Z свойства стали что это

Слоистое разрушение металла и проверка Z-свойств по СП 16.13330.2011

С выходом СП 16.13330.2011 (и до него — в СТО 02494680-0056-2007) очень много сказано о хрупком (слоистом) разрушении металла. По этому поводу возникло несколько вопросов, буду рад компетеным ответам:
1. ГОСТ 28870-90 регламентирует испытания по Z-свойствам только для листового проката свыше 15 мм. Для листа толщиной менее 15 мм, фасонного металлопроката, в том числе: коробчатых и круглых труб, на сегодняшний день (металлурги пусть меня поправят если я ошибаюсь) проверка Z-свойств невозможна, т.е. например п.15.2.5 СП16.13330.2011 невыполним для фасонного проката.
2. Заказ листового проката с определённой группой качества по ГОСТ 28870-90 дороже примерно на 10%, чем без подобных испытаний, поэтому необходимо уточнить необходимость в Z-свойствах, например в обычном узле приварки фасонки к чему либо: согласно п.13.5 в суммарном факторе риска даже если выбрать обычное тавровое соединение с угловыми швами (Ψzф=0), с низкой степенью жёсткости соединения (Ψzж=0), с одним проходом сварки (Ψzс=0), то фактор толщины листа Ψzт и фактор величины катета углового шва Ψzш всё равно дадут положительное значение Ψzр, которое, получается, необходимо сравнивать минимум с Ψzн=15.
3. Резюмируя пп.1 и2, возможно авторы СП имели в виду, что при наличии растягивающих напряжениях по Z менее 0,4Rу (п.13.2), или применении углеродистой стали любой толщины, или низколегированной стали толщиной менее 25 мм (п.13.3), или при применении фасонного проката исключается возможность слоистого разрушения и нет необходимости в группе качества проката по ГОСТ 28870-90?
Спасибо за внимание, жду откликов

Сорта и свойства стали

Сталь представляет собой сплав углерода и железа с добавлением различных химических элементов. Ее свойства напрямую зависят от содержания углерода. При нагреве сталь переходит из твердого состояния в пластичное, а затем в жидкое. Это качество позволяет получать стальные изделия как методом ковки, так и отливки.

Еще одно важное свойство стали – способность принимать закалку. Технологический нагрев и охлаждение позволяют значительно увеличить прочность.

Свойства стали напрямую зависят от процентного содержания таких компонентов, как:

• углерод. Чем его больше, тем выше прочность и твердость, но ниже пластичность;
• феррит. Обеспечивает мягкую и пластичную микроструктуру;
• фосфор. Вредная примесь, которая придает стали хрупкость при низких температурах;
• легирующие добавки (хром, молибден, вольфрам, титан и т. д.). В той или иной степени все эти элементы улучшают механические и эксплуатационные свойства стали. Например, делают ее нержавеющей.

Сорта стали

Основной состав – это железо и углерод. Включение дополнительных компонентов позволяет получать разные сорта стали. Поставщики подразделяют сталь на две больших группы: углеродистая и специальная (легированная).

Углеродистая бывает конструкционной и инструментальной. Последняя делится еще на две группы: обыкновенного качества и качественная. Основное отличие заключается в прочности. Пример маркировки: Ст1кп, Ст5сп, Ст6пс. Расшифровывается следующим образом:

• Ст – сталь;
• цифры от 1 до 6 – показатель содержания углерода;
• кп, пс, сп – тип стали (соответственно, кипящая, полуспокойная, спокойная).

Легированные стали также делятся на конструкционные и инструментальные. Для инструментальных существует еще три категории в зависимости от качества.

Производство стали

Основным сырьем является литейный или передельный чугун. Основной задачей при производстве стали из лома является снижение до нужного значения концентрации углерода и вредных примесей, которые обеспечивают ломкость и хрупкость.

Существует несколько способов окисления углерода:

• конверторный;
• мартеновский;
• электротермический.

