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Alliages de fer bainitique.
La présente invention concerne une composition d'acier de construction nouvelle et utile se distinguant par une résistan- ce élevée et un prix de revient intéressant,ainsi qu'un procédé pour traiter cette composition en vue d'obtenir des propriétés optina.
L'acier dit de construction qui est laminé à chaud sous forme de poutrelles en I, profilés en U, cornières, tôles, barres etc, constitue la majeure partie de tout l'acier utilisé.
Il s'agit d'un acier à faible teneur en carbone,de prix de revient minimum, qui-présente une limite d'élasticité apparente peu élevée comparée à celle des aciers alliés plus coûteux qui sont plus résistants parce qu'ils peuvent être durcis par chauffage et par trempe. On sait depuis de nombreuses années
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que les .constructions en charpente d'acier telles que des bâti- ments, des ponts et des'ouvrages analogues pourraient être amé- liorées et que'des économies de matière pourraient être réali- sées si on disposait de matières plus solides.
Mais le prix élevé de tous les alliages d'acier connus fait plus que contre- balancer leur avantage au point de vue résistance lorsqu'on les utilise en remplacement d'un acier de construction classique,' sauf dans des situations cxceptionnelles.
- Cela étant, la présente invention a notamment pour buts de procurer: des éléments en acier de construction quise laissent aisé- ment souder ou autrement assembler comme des éléments d'acier classiques, mais qui présentent une-limite d'élasticité apparente notablement accrue et qui soient suffisamment économiques pour ,trouver un champ d'utilisation étendu dans 'des applications dans lesquelles on utilisait jusqu'à présent des aciers de construction classiques, un acier de construction allié qui puisse être durci par vieillissement à des températures relativement peu élevées et qui acquiert, sans nécessiter de trempe ou d'autres traite- ments thermiques drastiques, une dureté et une résistance nota- blement supérieures à celles d'un acier de construction classi- que;
un procédé pour produire un élément en acier de construc- tion économique,de résistance supérieure à celle des éléments en aciers de construction classiques ; un procédé pour produire un -élément en acier de construc- . tion économique, présentant une ténacité exceptionnellement éle-.. ; vée à des températures très' basses.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après.
Suivant.l'invention, on atteint ces buts avec un acier
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.allié à faible teneur en carbone contenant,comme ingrédients essentiels,du molybdène, du cuivre, du bore et de l'aluminium.
'Le carbone n'est pas essentiel et est de préférence présent en, une quantité ne. dépassant pas 0,10% mais allant éventuellement jusqu'à 0,,15'la. On peut utiliser du silicium et du manganèse de la façon habituelle pour désoxyder et des quantités retenues de 0,40 à 0,70% de manganèse et de 0,10 à 0,30% de silicium sont admissibles mais pas essentielles.
Le bore, le molybdène et l'aluminium sont essentiels pour produire un alliage qui forme une structure bainitique lorsqu'elle est refroidie à l'air de la manière habituelle,à partir des températures de travail à chaud classiques. A cet effet, de très faibles quantités de bore suffisent, par exemple de moins de 0,008%, mais afin d'assurer que cette faible quantité de bore ne se combine pas avec de l'oxy@ène, il est nécessaire d'in- corporer de l'aluminium en une quantité supérieure à celle requise pour la désoxydation. L'aluminium qui se combine avec l'oxygène est Insoluble dans les acides et tout excèsd'aluminium est de l'aluminium soluble dans les acides.
L'alliage doit. contenir au moins 0,01% d'aluminium soluble dans les acides et comporte de préférence une teneur résiduelle en aluminium soluble dans les acides compri- se entre 0,20 et 0,40%. Lorsque de l'aluminium soluble dans les acides est présent, la très faible quantité de bore précitée suffit pour produire la structure bainitique. Cette quantité , minimum semble être de l'ordre de 0,002. La teneur en molybdène peut aller d'un minimum de 0,35 à un maximum d'environ 0,75%. Des quantités supérieures de molybdène ne sont pas nuisibles-mais elles augmentent inutilement le prix de revient de l'alliage résultant.
Les quantités normales de soufre et de phosphore contenues dans des aciers classiques sous forme.d'impuretés peuvent égale- ment être présentes. A cet effet, un maximum de 0,04% pour chaque élément peut être toléré.
