Обрабатываемость, свариваемость и свойства стали

Обрабатываемость, литейность, формуемость, прокаливаемость и свариваемость стали

Стали определяются прежде всего их химическим составом, а именно тем, что они представляют собой сплавы, состоящие из железа и других легирующих элементов [1]. Существует много классов стали, таких как легированная сталь, углеродистая сталь и нержавеющая сталь. Способности стали относятся к тому, насколько легко с ней можно обращаться для практического применения. Это отличается от свойств стали, которые включают механические свойства, такие как прочность на растяжение и твердость, тепловые свойства, такие как коэффициент теплового расширения, и другие, но определяется ими.

Здесь вы узнаете о:

Обрабатываемость стали
Литейные свойства стали
Формуемость стали
Прокаливаемость стали и как ее измеряют
Свариваемость различных марок стали

Рисунок 1. Стальные трубы в различных формах

Обрабатываемость стали

Обрабатываемость определяется как легкость, с которой металл может быть обработан. Проще говоря, это легкость, с которой стальная стружка может быть удалена при различных операциях механической обработки с сохранением удовлетворительного качества отделки. Как правило, обрабатываемость стали снижается с увеличением механических характеристик.

К факторам, влияющим на обрабатываемость стали, относятся ее физические свойства, такие как модуль упругости, теплопроводность, твердость. Состояние стали также влияет на ее обрабатываемость. Микроструктура, размер зерна, термообработка, изготовление, химический состав, предел текучести и предел прочности на растяжение определяют состояние стали.

Количественно оценить обрабатываемость сложно, так как на нее влияет множество факторов. Тем не менее, некоторые из критериев, которые необходимо учитывать при оценке обрабатываемости стали, представлены в таблице ниже.

Таблица 1. Критерии оценки обрабатываемости стали

Критерии оценки обрабатываемости стали

Описание

Стойкость инструмента описывает, как долго служит инструмент, и является полезным параметром для оценки обрабатываемости стали. Однако это также зависит от других факторов, таких как скорость резания, материал режущего инструмента, геометрия режущего инструмента, геометрия резания и состояние станка. Более легко обрабатываемая сталь — это та, которая обеспечивает более длительный срок службы инструмента при заданной скорости резания.

Стали, которые требуют более высоких сил резания для обработки в определенных условиях, хуже поддаются обработке.

Качество режущей кромки также может быть использовано для определения обрабатываемости металла. Стали с высокой способностью к деформационному упрочнению склонны к образованию наростов во время резки, что приводит к ухудшению качества поверхности. Холоднодеформированные стали не склонны к образованию наростов на кромках и поэтому считаются более поддающимися механической обработке.

Обрабатываемость различных типов стали можно сравнить со стандартной сталью с помощью индекс обрабатываемости, Он определяется как отношение скорости резания исследуемого типа стали за 20 минут к скорости резания стандартной стали за 20 минут. Углеродистая сталь SAE 1212 используется в качестве стандарта для расчета индекса обрабатываемости.

Таблица 2: Индекс обрабатываемости различных марок стали [2].

Стальной тип

Индекс обрабатываемости (%)

Литейные свойства стали

Литейность стали относится к легкости формирования качественных заготовок путем литья. На это влияют свойства текучесть, усадка и сегрегация.

Компания текучесть стали определяется как способность расплавленной стали заполнять полости литейной формы.
усадка относится к степени уменьшения объема, когда расплавленная сталь затвердевает. Низкая скорость усадки благоприятна для литейных свойств стали.
сегрегация относится к неоднородному распределению химического состава стального объекта. Это происходит из-за того, как сталь охлаждается во время литья: в первую очередь охлаждаются области, соприкасающиеся со стенками формы. Считается, что сталь с хорошей литейной способностью имеет низкую или незначительную сегрегацию. Его можно преодолеть медленным охлаждением или последующей термической обработкой.

Рисунок 2. Процесс литья, когда расплавленный металл заливают в форму.

Формуемость стали

Формуемость стали – это способность стальной заготовки подвергаться пластической деформации без повреждения. Проще говоря, это способность металла принимать желаемую форму без сужения или растрескивания.

