Влияние толщины листового проката из стали s355nl на механические свойства

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

УДК 669.017.07

©Рябикина М.А.*,Ткаченко Ф.К.1 2, Иванова Т.Ю.3, Ставровская В.Е.4

ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ СТАЛИ S355NL НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Исследовано влияние толщины листов нормализованных сталей S355NL, легированных ниобием, а также ниобием и ванадием на механические свойства. Установлено, что с увеличением толщины листов от 20 до 120 мм уровень механических характеристик плавно снижается. Введение в сталь ванадия обусловливает повышение прочностных характеристик стали, но снижает работу удара при отрицательных температурах испытания.

Ключевые слова: механические свойства, толщина листов, микролегирование.

Рябікіна М.А., Ткаченко Ф.К., Іванова Т.Ю., Ставровська В.Є. Вплив товщини листового прокату із сталі S355NL на механічні властивості. Досліджено вплив товщини листів нормалізованих сталей S355NL, легованих ніобієм, а також ніобієм і ванадієм на механічні властивості. Встановлено, що зі збільшенням товщини листів від 20 до 120 мм рівень механічних характеристик плавно знижується. Введення в сталь ванадію обумовлює підвищення міцності сталі, але знижує роботу удару при негативних температурах випробування.

Ключові слова: механічні властивості, товщина листів, мікролегування.

M.A. Ryabikina, F.K. Tkachenko, T.Yu. Ivanova, V.E. Stavrovskaya. The influence of the thickness of rolled sheets and plates, made of steel S355NL on the mechanical properties. The influence of plate thickness normalized steels S355NL, alloyed with niobium, and niobium and vanadium on the mechanical properties was investigated. It was found that with the increase of plate thickness from 20 to 120 mm the level of mechanical properties of continuously decreased. The introduction of vanadium into steel causes the increase of the strength characteristics of steel, but it reduces the work of impact test at low temperatures.

Key words: mechanical properties, thickness of the sheets, microalloying.

Постановка проблемы. Высокий уровень прочности и хладостойкости конструкционных сталей достигается микролегированием сильными карбо- и нитридообразующими элементами. С этой целью используются ниобий, ванадий и титан, карбонитриды которых обусловливают дисперсионное упрочнение, а также измельчение аустенитного и действительного зерна стали. Одной из актуальных задач современной металлургии является определение оптимальных концентраций микролегирующих элементов, обеспечивающих требуемую конструктивную прочность листовых сталей в результате прокатки и последующей термической обработки.

Цель статьи. Выполнить исследования влияния толщины и состава листового проката на свойства нормализованных сталей S355NL, направленные на улучшение качественных показателей листового проката ответственного назначения.

Анализ последних исследований и публикаций. Наиболее эффективное действие кар-бонитридов на свойства стали достигается при таком содержании легирующих элементов и температуре аустенитизации, которые обеспечивают переход в раствор упрочняющей фазы в количестве, достаточном для последующего дисперсионного упрочнения, а нерастворенной остается такая ее часть, которая необходима для создания эффективных барьеров, тормозящих рост зерен при нагреве. Однако при большой концентрации малорастворимые примеси диффундируют к границам зерен, являющимся областями с меньшей плотностью, обогащают их,

1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

3 начальник термического сектора прокатной лаборатории ИТЦ ТУ ОАО «МК «Азовсталь»

4 инженер термического сектора прокатной лаборатории ИТЦ ТУ ОАО «МК «Азовсталь»

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

вызывая охрупчивание. Как известно [1, 2], нитрид титана формируется при довольно высоких температурах, поэтому он практически не может быть растворен в аустените при нагреве под нормализацию. Карбонитрид ниобия в полной мере растворяется в аустените лишь при нагреве до 1250 °С, в то время, как карбид ванадия характеризуется высокой растворимостью в аустените при относительно низкой температуре. Исследованию влияния микролегирующих элементов на свойства конструкционных сталей посвящены работы [1-3].

Изложение основного материала. Сталь марки S355NL классифицируется Евронормами EN 10025-3 как низколегированная качественная сталь и относится к свариваемым мелкозернистым нормализованным сталям. Химический состав стали, %: С,пах=0,18; Mn=0,9-1,65; Simax=0,50; Pmax=0,025; Smax=0,02; Nbmax=0,05; Vmax=0,12; Almrn=0,02; Timax=0,05; Cw=0,3; Nimax=0,05; Cumax=0,5; Momax=0,1; Сэт.^^0,45. К данной стали предъявляются повышенные требования к пределу текучести (табл. 1) и предназначена она для работы при низких температурах.