Чугун, губчатое железо, металлолом, фрагменты черного и цветного металла – это исходное сырье, в состав которого также обязательно включаются шлакообразующие добавки (известь, алюминий, ферромарганец) и легирующие элементы.

Конвертерный способ предусматривает рафинацию примесей путем продувки кислородом. Не требует внешнего источника тепла, но при этом подходит только для работы с расплавленным передельным чугуном. Подовый процесс осуществляется в мартеновских и электрических печах.

Еще информация по теме:

ГОСТ 28870-90 Сталь. Методы испытания на растяжение толстолистового проката в направлении толщины

Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний на растяжение в направлении толщины при температуре ( ) °С то лст олистового проката с но рмированны м миним альным зн ачени ем предела текучест и не более 600 Н/мм 2 и толщиной от 15 до 160 мм для определения х аракт ери сти к механических свойств:

относительного удлинения после разрыва;

относительного сужения после разрыва.

Допускается определение других характеристик (временного сопротивления и предела текучести) в соответствии с ГОСТ 1497.

Термины, определения и об о значения — по ГОСТ 1497.

1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

1 .1 . Отбор проб для изгот овления образцов проводят на расстоянии полови ны ширины проката с любого конца листа или полосы.

Остальные требо в ания к отбору проб — по ГОСТ 7564.

1.2 . Образец вырезают из от обранной пробы механическим спо собом таким образом, чтобы его ось была перпендикулярна к по верхности проката.

1 .3 . Количество об разцов, отбираемых для проведения испы тан ий, устан авливаетс я в нормативно-технической документации на металлопродукцию. При отсутствии указаний о количестве образцов должно быть испытано три образца от каждого контролируемого листа.

1 .4 . Форма и размеры образцов приведены в приложении 1.

Допускается применение образцов других типов и размеров .

1 .5 . Диаметр р абочей части образца в зависимости от толщины проката должен соответствовать значениям, приведенным в табл. 1.

Толщина листа, t , мм

Диаметр рабочей части d ₀ , мм

20 ≤ t ≤ 32

Отношение длины рабочей части образца к его диаметру (кратно с ть образца) должно быть не менее 1 ,5 .

1 .6 . Требования к изготовлению образцов, предельным отклонениям размеров и марк ировке — по ГОСТ 1497 .

1 .7 . Допускается изготовление образцов с применением сварки для соединения рабочей и захватных частей образца.

Рекомендации по изготовлению образцов с применением сварки приведены в приложении 2.

1 .8 . Для листов толщиной от 15 до 20 мм способ изготовления образцов устанавливается в нормативно-технической документации на металлопродукцию. При этом диаметр рабочей части образца должен быть равен 6 мм, длина рабочей части — не менее 9 мм.

2. АППАРАТУРА

Аппаратура — п о ГОСТ 1497.

3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ

3 .1 . За начальную расчетную длину принимают рабочую длину образца l .

Для опред е ле ния относительного удлинения рабочую длину ограничивают кернами, рисками или иными метками.

Измерение рабочей длины l до испытания и рабочей длины l _к после разрыва образца проводят штангенциркулем или другим измерительным средством с погрешностью измер ения до 0,1 мм.

3 .2 . Допус кается для опр еделения абсолют ног о у длинения рабочей части образца из мерять расстояние l _нм между го ловками образца.

3 .3 . Допускается вычислять рабочую длину образца ( l ), мм, по формуле

l = l _нм — 2r ,

где l _нм — расст ояние между головками образца, мм:

r — радиус перехода от рабочей ча с ти к головке об разца, мм.

3 .4 Начальный диаметр рабочей части образца d ₀ измеряют в трех сечениях штангенциркулем или другим измерительным средством с погрешностью измерения до 0 ,05 мм.

За диаметр d ₀ принимают наименьшее значение из измеренных.

3 .5 . Остальные требования к измерению образца и правилам округления — в соответствии с ГОСТ 1497 .