Способность к формованию типа стали сильно зависит от ее пластичности, и поэтому ее можно оценить путем измерения деформации разрушения во время испытания на прочность на растяжение. Марки стали, демонстрирующие большое удлинение во время этого испытания, обладают хорошей формуемостью. Например, сталь A537 CL1 имеет удлинение 22 % при 20 ⁰C. Применяется в котлах и сосудах высокого давления.

Рисунок 3. Листы стали прокатывают благодаря своей формуемости.

закаливаемость

Способность стали образовывать мартенсит при закалке называется прокаливаемостью. Его не следует путать с твердостью стали. Твердость стали – это ее способность сопротивляться остаточной деформации, а прокаливаемость стали – это ее способность закаляться на определенную глубину при определенных условиях.

Испытание на закалку по Джомини часто проводят для определения прокаливаемости стали [3]. Здесь стальной стержень обрабатывается до определенного размера, прежде чем он нагревается до температуры аустенизации. Затем на торец стержня распыляют определенное количество воды, которая, в свою очередь, охлаждает образец с этого конца.

Скорость охлаждения варьируется между обоими концами стального стержня. Он быстрый на закаленном конце и медленнее на противоположном конце. После закалки образца параллельные плоские поверхности, расположенные на расстоянии 180⁰ друг от друга, шлифуют на глубину 0.015 дюйма (0.38 мм) по всей длине цилиндрического стержня. Далее стальной образец маркируется с интервалом 1/16. Через каждые 1/16 дюйма проводят испытание на твердость С по Роквеллу и строят кривую. Типичный график этих значений твердости и их положения на стальном стержне показан на рисунке 4 [3]. Он дает четкое представление о глубине затвердевания. Кроме того, по рисунку можно определить приблизительную скорость охлаждения в определенных местах.

Рисунок 4. График зависимости твердости и скорости охлаждения от расстояния до закаленного конца [3].

Свариваемость стали

Свариваемость стали трудно определить, но часто подразумевают способность стали сваривать обычными способами без образования холодных трещин. Свариваемость стали обратно пропорциональна ее прокаливаемости. Поскольку содержание углерода играет значительную роль в прокаливаемости стали, оно также влияет на ее свариваемость. Следовательно, с увеличением содержания углерода снижается свариваемость. Другие легирующие элементы, такие как марганец, никель и кремний, также влияют на свариваемость стали. Однако их влияние не столь значительно, как наличие содержания углерода.

Рисунок 5. Сварка двух стальных труб.

Другими факторами, влияющими на свариваемость стали, являются теплопроводность, температура плавления, удельное электрическое сопротивление и коэффициент теплового расширения.

Теплопроводность: Типы стали с низкой теплопроводностью обычно очень легко свариваются.
Температура плавления: Чем ниже температура плавления определенного типа стали, тем легче ее сваривать. : Поскольку тепловая энергия необходима для процесса сварки, типы сталей с высоким электрическим сопротивлением обычно труднее сваривать электрическими средствами. : При сварке двух металлов очень важно учитывать их коэффициенты теплового расширения. Если разница между двумя коэффициентами значительна, деформации растяжения и сжатия при охлаждении могут вызвать растрескивание.

Стали делятся на четыре группы по химическому составу: углеродистая сталь, легированная сталь, нержавеющая сталь и инструментальная сталь. Эти классы стали представлены в таблице ниже.

Таблица 3. Свариваемость и применение различных классов стали.

Тип

свариваемость

заявление

Содержит менее 0.3 мас.% углерода и 0.4 мас.% марганца. Также демонстрирует хорошую свариваемость, если содержание примесей низкое. Любой процесс сварки подходит для низкоуглеродистой стали.

Он подходит для декоративных изделий, таких как фонарные столбы. Примером может служить нормализованная сталь БС 970-1 марки 07М20. Он имеет предел прочности при растяжении 430 МПа и предел текучести 215 МПа при 20 ⁰C.