Таблица 1

Требуемые механические свойства стали S355NL

Марка стали Толщина, мм 00,2mm, МПа Obmin, МПа ^тіш % KVmm, Д дольных ту Ж при испытании прообразцов при темпера-эе испытания, °С KVmm, Д речных ту ж при испытании попе-образцов при темпера-ре испытания, °С

S355NL <16 355 О СП 40 •I* о С-» 22 +20 0 -10 -20 -30 -40 -50 +20 0 -10 -20 -30 -40 -50

>16<40 345 63 55 51 47 40 31 27 40 34 30 27 23 20 16

>40<63 335

>63<80 325 21

>80<100 315

В данной работе выполнен анализ зависимости механических свойств от толщины листов для S355NL, изучены особенности микроструктуры стали с различным содержанием ванадия. Для аналитического исследования и построения графиков (рис. 1-2) был выбран массив, состоящий из 4849 результатов испытаний прочностных свойств, 7731 испытаний работы удара при -20 °С, 6561 испытаний работы удара при -40 °С листового проката толщиной от 10 до 100 мм после нормализации. Массив разделен на 2 части, в первую вошли плавки, не содержащие ванадий, во вторую - плавки с 0,03^0,06% ванадия.

Рис. 1 - Сравнительный анализ прочностных характеристик стали марки S355NL толщиной 10М00 мм с 0,03 0,06% ванадия и без ванадия

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

250 *)ПП KV( KV-20 №>) -в (Nb)=-0.01 R- = 06o2 + 0,36<. 0,5353 > + 176.5

vsT.

150  J *

1 пп "кИ  *Jb+V) 1  ЦІ J 1 1

СП KV -20(Nb+V)- 20=0.00152 R-'=0.22< -0.59515+ >4 169.31

0

0 20 40 60 80 100 120

Толщина листа, мм

а)

*

o'

І

а

%

£

сЗ

н

о

*8

Рч

250

200

150

100

50

W (Nb) KV-40(Nb)  = 0.004252' R;= 0." 0,64138+ 68 40,32

.>y* ІЩ  * „

*1  JL      — •  1 _  _ J |

ї 1 r: -1 Iі I 1

KV (b Jb+V) *  і

к V-40(Nb+V >=-0.02445 R-=0.3! + 1,85035 >04 1-127,05

20

40

60

80

100

120

б)

Толщина листа, мм

Рис. 2 - Сравнительный анализ работы удара образцов, отобранных вдоль направления прокатки стали марки S355NL толщиной 10+100 мм с 0,03+0,06% ванадия и без ванадия: а - работа удара при -20 °С, б - при -40 °С

Как видно из рисунков, введение ванадия в сталь с Nb приводит к повышению, главным образом, временного сопротивления разрыву; предел текучести при вводе ванадия увеличивается незначительно. Кроме того, на графиках представлены зависимости ов = f(8) и о0,2 = f(8) для стали S355NL разных систем легирования. Для ов = f(8, мм) R2 ~ 0,3, а для уравнения о02 = f(8, мм) R2 ~ 0,8. С увеличением толщины листов от 10 до 100 мм предел прочности ов практически не изменяется и находится в пределах доверительного интервала, а предел текучести о02 заметно снижается от 430 МПа при 8 = 10 мм до 360 МПа при 8 = 100 мм (примерно на 70 МПа). Такая тенденция изменения о02 характерна для стали S355NL только с Nb и с Nb + V.

Работа удара понижается с увеличением толщины листов как при испытании при -20 °С, так и при -40 °С. Для указанных температур испытания KV(Nb) всегда больше KV(Nb+V) на -20+30 Дж. Поэтому, если требуется проведение испытаний при отрицательных температурах, введение ванадия в данную сталь нецелесообразно. Опытные зависимости аппроксимируются уравнениями полиномиального вида с R2 = 0,5+0,8 для KV(Nb) и R2 = 0,2+0,4 для KV(Nb+V). Более высокие коэффициенты достоверности аппроксимации R2 для KV стали S355NL с Nb свидетельствуют о более стабильных результатах испытаний по Шарпи и меньшем разбросе

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

значений работы удара относительно ее среднего значения, что также может служить косвенным подтверждением неблагоприятного влиянии ванадия на работу удара этой стали S355NL, как для листов, так и для плит.

