р) и 20пс (0,17-0,24% С, 0,35—0,65% Mn, сл. Si, <0,040% S и 0,040% Р) по ЧМТУ 1-737—69 с раскислением в центровой в тонком (толщиной 1,5 и 3,0 мм) листе изучены Институтом черной металлургии, Всесоюзным научно-исследовательским институтом сельскохозяйственного машиностроения и заводом «Запорожсталь».

Результаты испытаний тонких горячекатаных и холоднокатаных листов показали, что при одинаковых содержаниях углерода и марганца в прокате полуспокойная сталь с раскислением в центровой алюминием имеет более низкие, чем соответствующая спокойная, прочностные свойства (ов — на 4 кгс/мм2 и от — на 2 кгс/мм2) и более высокое относительное удлинение [на 2—3% (абс.)]. Тем не менее полуспокойная сталь практически полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ 16523—70 к спокойной стали по временному сопротивлению и в большей мере, чем спокойная, — по относительному удлинению.

Как в горячекатаном состоянии, так и после механического старения полуспокойная сталь в горячекатаном листе толщиной 3 мм не уступала спокойной по значению ударной вязкости при температурах от +20 до -40° С (табл. 75).

Спокойная и полуспокойная стали в листе указанной толщины малочувствительны к снижению температуры от +20 до -40° С при испытании на статический изгиб образцов размером 55х10х3 мм с надрезом Менаже (табл. 76). По значениям удельной работы зарождения (A1) и распространения (A2) трещин при статическом изгибе образцов полуспокойная сталь также не уступает спокойной соответствующих марок в горячекатаном состоянии и после механического старения.

Исследования показали, что полуспокойные стали лучше, чем спокойные, выдерживают испытания на холодный загиб. Стали 10пc и 20пс в меньшей мере теряли способность к загибу при наличии концентраторов в виде отверстий и ожогов сварочной дуги, чем соответствующие спокойные. Минимальной чувствительностью к концентраторам напряжений (даже в виде ожога) при холодном загибе обладала сталь 10пс.

Штампуемость горячекатаного листа толщиной 3 мм определяли двумя способами — вытяжкой и гибкой. Для испытания вытяжкой был принят метод ЦНИИТмаш (штамповка цилиндрических колпачков из квадратных заготовок). В качестве критерия для оценки штампуемости был принят размер заготовки, при котором еще не наблюдался разрыв колпачков. Степень вытяжки листа (отношение предельного размера заготовки к диаметру колпачка) для испытуемых сталей колебалась в узких пределах (1,68—1,77) и была примерно одинаковой. Однако количество обрывов колпачков при штамповке листа из полуспокойных сталей было в 1,2 раза меньше (27—47% против 37—56% для спокойных).

Определение штампуемости гибкой производили на образцах в виде полос размером 200х40х3 мм, отобранных от листа вдоль прокатки.

Образцы изгибали в штампах на лабораторном прессе под углом 90° с радиусами 10, 14, 60, 85 и 105 мм для определения угла пружинения. Гибку производили до тех нор, пока образец не получал давление, при котором изделие ближе всего соответствовало геометрии инструмента. Разность между углами изделия после и до снятия нагрузки (угол пружинения металла) увеличивалась с повышением радиуса гиба и была на 1—4° больше у спокойной стали.

Свариваемость стали определяли путем изучения чувствительности листа к ожогу, прочности точечных сварных соединений при работе на обрыв, а также по влиянию термического цикла сварки на структуру и твердость точек.

Чувствительность тонколистовой стали к ожогам исследовали путем испытания образцов размером 3х16х150 мм по ОСТ 1688 на перегиб. Ожог наносили необмазанным электродом диаметром 3 мм при токе короткого замыкания 105 А и напряжении холостого хода 40 В. Результаты исследований показали, что полуспокойные стали менее чувствительны к ожогам, чем спокойные аналогичных марок (табл. 77).

Исследования прочности точечных соединений из горячекатаной и холоднодеформированной сталей проводили путем испытаний крестовых образцов на отрыв. Сварку образцов при жестком режиме (ступень — 16, периоды — 19, нагрев — 12, давление — 2 ати) и диаметре контактной поверхности электрода, равном 9 мм, производили на машине МТП-200. Средние результаты испытаний приведены в табл. 78.

Прочность на отрыв точечных соединений в состоянии поставки не зависит от вида стали. Предварительная холодная деформация качественной спокойной стали 10сп и 20сп практически не изменила прочности сварных соединений. Для полуспокойной стали наблюдалось существенное влияние деформации на прочность точечных соединений. Однако однозначного влияния вида стали на уровень прочности образцов из деформированного металла не установлено (сталь 10сп была значительно лучше, чем сталь 10сп а 20пс — несколько хуже, чем 20сп). Более высокая прочность точечных соединений из стали 10 по сравнению со сталью 20, очевидно, объясняется лучшей свариваемостью и большим размером ядра точки в первом случае.

Структура основного металла в сварных соединениях была феррито-перлитной. Литое ядро точки имело столбчатую сорбитную пли троостито-сорбитную структуру со следами феррита. В зоне термического влияния наблюдались мелкие зерна сорбита, феррита и зачастую — участки мартенсита. Зона сварки (в пластическом состоянии) имела сорбитную или троостито-сорбитную структуру с ферритом. По твердости основных участков точечные сварные соединения из полуспокойной и спокойной стали в горячекатаном и деформированном состояниях практически не отличались (табл. 79).

Данные всех проведенных исследований позволяют считать, что по показателям свариваемости полуспокойная и спокойная стали практически не отличаются.

Сравнительные исследования несущей способности элементов сварных узлов конструкций из спокойной и полуспокойной стали 20 проводили путем испытаний при знакопеременном нагружении (2 млн. циклов) специальных образцов. Образцы сваривали вручную электродами Э42А при силе тока 60—70А из трех гнутых профилей швеллерного сечения с постановкой четырех косынок вдоль полок швеллера. Несущую способность сварных соединений определяли по значению предельного крутящего момента, при котором опасные напряжения равны пределу выносливости. Исследования показали, что при амплитуде нагружения 0,165 мм предельный крутящий момент для сталей 20пс и 20сп был одинаков и равнялся 396 кгс*м.

Таким образом, по комплексу физико-механических и служебных свойств в тонколистовом прокате полуспокойная углеродистая сталь с раскислением в центровой не уступает спокойным углеродистым сталям соответствующих марок.