Содержит 0.3 – 0.6 мас.% углерода и 0.6 – 1.6 мас.% марганца. Более высокое содержание углерода делает его склонным к растрескиванию. Следовательно, их труднее сваривать. Процесс сварки с низким содержанием водорода подходит для среднеуглеродистой стали.

Он подходит для автомобильных компонентов. Примером может служить холоднотянутая сталь AISI 1541.

Содержит 0.6 – 1.0 мас.% углерода и 0.30 – 0.90 мас.% марганца. Он также имеет плохую свариваемость и легко трескается. При сварке этих сталей необходимо использовать присадки с низким содержанием водорода.

Он используется для изготовления ножей, осей и пуансонов. Примером может служить горячекатаная сталь AISI 1080.

Легированные стали часто имеют более высокую твердость по сравнению с другими категориями стали. Следовательно, они также обладают плохой свариваемостью и склонны к растрескиванию. Для легированных сталей необходимо использовать процесс сварки с низким содержанием водорода. В процессе сварки необходимо уделять внимание предварительному нагреву, скорости охлаждения и термообработке после сварки, так как легированные стали также склонны к растрескиванию.

Легированные стали имеют различные механические свойства в зависимости от химического состава. Они используются в производстве трубопроводов, электродвигателей и генераторов электроэнергии.

Примером может служить нормализованная сталь AISI 8620. Он имеет предел текучести 360 МПа и предел прочности при растяжении 640 МПа при 20 ⁰C.

Нержавеющие стали представляют собой группу легированных сталей. Они содержат не менее 10.5 мас. % хрома и другие элементы, повышающие их термостойкость и улучшающие механические свойства [4].

Аустенитная нержавеющая сталь обладает хорошей свариваемостью и не требует термической обработки до или после сварки. Ферритный тип подвергается быстрому росту зерен при высокой температуре, что делает их хрупкими. Отсюда плохая свариваемость.

Аустенитные стали используются в производстве труб, кухонной утвари и другого пищевого оборудования.

Ферритные стали также используются в автомобильной промышленности и промышленном оборудовании.

Нержавеющая сталь SUS 321, поставляемая TJC Iron & Steel Co., Ltd, подходит для сосудов под давлением.

Инструментальная сталь содержит до 2.5 мас.% углерода. Имеет плохую свариваемость.

Используется для режущего и бурового оборудования. Мягкая отожженная сталь DIN 17350 класса C105W1 подходит для изготовления метчиков, штампов, оправок и молотков.

Будущее обработки стали

Открытие новых способов работы со сталью — огромная область исследований в области материаловедения и инженерии. Например, в последнее время наблюдается бум интереса к аддитивному производству стальных компонентов [5]. Этот процесс можно использовать для эффективного производства стальных компонентов сложной геометрии с меньшими затратами.

Рисунок 6. Аддитивное производство стальных деталей. (ТРУМПФ)

Источники

[1] Г. Краусс, стали . Парк материалов, Огайо: ASM International, 2010, с. 2.

[2] Таблица показателей обрабатываемости стали, алюминия, магния, чугуна, углеродистой стали, легированной стали и нержавеющей стали — Engineers Edge», Engineersedge.com , 2020. [Онлайн]. Доступно: https://www.engineersedge.com/materials/machinability-steel-aluminum.htm.

[3] Дж. Доссетт, Основы и процессы термообработки стали . Парк материалов, Огайо: ASM International, 2014, с. 29.

[4] Дж. Липпольд и Д. Котецки, Металлургия сварки и свариваемость нержавеющих сталей . Норвуд, Массачусетс: Books24x7.com, 2005, с. 5.

[5] А. Зади-Маад, Р. Рохиб и А. Ираван, «Аддитивное производство сталей: обзор», ИОП конф. Серия: Материаловедение и инженерия , 2017. Available: 10.1088/1757-899X/285/1/012028.

Определения

Обрабатываемость: is легкость обработки металла.

Литейность: is простота формирования качественных заготовок методом литья.

Формуемость: Способность стальной детали к пластической деформации без повреждения.

Прокаливаемость: Способность стали образовывать мартенсит при закалке называется прокаливаемостью.