Для изучения микроструктуры и определения размера зерна отобраны пробы толщиной 40^60 мм после нормализации листового проката стали S355NL. Режимы термической обработки и содержание ванадия в исследованных пробах представлены в таблице 2.

Таблица 2

Режим термической обработки изучаемых сталей

Плавка S355NL Содержание V, % Толщина, мм Режим нормализации Печи, в которых производился нагрев

1 <0,005 40 920 °С; 1,5 мин/мм Роликовые непрерывного действия

2 0,034 50 920 °С; 1,5 мин/мм

3 0,054 55 890 °С; 1,6 мин/мм Камерные печи с выкат-ным подом

4 <0,005 60 890 °С; 1,6 мин/мм

Результаты исследований микроструктуры и оценки размера зерна по ГОСТ 5639 представлены на рис. 3. Микроструктуру исследовали после травления шлифов в 4%-м спиртовом растворе HNO3. Микроструктура всех образцов феррито-перлитная с увеличенным количеством перлитной составляющей в осевой зоне.

а) плавка 1 (без ванадия), № зерна - 11

в) плавка 3 (0,054% V), № зерна - 9

б) плавка 2 (0,034% V), № зерна - 9

г) плавка 4 (без ванадия), № зерна - 8

Рис. 3 - Микроструктура (*200) исследованных проб

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

Как видно из приведенных фотографий микроструктуры, а также по результатам оценки размера зерна, добавление ванадия в сталь заметного влияния на изменение структуры не оказывает.

Выводы

1. Регрессионный анализ влияния толщины листов на механические свойства конструкционной стали S355NL, микролегированной только ниобием и одновременно ниобием и ванадием показал, что добавление ванадия в сталь приводит к повышению ов и о0,2, работа удара при -20 и -40 °С при этом снижается. Для указанных температур испытания KV(Nb) больше KV(Nb+V) на ~20-30 Дж. С увеличением толщины листов от 20 до 120 мм все характеристики механических свойств имеют тенденцию к снижению.

2. Исследована микроструктура листовой стали S355NL с различным содержанием ванадия на поверхности, на % от поверхности и в центре листа после нормализации от 890 и 920 °С. Установлено, что на поверхности микроструктура представляет собой зерна феррита №8-10 и перлита. На % от поверхности и в центре листа ферритное зерно несколько крупнее, №8, с явно выраженной полосчатостью. Колебания содержания ванадия не оказывают заметного влияния на структуру листовой стали.

3. Результаты выполненного анализа дают основания считать, что при условии сохранения содержания всех элементов, за исключением V, на уровне Евронорм, введение ванадия является нецелесообразным.

Список использованных источников:

1. Liu Yong , Zhang Zhongping. Vanadium's Impact on Metallographic Transitions of HSLA Steel // International Seminar 2005 on Application Technologies of Vanadium in Flat - Rolled Steels. -2005. - P. 105-109.

2. Rassizadehghani J. Mechanical Properties of V-, Nb-, and Ti-bearing As-cast Microalloyed Steels / J. Rassizadehghani, H. Najafiy, M. Emamy, G. Eslami-Saeen // J. Mater. Sci. Technol. -2009. - № 6. - P. 779-784.

3. DeArdo J. Niobium in Modern Steels // International Materials Reviews. - 2003. - № 6. - P. 371.

Bibliography:

1. Liu Yong , Zhang Zhongping. Vanadium's Impact on Metallographic Transitions of HSLA Steel // International Seminar 2005 on Application Technologies of Vanadium in Flat - Rolled Steels. -2005. - P. 105-109.

2. Rassizadehghani J. Mechanical Properties of V-, Nb-, and Ti-bearing As-cast Microalloyed Steels / J. Rassizadehghani, H. Najafiy, M. Emamy, G. Eslami-Saeen // J. Mater. Sci. Technol. -2009. - № 6. - P. 779-784.

3. DeArdo J. Niobium in Modern Steels // International Materials Reviews. - 2003. - № 6. - P. 371.

Рецензент: А.М. Скребцов

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 15.02.2012