4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4 .1 . При проведении испытаний устанав ливают скорость перемещения активного захвата испытательной машины, при которой скорость нагруж ения до начала текучести должна быть от 3 до 30 Н/мм 2 ·с.

4 .2 . От носительное удлинение образца после разрыва δ _z в процентах вычисляют по формуле

где l _к — длина межд у кернами или другими метками, мм;

l _{к м} — длина между головками образца после его разрыва, мм.

Прим еча ние . Относительное удлинение δ _z може т быть определен о с помощью специальных приборов (микропроцессоров) бе з измерени я l _к и l _{к м} .

4 .3 . Величина относ ительного удлинения должна быть указана вместе с кратностью о бр азца, например δ _{z (2 ,5 )} .

4 .4 . Относ ит ельное суже ние образц а после разрыва ( ψ _z ) в процентах вычисляют по формуле

F ₀ — начальная площадь по перечного сечен ия образ ца, мм 2 ;

F _к — минимальная площадь поперечного сечен и я после разрыва, мм 2 ;

d ₁ и d ₂ — измеренные значения взаимно перпендикулярных диаметров в месте на и большего сужения образца. Если сечение поверхности образца после разрушения имеет эллиптичес кую форму, то d ₁ и d ₂ должны быть измерены по осям эллипса.

В приложении 3 приведена кла с сификация листового проката в зависимости от значения относительного сужения.

4 .5 . Результаты испытаний считают недействительными при разрушении образца за пределами рабочей части образца, а также при разрушении, обусловленном дефектами изготовления в сварных образцах.

4 .6 . Остальные требован ия к проведению испытаний, измерению образцов и оценке результатов испытаний — в соответствии с ГОСТ 1497 .

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Обя з ательное

ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ В НАПРАВЛЕНИИ ТОЛЩИНЫ ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА

1. Форма и размеры образца, изготовленного из цельной и ли сварной заготовки.

1. Размеры головок образца являются рекомендуемыми и устанавливаются в зависимости от размеров захватных устройств испытательной машины. Допуска ется изготовление резьбовых головок образца.

2. Для образцов изготовляемых из листов имеющих толщину в пределах, указанных в табл. 2, длина l выбирается соответств ую щей толщине, ближайшей к толщине листа. При этом размер h ₁ у величивается или уменьшается на полуразность между фактической толщиной и указанной в таблице.

Лист толщиной 22 мм. Размер l = 9 мм, h ₁ = 5 мм.

Лист толщиной 23 мм. Размер l = 12 мм, h ₁ = 4 мм.

3. При изготовлении образцов из листов толщиной более 50 мм допускается проводить механичес кую обработку торцов головок образца. При этом середина рабочей части образца должна соответствовать середине толщины листа.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендуемое

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ОБРАЗЦОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СВАРКИ

1. Если толщина листа не позволяет изготовление образцов из цельной заготовки, допускается соединение захватной части образца с рабочей методом сварки.

Сварку можно осуществлять любым доступным методом (наплавкой, сваркой трение м , контактной сваркой, ручной дуговой сваркой), исключающим изменение свойств испытуемого материала.

Два типа образцов с применением сварки для крепления захватной части к рабочей представлены на черт. 2 (а, б).

t — толщина листа

2. При из готовлении образцов с применением сварки заготовки для захват ных частей образцов должны изготовляться из испытуемого материала или другой свариваемой стали с прочностными характеристиками не ниже прочностных характеристик испытуемого материала.

3. Сварку осуществляют с полным проплавлением (н ес плош ности не допус каются) по технологии принятой для конкретных марок стали, обеспечивающей минимальную ширину зоны термического влияния.

4. Электроды для наплавки и сварки должны обеспечивать получение на плавленного металла и металла швов с прочностными характеристиками не ниже прочностных характеристик испытуемого материала.

Пр и менение электродов для наплавки по ГОСТ 10051 не допускается.