Свариваемость: способность стали сваривать обычными способами без образования холодных трещин.

Рекомендации по сварке сталей Т-1

T-1, или ASTM A514, представляет собой высокопрочную сталь, которая подвергается закалке и отпуску для обеспечения предела текучести более 100,000 690 фунтов на квадратный дюйм (более 1 МПа). Название «T-514» является товарным знаком Arcelor Mittal, а не ASTM, AISI или частью стандартной системы нумерации другой организации. ASTM A517 в основном используется в качестве конструкционной стали, а также используется для сосудов под давлением, обозначенных как ASTM A514. Справочник по процедурам дуговой сварки группирует A517 и AXNUMX в одной категории (категория D) и рекомендует одни и те же процессы и процедуры.

Стали T-1 (ASTM A514) обладают хорошей свариваемостью, но необходимо соблюдать осторожность при выборе правильного процесса и процедуры сварки.

Сварка закаленных и отпущенных сталей, таких как T-1 (ASTM A514), может быть сложной задачей из-за их высокой прочности и прокаливаемости. Если не соблюдать надлежащие процедуры, вы можете получить высокую твердость в зоне термического влияния (ЗТВ). Это может привести к преждевременному или даже немедленному выходу из строя.

Стали T1 (ASTM A514) обладают хорошей свариваемостью при соблюдении надлежащих процедур. Четыре ключевых элемента успешной сварки стали T1:

Выбор правильного электрода или комбинации электродного флюса.
Адекватная процедура сварки
Использование рекомендуемых методов изготовления
Соблюдение осторожности при/при применении термообработки после сварки

Электрод и/или комбинация электрод/флюс

Когда есть необходимость соответствовать прочности основного металла T1, необходимы электроды с Mn-Ni-Cr-Mo, которые могут обеспечить такую же или подобную прочность и ударную вязкость. Это потребует, чтобы металл сварного шва имел минимальную прочность на растяжение 100,000 20 фунтов на квадратный дюйм и ударную вязкость по Шарпи с V-образным надрезом не менее 40 футо-фунтов при -XNUMXºF.

Для дуговой сварки под флюсом потребуется использование присадочных металлов, имеющих классификацию AWS F11A6-ECM2-M2-H8. Примером такой комбинации проволоки и флюса является 880/LAC-M2 от Lincoln Electric. Другие производители также имеют проволоки и флюсы, соответствующие требованиям этой классификации.

Рекомендуемой сплошной проволокой (GMAW) для этого типа материала является проволока двойного класса ER100S-G/ER110S-G, которая способна создавать сварные швы с пределом прочности на растяжение 100,000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм.

Можно использовать другие комбинации проволоки/флюса и проволоки MIG, которые обеспечивают более низкие уровни прочности и ударной вязкости, чем основной металл. в зависимости от расчетного напряжения и применения.

Использование несоответствующих присадочных металлов разрешено и в большинстве случаев рекомендуется, но, как указано выше, это конструктивное соображение, которое должно быть одобрено ответственным инженерным отделом. Обратите внимание, что если вы используете электрод с минимальной прочностью на растяжение 70,000 70 фунтов на квадратный дюйм, такой как ER6S-70,000, разжижение от проплавления даст гораздо лучший результат, чем сварка с прочностью на растяжение XNUMX XNUMX фунтов на квадратный дюйм.

Сварку сталей Т-1 также можно выполнять с помощью других процессов, таких как SMAW, FCAW и GTAW. Обратите внимание на требования к конструкции и используйте правильную классификацию присадочного металла. Всегда используйте присадочные металлы, которые могут обеспечить низкий уровень отложений водорода.

Соответствующий предварительный нагрев обычно рекомендуется производителем стали. В зависимости от класса это может варьироваться в пределах 25-50 ºF. В зависимости от толщины листа типичные температуры предварительного нагрева будут следующими:

От ½ до 1 дюйма 50-150F

От 1 до 2 дюймов 150F-200F

Обратите внимание, что соединения с высокой жесткостью могут потребовать более сильного предварительного нагрева. Кроме того, предварительный нагрев НЕ должен превышать 400F для толщины до 1-1/2” или 450F для толщины более 1-1/2”. Поскольку это сталь Q&T, мы также должны соблюдать максимальные температуры предварительного нагрева и между проходами, а не только минимальные.

