CC BY
38
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19
УДК 669.14.018.295: 621.785.616
РябикинаМ.А.1, Иванова Т.Ю.2, Ткаченко Н.В.3, Ставровская В. Е.4
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛИ ДЛЯ СУДОСТРОЕНИЯ
Предложен оптимальный состав стали СИ-А 36, обеспечивающий получение стабильных значений предела текучести, временного сопротивления и ударной вязкости.
К сталям для судостроения предъявляются повышенные требования по уровню прочности, свариваемости, сопротивляемости хрупкому разрушению. Сталь СЬ-А36 относится к категории сталей повышенной прочности и поставляется потребителю в состоянии после контролируемой прокатки. По требованиям Германского Ллойда листы толщиной 7-22 мм должны обладать следующим комплексом механических характеристик: Оо,2>355 МПа, Ов=490-630 МПа, 55>21 %, КУ_4о>24 Дж. Удовлетворение требований эксплуатационного характера должно гарантировать конструкциям корпуса необходимую прочность, неизменяемость формы в различных условиях внешних воздействий на него, а также долговечность службы и возможность ремонта корпуса в процессе эксплуатации судна. Известно [1], что существенное влияние на показатели прочностных, пластических характеристик и ударной вязкости при различных состояниях поставки стали оказывает плавочный химический состав. Требования Германского Ллойда к химическому составу судостроительной стали, %: Стах=0,18; Мп=0,90-1,60; 81тах=0,50; Ртах=0,035; 8тах=0,35; А1р.ртт=0,015; №=0,02-0,05; У=0,05-0,10; Т1тах=0,02; Ситах=0,03; Сгтах=0,20; №тах=0,40; Мотах= 0,08.
Цель настоящей работы - определить рациональный для оптимизации механических свойств состав стали СЬ-А36.
В работе получены регрессионные модели прочностных свойств и ударной вязкости более 300 плавок стали СЬ-А36 в зависимости от химического состава. Для элементов, которые существенно определяют уровень прочности листовой стали СЬ-А36. построены обобщающие графики. Они позволяют не только проанализировать влияние химических элементов на механические свойства исследуемой стали, но и определить их оптимальное содержание, рис. 1. Серая полоса поля рисунка указывает наиболее приемлемое, на наш взгляд, содержание легирующих элементов.
Как известно [2], углерод оказывает монотонное упрочняющее влияние, которое связано с увеличением количества перлита и измельчением зерна. Регрессионные модели влияния углерода на прочностные свойства имеют вид: с>о,2= 275+1037-%С; Я2=0,83 и ов =470+687-%С; Я2=0,76. С увеличением содержания углерода от 0,05 до 0,20 % в стали, легированной микродобавками ниобия и ванадия, доля перлитной составляющей в структуре возрастает с 10 до 40 %. Упрочняющее влияние углерода сопровождается уменьшением значений ударной вязкости при комнатной и минусовых температурах, повышением порога хладноломкости, ухудшением свариваемость стали [3]. Для ударной вязкости в настоящей работе получена зависимость: КСУ+20= 100 - 16-%С; Я = 0,3. Таким образом, снижение содержания углерода до -0,14 % (рис. 1а) является одним из немногих мероприятий, улучшающих ударную вязкость в области вязкого и смешанного разрушения, а также переходную температуру хрупкого разрушения и свариваемость [4].
ПГТУ. канд. техн. наук, доц.
2ОАО «МК «Азовсталь», инж.
3ПГТУ, аспирант
4ОАО «МК «Азовсталь», инж.
о
0
1
т о о. С
700 600
500
400
300 200
700 600
100 98
96
94
92 90
§
а: >
о
а)
V
0 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 С,%
115
к
го
I
о. го
£
со
| 500
о
3 400
X
н
0
1 300 о
о.
13 200
/ / : КСУ
} / / /
/ / V А,2
- А 1
/ / / ./ г 1 1
(Г / / / / X
110
105
о >
О
в)
о о
100 |
0 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 700
95
90
%
к
го
X
о.
го £
700
0 "1,20 1,26 1,32 1,38 1,44 1,50 1,56 Мп,%
100
-600
500
3 400
о о
X
т
о о.
с:
300
200 Ц9
1
ов
-3
1 1 ^ ____ : КСУ
« 1
98
96
94
92
90
0 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019 Р,%
го 1=
го т Н
о О
600
500
з 400
о о
X Т
о о. 1=
300 200
к ч ч ч Чп
ч ч ч ч СТв
ч ч ■ _3
ч ч
КСУ
((
100 98 96 94 92 90 88 86 84
о
сг
>
О
д)
а; го х о. го
£
о
"I
СС
>
О
о
о
^
со к со
0ч
го
X
о.
