Физико-механические свойства разработанных марок полуспокойной стали с повышенным содержанием марганца

На основе проведенных исследований разработаны, изучены и внедрены в производство полуспокойные стали с повышенным содержанием марганца 18Гпс (Ст.3Гпс) для замены в основном в толстых профилях проката широко применяемой для сварных конструкций в строительстве и машиностроении спокойной стали ВСт.3сп и сталь Ст.5Гпс с улучшенной свариваемостью вместо спокойной стали Ст.5сп в сварных конструкциях сельскохозяйственных машин во всем интервале применяемых толщин проката.

Техническими условиями и ГОСТ 380—71 предусмотрен химический состав новых сталей (табл. 92).

Так же, как и углеродистые полуспокойные стали с обычным содержанием марганца, эти стали обеспечивают более высокий (на 8—10%) выход годного проката из слитка по сравнению со спокойными углеродистыми сталями.

Опытно-промышленную проверку разработанных сталей производили на нескольких металлургических предприятиях, имеющих разные способы выплавки металла и сортамент проката.

Изучение физико-механических и служебных свойств разработанных сталей производили в сравнении с соответствующими спокойными сталями; при этом сталь ВСт.3сп раскисляли как обычным (0,35—0,40 кг/т), так и повышенным (1 кг/т) количеством алюминия. Механические свойства определяли, как правило, на 3—7 горизонтах раската слитков, а служебные свойства и свариваемость полуспокойной стали — на горизонтах максимального скопления ликвирующих примесей (15—25% от верхнего торца раската).

Сталь 18Гпс (Ст.3Гпс). Исследование свойств стали 18Гпс в сравнении со спокойной сталью ВСт.3сп проводили в листовом (толщиной до 50 мм), фасонном (уголок, швеллер и балка с толщиной полки 11—20 мм) и сортовом (круг диаметром 25—28 мм) прокате.

При одинаковом содержании углерода прочностные свойства стали 18Гпс выше (предел текучести — на 1—2 кгс/мм2, временное сопротивление — на 1—4 кгс/мм2), чем стали ВСт.3сп в соответствующем прокате; относительное удлинение сравниваемых сталей одинаково (табл. 93). По величине ударной вязкости и количеству волокна в изломе в состоянии поставки и после механического старения сталь 18Гпс существенно превосходит сталь ВСт.Зсп (рис. 93, табл. 94). Критическая температура хрупкости (tк1 и tк2) и коэффициент чувствительности к механическому старению (C1 и C2) стали 18Гпс обычно на 10—20 град и 20% (абс.) соответственно ниже, чем для спокойной в соответствующем прокате.

Характер изменения механических свойств в прокате по раскату слитка для стали 18Гпс такой же, как для стали ВСт.3пс. Колебания значений временного сопротивления и предела текучести по длине раската слитков стали 18Гпс в прокате исследованных сортамента и толщин не превышали соответственно б и 5 кгс/мм2, а для стали ВСт.3сп — 4,5 и 5 кгс/мм2. Колебания значений относительного удлинения по раскату слитков для обеих сталей были одинаковыми и достигали 6% (абс.).

Разброс значений ударной вязкости и количества волокна в изломе образцов по длине раската слитков стали 18Гпс (рис. 93, а) такой же, как и для стали Ст.3сп (рис. 93, б).

Для более полного сопоставления свойств углеродистой полуспокойной (с обычным и повышенным содержанием марганца), спокойной и кипящей стали ниже рассматриваются результаты исследований листового проката различной толщины 50 опытных плавок Коммунарского завода. По количеству образцов, выдержавших испытание па растяжение, углеродистая полуспокойная сталь Ст.3пс практически равноценна спокойной в листе толщиной до 12 мм и в такой же степени, как спокойная, т. е. почти полностью, удовлетворяет требованиям группы В ГОСТ 380—60 (табл. 95). Кипящая сталь уже в указанном прокате, особенно по пределу текучести, в ряде случаев не удовлетворяет указанным требованиям. В более толстом прокате спокойная сталь и в еще большей степени полуспокойная не всегда удовлетворяют требованиям ГОСТ 380—60 по этой характеристике. Большое преимущество имеет полуспокойная сталь с повышенным содержанием марганца (18Гпс), которая полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ.

Результаты испытаний на ударную вязкость листовой стали тех же 50 плавок (14000 образцов) приведены в табл. 96. В листе толщиной до 10 мм ударная вязкость сталей Ст.3пс, Ст.3сп и Ст.3кп при температуре испытаний до -60° С и после механического старения при +20°C имеет одинаковый уровень значений. Сталь 18Гпс имеет более высокое значение этих характеристик.

Критическая температура хрупкости (tк1) для сталей Ст.3сп и Ст.3пс лежит при -80° С и ниже; для стали Ст.3кп она выше (-60°С).

Изменение количества алюминия, присаженного в спокойную сталь (исследованы плавки с расходом 0,4 м 1 кг/т), не оказало существенного влияния на показатели ее хладостойкости и чувствительности к механическому старению в металлопрокате указанных толщин, что подтверждает превалирующее значение условий прокатки для тонких профилей но сравнению с раскисленностью металла. Сталь 18Гпс более хладостойка, чем Ст.3сп (tк1 не достигается при температуре -80° С).

В листовом прокате толщиной >10 мм полуспокойная и спокойная стали Ст.3 мало отличаются по значению ударной вязкости при +20 и 0°C (см. табл. 96). При более низких температурах и после механического старения сталь Ст.3пс имеет меньшие значения ударной вязкости, чем Ст.3сп (табл. 96; рис. 63, 64); критическая температура хрупкости (tк1) и коэффициент чувствительности к механическому старению (C1) стали Ст.3пс в среднем на 7—10 град и 5—25% (абс.) в зависимости от толщины листа выше, чем для спокойной стали Ст.3сп (табл. 96, рис. 65, 66).