При предварительном нагреве важно, чтобы температура измерялась на расстоянии 3 дюймов от стыка во всех направлениях (по всему стыку). Если бы толщина пластины превышала 3 дюйма, то расстояние от стыка, на котором снимаются показания температуры, было бы таким же или более толщины пластины.

Процедура сварки (ампер, вольт, скорость перемещения и т. д.) должна быть такой, чтобы обеспечить сплавление боковой стенки и корня. Глубина проплавления становится важной переменной при использовании подходящих присадочных металлов, поскольку степень разбавления определяет прочность сварного шва. Чем выше погонная энергия от сварки, тем медленнее скорость охлаждения (это то, что нам нужно). Однако при сварке разной толщины необходимо соблюдать осторожность. Если мы свариваем T2 толщиной 1” с T1 толщиной ¾” и предварительно нагреваем до 300F, тепловложение, производимое сваркой, не вызывает беспокойства в более толстой части. Однако для сечения толщиной 82/514 дюйма тепловложение не должно превышать XNUMX кДж/дюйм. Существуют опубликованные таблицы производителей сталей AXNUMX, в которых указаны эти пределы.

ASTM A514 часто используется для конструкционных применений, но не является предварительно квалифицированным основным металлом. Это означает, что если вы собираетесь работать с ним, вам необходимо аттестовать свою сварочную процедуру путем тестирования. Инструкции о том, как это сделать в соответствии с Кодексом сварки конструкций AWS D1.1 (сталь), можно найти в нашей публикации «Квалификация сварочных процедур, сварщиков и операторов сварки». Этот ресурс содержит необходимые шаги для правильной квалификации вашей процедуры.

3. Используйте рекомендуемые методы изготовления

Опасения по поводу водородного растрескивания особенно велики, когда мы свариваем толстые секции из низколегированной стали. Большая толщина обеспечивает высокий уровень удержания. В сочетании с восприимчивой микроструктурой и пороговым уровнем может произойти водородный холодный крекинг. Чтобы узнать больше о водородном растрескивании, см. «Факторы, влияющие на водородное растрескивание» и «Предотвращение водородного растрескивания». Хорошей новостью является то, что водородное растрескивание не произойдет, если не будут присутствовать все три фактора. Мы ничего не можем сделать с присущей толщине основного материала ограниченностью. Мы мало что можем сделать с микроструктурой материала. Но мы можем влиять на уровень водорода.

Распространенными источниками водорода являются:

Влага в электроде, флюсе, защитном газе или окружающей среде
Разложение электродных покрытий целлюлозного типа
Загрязнения, содержащие водород (например, жир, масло, смазочно-охлаждающие жидкости, вода и т. д.) на поверхности свариваемого материала.

Упомянутые выше электроды соответствуют требованиям по низкому содержанию водорода. Процесс со сплошной проволокой (GMAW) является лучшим, так как возможность сильного отложения водорода на основе одной проволоки практически отсутствует. При использовании SAW мы должны уделять особое внимание флюсу, так как он очень чувствителен к влаге. Важно правильное хранение и обращение. Пластина должна быть без загрязнений. Необходимо использовать правильный предварительный нагрев, так как это помогает удалить поверхностную влагу. Медленное охлаждение также позволяет водороду диффундировать из сварных швов.

Соблюдайте осторожность при/при применении термообработки после сварки.

PWHT следует проводить только в том случае, если изменения в основном металле и микроструктуре ЗТВ принесут пользу. PWHT обычно включает температуру выше 700F для этой стали. Медленное охлаждение не считается PWHT и необходимо. Медленное охлаждение может быть достигнуто за счет использования тепловых одеял. Однако скорость охлаждения, достигаемая при надлежащем предварительном нагреве, достаточна, если сварка выполняется в помещении в контролируемой среде.