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Un autre élément essentiel de la composition est le
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cuivre qui peut être présent en des quantités allant de 0,60 à 2/0%. Pour faciliter un travail à chaud, l'alliage contient de préférence du nickel en une quantité passant de 0 à 110 à mesure que la teneur en cuivre augmente de 0,60 à zs00j, , r ,
Desalliages appropriés du type spécifié contiennent les constituants suivants:
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<tb> Constituant <SEP> Exemple <SEP> 1 <SEP> Exemple <SEP> ,2, <SEP> Exemple-3-
<tb>
EMI4.3
Carbone 0,07% O,1.0 OoO5% Manganèse 0,60% Oe7O% 0,50% Silicium 0,10jl ' 0.,20% 0.
Kolybdëne 0,52, 0,10% Oe6o% Nickel- .. 0,68$' 0, 20 0,?5 . cuivre 1,16 ' oyez z Bore , 0,0023 . 0,003%. 0,004% Aluminium (snluble dans z 0,07% oe3o%
EMI4.4
<tb> les'acides)
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> (insoluble <SEP> dans <SEP> 0,04% <SEP> 0,04%
<tb> les <SEP> acides) <SEP> , <SEP>
<tb>
EMI4.5
Soufre OeO2% 0,02% ' - bzz Phosphore 0,01ÀjÉ. ' 0,01jÉ 0,015%
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<tb> Fer.
<SEP> le <SEP> reste <SEP> le <SEP> reste <SEP> le <SEP> reste
<tb>
Des alliages du type spécifié peuvent être laminés à."¯' chaud par les procédés habituellement utilisés pour laminer des éléments.en acier de construction tels que des poutrelles en I, des profilés en U, des cornières, des tôles etc, et ils forment, ' lors d'un refroidissement normal, une structure bainitique et présentent, une' limite d'élasticitéapparente (avec une déforma- - tion permanente de 0,20%) 'de l'ordre de 80. 000 livres par pouce carré (5624 kg/cm2) à l'état travaillé à chaud.et, dans cet état, ils\sont convenablement ductiles, présentent un allonge- ment de 23,8% et une réduction de section de 67%.
La limite d'élasticité apparente des éléments de construction travaillés
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à chaud peut être matériellement accrue,par un durcissement par vieillissement pendant 1 à 4 heures à des températures del'ordre de 900-1100 F (482 à 593 C).
On peut utiliser des procédés de laminage à chaud clas- siques qui donnent un élément de construction présentant une ductilité et une ténacité aux basses températures équivalant environ à celles de l'acier de construction classique. Mais,si les opérations de laminage ou autres sont achevés à une tempé- rature inférieure aux températures habituelles, on obtient une augmentation remarquable de la ténacité aux basses températures.
La structure bainitique des alliages de l'invention résulte de leur refroidissement à partir d'un état austénitique après des opérations de travail à chaud classiques. Cela étant, l'alliage doit être chauffé,avant d'être travaillé,à une tempé- . rature suffisamment élevée pour transformer l'alliage en austé- nite. La température minimum à cet effet dépend de la teneur en carbone mais est habituellement voisine de 1750 F (954 C).
,Un travail initial peut être effectué à cette température ou à une température supérieure ou peut être retardé jusqu'à ce que l'alliage snit partiellement refroidi mais,afin d'obtenir la ténacité maximum aux basses températures, il faut achever l'opération de travail à chaud à une température d'environ 1200 F (649 C). Ainsi, par exemple, un forgeage au marteau peut débuter à des températures de 2000 F (1093 C) ou plus mais., pour obtenir une ténacité maximum, il faut poursuivre ce forgeage à mesure que la pièce se refroidit de sorte que le travail final s'effec- tue à une température comprise entre 1100 et 1300 F (593 et 704 C) et de préférence d' environ 1200 F (649 C).
De même, les alliages peuvent être laminés à chaud par les procédés habituellement uti- lisés pour former des éléments en acier de construction tels que des poutrelles en I, des profilés en U, des cornières, des tôles etc. Dans ce cas, les opérations de laminage initiales peuvent
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être conduites à des températures classiques telles que 2050 F (1121 C) mais on obtient à nouveau une ténacité maximum-si on effectue la passe de.laminage finale à une température comprise entre 3100 et 1300 F (593 et 704 C) et de préférence d'environ ' .
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1200 F (bl9 C)I.
