Влияние элементов на свойства судостроительной стали

• Пути повышения прочности судостроительной стали

Легирующие элементы и примеси  в судокорпусной стали. Сталь представляет собой сложный сплав, в состав которого наряду с основными элементами—железом и углеродом, входят постоянные и случайные примеси. К постоянным примесям относят марганец, кремний и алюминий, вводимые в сталь при раскислении (в кипящей стали содержание кремния и алюминия очень невелико), а также серу, фосфор, кислород, азот и водород, присутствие которых обусловлено невозможностью полного их удаления при массовом производстве стали в мартеновских печах и кислородных конвертерах. Случайные примеси— хром, никель, медь, мышьяк и др.— попадают в сталь из исходных шихтовых материалов. При необходимости производят легирование стали, т. е. повышают концентрацию тех или иных элементов с целью изменения строения и свойств стали в заданном направлении. Даже незначительное изменение содержания углерода, примесей или легирующих элементов оказывает сильное влияние на механические и технологические характеристики стали.

Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. В горячекатаном состоянии углеродистые конструкционные стали имеют состоящую из двух фаз (феррита и цементита) ферритно-перлитную структуру (рис. 5.10). Количество цементита находится в прямой зависимости от содержания углерода в стали. Например, при 0,17% углерода доля цементита составляет примерно 2,5% (остальное — феррит), при 0,34% углерода — 5%, а при 0,68% углерода количество цементита достигает 10 %. Увеличение в структуре конструкционной стали количества цементита (а следовательно, и перлита) вызывает повышение ее твердости НВ и прочности σв при одновременном понижении характеристик пластичности δ, ψ и вязкости KCU (рис. 5.11). Кривые, приведенные на рисунке, относятся к горячекатаной стали с ферритно-перлитной структурой. В зоне термического влияния сварки могут образоваться менее равновесные структуры стали (троостит, бейнит, мартенсит). Влияние углерода на их механические свойства еще более значительно. Твердость закаленной стали особенно резко увеличивается при содержании углерода в ней более 0,15—0,20%. Максимальная величина твердости углеродистых и низколегированных сталей в зоне термического влияния может быть определена уравнением: HV = 90+1050C + 47Si + + 75Mn + 30Ni + 31Cr, где С, Si, Mn, Ni и Cr — количество элементов, содержащихся в стали, %, из которого следует, что содержание углерода оказывает на твердость, а следовательно, и на свариваемость стали решающее воздействие. Если твердость в зоне термического влияния превышает твердость основного металла более чем на 20—30 %, то значительно возрастает опасность образования холодных трещин, падает ударная вязкость, повышается неоднородность по прочности сварного соединения. Поэтому стали с повышенным содержанием углерода (более 0,25%) необходимо сваривать, предварительно подогревая участки металла в зоне термического влияния и контролируя погонную энергию сварки, а сварные соединения следует термически обрабатывать.

Рис. 5.10. Ферритно-перлитная структура стали (стократное увеличение)

Рис. 5.11. Влияние концентрации углерода на механические свойства стали

Углерод ухудшает и некоторые другие технологические свойства стали, например способность к деформированию в горячем и особенно холодном состояниях. При увеличении его концентрации повышается порог хладноломкости и уменьшается значение ударной вязкости при температурах выше порога хладноломкости (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Влияние концентрации углерода на хладноломкость стали

В углеродистых и низколегированных судокорпусных сталях содержание углерода не превышает 0,22%, что обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств в сочетании с высокими значениями пластичности и вязкости.