Сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали с повышенным пороговым значением коэффицента интенсивности напряжений, предназначенной для строительных конструкций и деталей машиностроения. Сталь дополнительно содержит комплексный карбонитрид ниобия и титана при следующем соотношении компонентов, мас. углерод 0,10 0,25; марганец 0,40 0,65; кремний 0,10 0,30; комплексный корбонитрид ниобия и титана 0,03 0,10; алюминий 0,01 0,10; железо остальное. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии сталей повышенной прочности для строительных конструкций и деталей машиностроения.

Известна сталь следующего химического состава, мас. Углерод 0,16-0,25 Кремний 0,25-0,40 Марганец 0,50-1,10 Алюминий 0,17-0,30 Кальций 0,005-0,017 Железо Остальное (а.с. N 952988, кл. С 22 С 38/06).

Сталь предназначена для производства горячекатаных листов толщиной до 20 мм, используемых в строительстве и машиностроении для сварных металлических конструкций. Сталь обладает удовлетворительными пластическими свойствами и ударной вязкостью, однако не позволяет обеспечить высокое пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений при циклических нагрузках.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному результату является сталь, содержащая, мас. Углерод 0,15-0,35 Кремний 0,15-1,00 Марганец 0,4-1,5 Ванадий 0,04-0,18 Ниобий 0,008-0,1 Алюминий 0,02-0,15 РЗМ 0,002-0,2 Железо Остальное (по а.с. N 753924, кл. С 22 С 38/12).

Сталь используется для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, имеет удовлетворительную прочность, но не может обеспечить повышенную устойчивость к растрескиванию при циклических нагрузках, так как имеет низкое пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений.

Цель изобретения создание стали с высоким пороговым значением коэффициента интенсивности напряжений.

Цель достигается тем, что сталь дополнительно содержит комплексный карбонитрид ниобия и титана в следующем соотношении, мас. Углерод 0,10-0,25 Марганец 0,40-0,65 Кремний 0,10-0,30 Алюминий 0,01-0,10 Nb_0,4Ti_0,6C_0,8N_0,2 0,03-0,10 Железо Остальное При сравнении заявляемого изобретения с прототипом было выявлено, что существенным отличительным признаком данного изобретения является введение в состав стали нового компонента комплексного карбонитрида ниобия и титана при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 0,10-0,25 Марганец 0,40-0,65 Кремний 0,10-0,30 Алюминий 0,01-0,10 Nb_0,4Ti_0,6C_0,8N0_,2 0,03-0,10 Железо Остальное Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "Новизна".

В результате анализа известных составов сталей выявлены стали, в которых достигается повышение механических свойств при введении ниобия: (а.с. N 10766485 БИ N 8, 1984, а.с. N 1046324 БИ N 37, 1983); ударной вязкости и хладостойкости при введении титана (а. с. N 657079, БИ, N 14, 1979, а.с. 1152972 БИ N 35, 1984). Также обнаружено авторское свидетельство, в котором введение ниобия и титана (а.с. N 1073322 БИ N 6 1984) обеспечивает повышение прокаливаемости и сопротивления разупрочнению при отпуске.

Однако, ни в одном из выявленных решений не достигается повышения порогового значения коэффициента интенсивности напряжений.

Таким образом, содержание элементов и их соотношение в стали обеспечивает новое свойство повышение порогового значения коэффициента интенсивности напряжений, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Изобретательский уровень".

Присутствие дисперсных комплексных карбонитридов ниобия и титана Nb_0,4Ti_0,6C_0,8N_0,2 в количестве 0,03-0,10 мас. обеспечивает повышение порогового значения коэффициента интенсивности напряжений при циклических нагрузках. При циклическом нагружении движущиеся дислокации "наматываются" на частицы комплексных карбонитридов, возле частиц образуются скопления дислокаций, которые играют роль барьеров при дальнейшем движении дислокаций. В связи с этим формирование полосовой структуры с областями, свободными от дислокаций, и вытянутыми дислокационными стенками замедляется до более высоких значений напряжения либо большего числа циклов нагружения, что свидетельствует о повышении порогового значения коэффициента интенсивности напряжений при росте трещины в докритический период.

Пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений связано с изменением структуры металла у вершины трещины, а также зависит от энергии дефекта упаковки стали определенного состава. Присутствие дисперсных равномерно распределенных комплексных карбонитридов ниобия и титана при циклических нагрузках приводит к уменьшению размера субзерен в зоне у вершины трещины. Формирование субзеренной структуры с малым размером ячейки определяет повышение порогового значения с малым размером ячейки определяет повышение порогового значения коэффициента интенсивности напряжений, что в свою очередь снижает возможность разрастания трещин. Кроме того наличие в стали комплексных карбонитридов ниобия и титана повышает энергию дефекта упаковки, ускоряя образование ячеистой структуры у вершины трещины, и таким образом повышает пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений.

Превышение верхнего предела в содержании комплексных карбонитридов ниобия и титана свыше 0,10 мас. приводит к возможности укрупнения частиц в процессе производства стали. Наличие крупных частиц карбонитридов облегчает процесс зарождения и развития трещины, снижает пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений. Снижение содержания комплексных карбонитридов ниобия и титана ниже 0,03 мас. не обеспечивает равномерного распределения частиц, центров торможения дислокаций становится недостаточно. Пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений снижается за счет ускоренного образования полосовой структуры. Снижение содержания комплексных карбонитридов ниже 0,03 мас. не дает эффекта воздействия на формирование ячеистой структуры, что приводит к низким пороговым значениям коэффициента интенсивности напряжений.

П р и м е р. Сталь выплавляли в конвертерной печи, производили легирование металла. Разливка осуществлялась в слитки весом 20 т. Сталь подвергали отжигу, прокатывали на лист толщиной 2 или 8 мм. Механические свойства и химический состав стали представлены в таблице.

Механические испытания проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84. Пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений определяли исходя из кинетики роста усталостной трещины: использована машина жесткого нагружения с постоянной амплитудой деформации и коэффициентом симметрии R=0,05, частота приложения нагрузки 14 Гц, использованы компактные образцы типа IV согласно РД 50-345-82.

Из таблицы видно, что предлагаемая сталь превосходит по своим характеристикам известную ( а.с. 753924 ).

Формула изобретения

СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит комплексный карбонитрид ниобия и титана при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,10 0,25 Марганец 0,40 0,65 Кремний 0,10 0,30 Алюминий 0,01 0,10 Комплексный карбонитрид ниобия и титана 0,03 0,1
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2