го £
0 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 3,%
Рис. 1 - Влияние химического состава на механические свойства стали ОЬ-АЗб: а) углерод; б) марганец; в) кремний; г) фосфор; д) сера
Легирование марганцем также сопровождается упрочнением и одновременным снижением ударной вязкости - с0.2 = 210 + 156-%Мп; Я2= 0,83 и <зв = 347 + 157-%Мп; Я2 = 0,64; КСУ+20 = 100 - 15-% Мп; Я: = 0,2. Как известно, резкое ухудшение пластических характеристик происходит при содержании марганца более 2 % [5]. В стали с небольшим содержанием углерода введение марганца до 1,5 % повышает сопротивление хрупкому разрушению, поэтому оптимальное его содержание должно составлять -1,26 %, как показано на рис.1, б. Зависимости механических характеристик стали (}Ь-А36 от содержания кремния аппроксимируются выражением: о0.2= 423 + 78-% 8ц Я2 = 0,83; ов = 347 + 157-% Бц Я2= 0,42 и КСУ = 100 - 15-% 81; Я = 0,2. Кремний ухудшает показатели ударной вязкости и хладостойкости только при содержании его в стали свыше 0,8 % [6]. Поэтому при его концентрации -0,28 %, как это видно из рисунка 1в, можно обеспечить удовлетворительное сочетание прочностных свойств и ударной вязкости стали. Сера и фосфор являются постоянными примесями в низколегированных сталях и их присутствие в них нежелательно [7]. Фосфор существенно
упрочняет феррит при одновременном снижении пластических и вязких свойств. Уравнения регрессии в этом случае имеют вид: с>о,2 = 390 + 3097-%Р; R2= 0,7 и ов= 524 + 3320-%Р; R2= 0,51; KCV+20 = ЮО - 268-%Р; R2 = 0,2. Известно, что фосфор относится к числу элементов, обладающих наибольшей склонностью к ликвации и образованию сегрегации по границам зерен. Поэтому его содержание в стали стараются снизить до минимального уровня. В результате расчетов установлено, что содержание фосфора в судостроительной стали должно составлять < 0,013 %, как показано на рис. 1г. Влияние серы на прочность описывается уравнениями: о0,2 = 423 + 1648-%S; R2 = 0,3 и ов = 556 + 1786-%S; R2 = 0,5. Увеличение содержания серы сопровождается снижением пластичности и ударной вязкости - KCV = 100 — 407-% S, R2 = 0,1. С уменьшением содержания серы значение ударной вязкости повышается, наиболее интенсивно при ее содержании менее 0,01 %. Как видно из рис. 1г, оптимальное сочетание механических свойств наблюдается при содержании <0,01 % серы.
Как показывает анализ, прочностные свойства листовой стали GL-A36 толщиной 20 - 40 мм после контролируемой прокатки наиболее тесно связаны с содержанием углерода, марганца, кремния, фосфора и в меньшей степени они зависят от содержания серы, алюминия и ниобия. С остальными элементами химического состава связь существенно слабее, или не обнаружена. Для ударной вязкости KCV+20 получены более низкие значения коэффициента достоверности аппроксимации R2, что свидетельствует о слабой корреляционной связи указанной характеристики и содержанием в стали С, Mn, Si, Р и S. Таким образом, проведенное исследование влияния содержания элементов на механические свойства листовой стали категории GL-A36 в состоянии после контролируемой прокатки позволило получить математические зависимости, которые дают возможность стабилизировать уровень характеристик механических свойства листового проката путем определения наиболее благоприятного содержания легирующих элементов в стали. Рекомендовано следующее содержание указанных элементов в стали, которое обеспечит необходимый уровень механических свойств: 0,14 % С, 1,26 % Мп, 0,28 % Si, 0,010 % S, 0,011 % Р. Исследования могут быть продолжены в направлении совершенствования химического состава, технологических параметров производства качественных сталей массового назначения.
Выводы
1. Получены парные математических модели и построены графики зависимости прочностных свойств и ударной вязкости от содержания химических элементов, которые позволяют рекомендовать усовершенствованный состав стали GL-A36.
2. Согласно полученным графическим зависимостям рекомендованное содержание элементов химического состава, обеспечивающее требуемый уровень механических характеристик, следующее: 0,07 % С, 1,3 % Мп, 0,35 % Si, 0,009% S, 0,013 % Р.
Перечень ссылок
1. Пилюшенко В.Л. Математическая модель механических свойств микролегированной феррито-перлитной стали / В.Л. Пилюшенко II Сталь. - 2002. - № 8. - С. 97 - 102.
2. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей: Пер. с англ. / Ф.Б. Пикеринг. - М.: Металлургия, 1982. - 184 с.
3. Основы сварки судовых конструкций: Учебник / С.Б. Андреев, B.C. Головченко, В.Д. Горбач, В.Л. Руссо. - СПб.: Судостроение, 2006. - 552 с.
4. Гладштейн Л.И. Высокопрочная строительная сталь / Л.И. Гладштейн, ДА. Литвиненко. -М.: Металлургия, 1972. - 240 с.
5. Гудремон Э. Специальные стали: Пер. с нем. / Э. Гудремон. - М.:ГНТИ, 1959. - Т. 1. - 952 с.
6. Матросов Ю.И. Сталь для магистральных газопроводов / Ю.И. Матросов, ДА Литвиненко. - М.: Металлургия, 1989. - 288 с.
7. Лахтин Ю.М. Материаловедение: Учебник / Ю.М. Лахтин, В.П.Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
Рецензент: A.M. Скребцов д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 30.01.2009