В листовом прокате толщиной более 10 мм уже проявляется влияние увеличения количества присаживаемого в сталь Ст.Зсп алюминия на ее ударную вязкость при пониженных температурах и особенно после механического старения. При расходе 1 кг/т алюминия стали Ст.3сп в среднем на 10 град ниже, чем при обычном расходе (0,4 кг/т). Ударная вязкость кипящей стали Ст.3кп в листовом прокате рассматриваемых толщин уже при 0°С значительно ниже, чем для сталей Ст.3пс и Ст.3сп (см. табл. 96). Значения tк1 и С1 для Ст.3кп в листе толщиной 14—16 мм в среднем на 17—20 град и 2—8% (абс.) выше, чем для стали Ст.3пс (см. рис. 65, 66). Сталь 18Гпс по значению ударной вязкости при всех температурах испытаний и после механического старения превосходит спокойную сталь Ст.3сп, в том числе и раскисленную 1 кг/т алюминия (см. табл. 96 и рис. 63, 64); tк1 и С1 стали 18Гпс на 10—20 град и 10—15% (абс.) ниже, чем стали Ст.3сп (см. рис. 65, 66).

Дополнительной иллюстрацией сравнительной оценки хладостойкости рассматриваемых сталей могут служить данные о частотном распределении tк, в листах толщиной 12—16 мм (рис. 94).

Сравниваемые стали в разной мере удовлетворяют требованиям ГОСТ 380—60 по ударной вязкости при —20°С и после механического старения (>3 кгс-м/см2): кипящая сталь в листах толщиной 10—12 мм удовлетворяет этим требованиям только в 40—50% случаев, полуспокойная — в 80—90%; спокойная — в 90—95%. При большей толщине кипящая сталь соответствует этим требованиям в единичных случаях, полуспокойная — в 35—70%, спокойная — в 65—85% (табл. 97). Сталь 18Гпс полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ 380—60 в листах всех толщин.

Поскольку полуспокойная сталь 18Гпс даже в листах толщиной 30 мм, как правило, удовлетворяет требованиям по значению ударной вязкости при отрицательной температуре и после механического старения, предусмотренным ГОСТ 380—60 для спокойной стали ВСт.3сп в прокате толщиной 10—25 мм, техническими условиями ЧМТУ 1-47—67 на сталь 18Гпс и ГОСТ 380—71 на сталь Ст.3Гпс предусмотрена такая гарантия ударной вязкости в прокате толщиной до 30 мм.

Результаты обработки данных сдаточных испытаний 470 партий (15 тыс. т) листа плавок текущего производства (завод нм. Петровского) показали, что сталь 18Гпс полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ 380—60. для спокойной стали ВСт.3сп по минимальным значениям временного сопротивления, предела текучести и относительного удлинения (табл. 98).

Однако значения временного сопротивления для 18Гпс зачастую (в 17—34% случаев) превышали верхний предел норм, установленный стандартом для стали ВСт.3сп (<50 кгc/мм2) при удовлетворительных значениях относительного удлинения и результатах испытания на холодный загиб. Поэтому изменением к ЧМТУ 1-47—67 ограничения по верхнему пределу временного сопротивления для стали 18Гпс сняты.

Сталь 18Гпс полностью удовлетворяла требованиям по ударной вязкости при —20°С и после механического старения (3 кгс*м/см2) в листах толщиной <25 мм и в 86—90% случаев — в листах толщиной 30—32 мм (см. табл. 98). Спокойная сталь ВСт.3сп в листе толщиной 18—22 мм удовлетворяла этим требованиям только в 88—98% случаев (табл. 99).

Сталь Ст.5Гпс. Поскольку в сельскохозяйственном машиностроении спокойная сталь Ст.3сп применяется в основном в фасонном и сортовом прокате, исследование свойств полуспокойной стали Ст.5Гис в сравнении со сталью Ст.5сп производили в уголке и швеллере с толщиной полки 12—20 мм и круге диаметром 28 мм. Сталь Ст.5пс в указанном металлопрокате полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ 380—60 к стали Ст.5сп по пределу текучести и характеризуется более высокой ударной вязкостью (табл. 100). Критическая температура хрупкости (tк1 и tк2) стали Ст.5Гпс, как правило, на 20 град ниже, чем стали Ст.5сп (см. табл. 100, рис. 95). Ударная вязкость проката из полуспокойной стали Ст.5Гпс после механического старения примерно в два раза выше, чем из сравниваемой спокойной.

Колебания абсолютных значений пределов прочности и текучести по длине раската слитков стали Ст.5Гпс не превышали 6,5 и 4 кгс/мм2 соответственно, а относительного удлинения — 4%. По этим показателям сталь Ст.5Гпс незначительно отличалась от спокойной стали Ст.5сп, колебания указанных характеристик для которой составили соответственно 5,0; 3,5 кгс/мм2 и 7%.

Размер действительного зерна, микрополосчатость и загрязненность неметаллическими включениями сталей Ст.5Гпс и Ст.5сп оказались примерно одинаковыми. Сталь Ст.5Гпс имеет феррито-перлитную структуру. В связи с более низким содержанием углерода она содержит заметно меньше перлита в структуре, чем сталь Ст.5сп (рис. 96).

Результаты статистической обработки данных сдаточных испытаний металла плавок текущего производства четырех заводов показали, что сталь Ст.5Гпс полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ 380—60 к спокойной стали по пределу текучести и относительному удлинению (рис. 97).