5. При изготовлении образцов с примене нием н аплавки и спользуютс я заготовки испытуемого материала размером t × 100×200 мм, где t — то лщина листа (черт. 3а). Многослойная наплавка на одну или обе поверхност и загот овки в ее центральной части выполняется узким и валиками толщиной 4 мм, накладываем ыми в направлении вдоль длинной стороны заготовки. Общая ширина и высота на плавки должны обеспечивать воз можность изготовления образцов с захватными частями (черт. 3б ).

Наплавленная заготовка, за исключением удаляемых начального и конечного участков длиной не менее 30 мм каждый (начало и конец валиков), способом холодной механической обработки разрезается на темплеты, из которых после шлифовки, травления и разметки изготовляют образцы. Толщина тем плетов должна быть не менее диаметра захватных частей образцов с припуском на обработ ку.

6. При изготовлении образцов с применением сварки трением или контактной сваркой из испытуемого материала вырезают цилиндрические заготовки для рабочей и захватных частей образца (черт. 4а). Заготовки для рабочих частей вырезают в направлении толщины проката, заготовки для захватных частей — в направлении длины или ширины листа. Диаметр заготовок должен быть не менее диаметра захватных частей образца с прип уском на обработку; длина заготовок для захватных частей произвольная.

После приваривания заготово к захватных частей к заготовке рабочей части (ч ерт. 4б ) производят обработку соединения на токарном станке , шлиф овку, травление (для выявления мест сварки), разметку и изготовление образцов.

7 . При изготовлении образцов с применением ручной дуговой сварки вып олняют крестовые соединения (черт. 5,а), для которых испол ьзуют по одной заготовке размерами t ₁ ×100×200 мм из испытываемого материала и по две заготовки размерами t ₁ ×100×200 мм из листа толщиной t ₁ , равной или превы ш ающ ей диам етр захватн ой части образца с припуском на обработку.

Форма кромок привариваемых заготовок, форма поперечного сечения соеди н ения и выполн енных швов должны соответствовать требованиям к соединениям типа Т8 по ГОСТ 5264.

Соединен и е, за исключением удаляемых начального и конечного участков длиной не менее 30 мм каждый (начало и кон ец швов), способом холодной механической обработки разре зают на темплеты (черт. 5б ), из которых после ш лифовки, т рав ления и разметки изготовляют образцы (черт. 5в). Толщ ина т ем плетов должна быть не менее диаметра захватных частей образцов с припуском на обработку.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рекомендуемое

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЗНАЧЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СУЖЕНИЯ

Низколегированные стали с высокими z -свойствами

Снижение механических свойств по толщине проката вызвано скоплениями неметаллических включений значительной протяженности.

Необходимость повышения эксплуатационных свойств проката по толщине особенно актуальна при использовании в конструкциях листов толщиной свыше 20 мм.

В работах исследована анизотропия механических свойств в сталях обычной чистоты. Оценка механических свойств образцов, вырезанных поперек проката (стандартное направление), и образцов, вырезанных в направлении толщины листа (z-направление), показала их существенное различие.

Аналогичные результаты получены в многочисленных отечественных и зарубежных работах, выполненных в большом объеме в 70-х гг. и обобщенных, например, в трудах ЦНИИСК им В. А. Кучеренко. Низкие свойства толстых листов в z-направлении могут привести к отказам при изготовлении и эксплуатации сварных конструкций, прежде всего при воздействии нагрузок по толщине проката: во фланцевых соединениях, в узлах примыкания балок к колоннам, монтажных «рыбках» и целом ряде других. Наконец, при сварке толстых листов из-за низких z-свойств могут возникать трещины под влиянием действующих по толщине остаточных растягивающих напряжений, поскольку они соизмеримы с пределом текучести. В результате разрушения металла при растягивающих нагрузках в z-направлении образуется характерный излом, подробно описанный в литературе, в том числе в работах. Морфология такого излома резко отличается от излома «чашечкой», получающегося при испытаниях образца, вырезанного в стандартном направлении.