Консультируясь с AWS D1.1 Structural Welding Code — Steel, мы находим ту же информацию. Если вам нужна аттестованная спецификация процедуры сварки (WPS), вы обнаружите, что она должна быть аттестована путем тестирования.

A514 не является предварительно аттестованным основным металлом для использования с предварительно аттестованными процедурами сварки. Тем не менее, D1.1 признает эту сталь как сталь, предназначенную для использования в конструкционных элементах в Разделе 4 — Квалификация.

В соответствии с таблицей 4.9, ASTM A514, для электродов толщиной 2-1/2 дюйма или менее рекомендуется классификация электродов для сварки под флюсом F11XX-EXX-XX. На основании этого требования будет применяться вышеизложенная рекомендация.

Кроме того, в таблице 4.9 приведены минимальные температуры предварительного подогрева и промежуточного прохода.

От ¾ до 1-1/2 дюйма 125˚F

От 1-1/2 до 2-1/2 дюйма 175˚F

Более 2-1/2 дюймов 225˚F

В примечаниях к таблице 4.9 указано, что «для ASTM A514 максимальная температура предварительного нагрева и межпроходная температура не должны превышать 400°F для толщин до 1-1/2 дюйма включительно и 450°F для большей толщины.

И последнее замечание: сварка T-1 (ASTM A514) не должна быть сложной. Следуйте приведенным выше рекомендациям и избегайте проблем.

Раскрытие материальной связи: некоторые из ссылок в посте выше являются «партнерскими ссылками». Это означает, что если вы нажмете на ссылку и купите товар, мы получим партнерскую комиссию. Несмотря на это, мы рекомендуем только продукты или услуги, которыми пользуемся лично, и верим, что они принесут пользу нашим читателям. Я раскрываю это в соответствии с 16 CFR Федеральной торговой комиссии, часть 255: «Руководства по использованию одобрений и отзывов в рекламе».

Обратите внимание: я оставляю за собой право удалять комментарии, которые являются оскорбительными или не по теме.

Оставьте комментарий Отменить ответ

3 мысли о «Рекомендациях по сварке сталей Т-1»

Очень интересно и полезно. Можете ли вы дать мне дополнительную информацию о сварке материала T1 514 и о том, как выбрать присадочный металл? Благодарю вас.

Привет Дон. Присадочный металл выбирается в зависимости от требований к сварке. Вы нуждаетесь в том, чтобы соответствовать прочности основного металла? Или вы просто присоединяетесь к A514, который используется из-за соотношения веса и прочности? Использование несоответствующих присадочных металлов может быть приемлемым и даже предпочтительным. Вы можете прочитать статью, недавно написанную на эту тему, перейдя по ссылке ниже.
https://weldinganswers.com/the-advantage-of-using-undermatching-filler-metals-on-high-strength-steels/

Очень важно не использовать проволоку с высокой прочностью на растяжение (90ksi и выше), если только нам не нужно, чтобы она соответствовала прочности основного материала. Это идея иметь более пластичный сварной шов, чтобы избежать высокого остаточного напряжения. Кроме того, имейте в виду, что если вы используете проволоку 70Ksi, ваш наплавленный металл будет иметь гораздо более высокую прочность на растяжение из-за примеси (смешивания основного металла со сварным швом). Некоторые соединения имеют больше примесей, чем другие, поэтому свойства сварного шва будут различаться.

322 Предварительно квалифицированные процедуры сварки стали

Разработанная в соответствии с AWS D1.1/D1.1M Свод правил сварки конструкций (сталь), эта публикация содержит 322 предварительно квалифицированных спецификации процедур сварки (WPS) для сварки сталей группы I и группы II для процессов сварки GMAW, MCAW, FCAW и SMAW. .

Квалифицированные сварщики и процедуры – БЕСПЛАТНЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ СПИСКИ

Подпишитесь, чтобы получать новые сообщения в блоге по электронной почте и получить БЕСПЛАТНУЮ копию нашего НОВОГО руководства: «Контрольные списки для надлежащей квалификации сварочных процедур и сварщиков — в соответствии с Кодексом сварки конструкций AWS D1.1 (сталь)»