Аналогичные разрушения сварных соединений классифицируются как ламиллярные трещины или слоистое растрескивание. В некоторых работах отмечается, что слоистое растрескивание является основным дефектом сварных современных конструкций. Слоистое разрушение развивается с малой энергоемкостью по микровязкому «ямочному» механизму.

При электронномикроскопическом анализе на дне неглубоких ямок хорошо видны неметаллические включения, в первую очередь сульфиды марганца.

Причиной снижения свойств в z-направлении и слоистого разрушения на микроструктурном уровне является действие неметаллических включений, в первую очередь строчечных сульфидов, строчечных и точечных оксидов, а также силикатов. Крайним случаем снижения z-свойств толстых листов является расслой, вызванный, главным образом, скоплением крупных хрупких силикатов. Разумеется, неметаллические включения влияют не только на свойства в z-направлении. По мере снижения содержания серы протяженность и количество сульфидов уменьшается.

Проблема повышения чистоты стали на современном этапе решается с использованием ковшовой металлургии или Специальных агрегатов. Такое производство налажено на ряде отечественных металлургических комбинатах, где проводится десульфурация в ковше с помощью синтетических шлаков, продувка синтетическими порошками, вакуумирование стали, продувка аргоном, обеспечивающая удаление газов и перемешивание стали.

Особо эффективным является десульфурация синтетическими шлаками, имеющими обычно следующий состав: около 50—55% СаО; менее 7% MgO; 37-43 % Аl₂0₃; менее 7% SiO₂, — и температуру плавления 1300-1400° С. Рафинирование стали дает хорошие результаты при комплексном использовании синтетических шлаков, вдувании в ковш порошкообразных соединений кальция, а также обработке металла в ковше силикокальцием, ферросилицием, ферротитаном. Комплексное рафинирование и модифицирование неметаллических включений, проводимое на комбинате «Азовсталь» имеет, высокую эффективность.

Комплексное рафинирование особенно эффективно при обработке металла в ковше редкоземельными элементами, так как в этом случае особенно активно происходит глобулирование неметаллических включений.

Весьма перспективным способом уменьшения расслоения стали является применяемое на металлургическом комбинате «Азовсталь» вакуумирование металла в комплексе с понижением содержания кремния и продувкой аргоном. При этом резко снижается содержание крупных хрупких включений в осевой зоне листа.

При исследовании влияния вышеуказанных факторов на комбинате «Азовсталь» кремнемарганцовистую сталь С345 (ГОСТ 27772-88) подвергали различной обработке. В одной плавке было снижено содержание кремния с 0,60 % до 0,35 %, одну плавку вакуумировали. Все три плавки обрабатывали соединениями кальция и продували аргоном. Как показало исследование сплошности проката методом УЗК, вакуумирование является высокоэффективной операцией по устранению несплошности стали, в то время как снижение содержания кремния не дало ощутимых результатов. Таким образом, в результате применения новых металлургических технологических операций можно значительно улучшить эксплуатационные свойства толстого проката и в особенности повысить z-свойства стали. Кроме того, комплексное рафинирование в значительной степени устраняет появление в прокате расслоя металла в виде несплошностей.

В основе ГОСТ 28870-90, так же как и международного стандарта ISO 7773 «Стальной лист с заданными характеристиками по толщине», лежит нормирование требований по критерию ψ_z (сужение в z-направлении), оцененному при испытаниях цилиндрических образцов, вырезанных в z-направлении.

Теперь, после введения в действие отечественного стандарта, можно заказывать листовой прокат трех групп качества.

Таким образом, применение процессов десульфации и модифицирования неметаллических включений позволяет получить высокие z-свойства у толстых листов из сталей повышенной и высокой прочности, а вакуумирование металла снижает количество расслоев в прокатке.