On améliore également la ténacité aux basses températures en poursuivant l'opération de durcissement par vieillissement au delà du point de limite élastique apparente maximum. Cet effet est démontré par le tableau suivant comportant les données obte- nues dans des essais de résistance aux;, chocs effectués au mouton pendule Charpy sur des éprouvettes découpées dans une barre
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travaillée-à chaud de 1 1/8 pouce carré (7,3 em2) ayant la composition de.l'exemple 1. Cette barre ! a été ' forgée au marteau en deux phases,'la première partant à une température d'envi-
EMI6.3
ron 2050 F 11121 C) amincit la barre de 3 1/4 pouces carrés .(21 cm2) à 2 1/4 pouces carrés (14,5 em2).
La seconde qui part d'. environ 1700 F (927 C)est poursuivie jusque ce que la tempé- ;rature soit d'environ 12000F'(6490C) et amincit la barre jusquà 1 1/8 pouce carré (7,3 cm ).
Propriétés de résistance aux chocs mesurées au mouton
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- - - -o-enclule Charpy '
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<tb> Etat <SEP> 'Température <SEP> Résistance <SEP> Dilatation <SEP> Aspect <SEP> de
<tb> de <SEP> l'essai <SEP> aux <SEP> 'latérale <SEP> en <SEP> la <SEP> fractuen <SEP> F <SEP> ( C) <SEP> chocs <SEP> pouces <SEP> re, <SEP> de
<tb> pieds <SEP> livres <SEP> mm <SEP> fracture
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> (kg.m) <SEP> fibreuse
<tb>
<tb> Travaillé <SEP> à-25 <SEP> (-31,6) <SEP> 4 <SEP> (0,55) <SEP> 0,003 <SEP> (0,076) <SEP> . <SEP> 0
<tb>
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chaud 0 (-17,8) 5 0,69 0,005 (0,13) ' 3 72 22,2) 14 1,9. 0,016.(0,41} 13 125 5.,6) 34, (4,98) 0,018 0,.6 42 ..Travaillé à -25. -3li86 (0,41) 0,001 0,025 0 .chaud + viern1 0 -17,8 0,55 0,002 (0,050) 0 pendant 4 h. à 72 22,2 37 5,12 0,027 ;
,69 17 900<'F(48%2"C) 125 .(51,6) 59 (8,16) 0,045 (1,14) 40 Travaillé -25 (-31,6) 1.38), 0,011 0,28) Travaillé -25 -3le6) 10 li38) 0,011 ' 0, 28) 11
EMI6.7
<tb> chaud <SEP> + <SEP> 0 <SEP> -17,8 <SEP> 83 <SEP> 11,48) <SEP> 0,060 <SEP> 1,5) <SEP> 60
<tb>
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vieilli pen- 75 23j,9 111 15,35) 0,083 2,11) 100
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<tb> dant <SEP> 4 <SEP> heures <SEP> 125 <SEP> 51,6) <SEP> 115 <SEP> 15,90 <SEP> 0,082 <SEP> 2,08) <SEP> 100
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 1000 F
<tb>
<tb>
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<tb> (537,8 C)
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<tb> Etat <SEP> Température <SEP> Résistance <SEP> Dilatation <SEP> Aspect <SEP> del@
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<tb> aux <SEP> latérale <SEP> en <SEP> fracturer <SEP> de,
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<tb> chocs <SEP> pouces <SEP> fracture <SEP> fi- <SEP> , <SEP>
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<tb> .
<SEP> pieds' <SEP> livres <SEP> (mm) <SEP> breuse <SEP> . <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
(kg.m)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Travaillé <SEP> à <SEP> -100 <SEP> -73,3 <SEP> 63* <SEP> 8,71 <SEP> 0,050* <SEP> 1,3) <SEP> 42*
<tb>
<tb>
<tb> chaud <SEP> + <SEP> . <SEP> -75-59,5 <SEP> 76 <SEP> 10,51 <SEP> 0,057 <SEP> 1,45) <SEP> 77
<tb>
<tb>
<tb> -vieilli <SEP> pen- <SEP> -50 <SEP> -45,6 <SEP> 109 <SEP> 15,07 <SEP> 0,077 <SEP> 1,96 <SEP> 82
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> dant <SEP> 4 <SEP> heures. <SEP> -25 <SEP> -31,6 <SEP> 117 <SEP> 16,18 <SEP> 0,083 <SEP> 1,96) <SEP> .
<SEP> 100
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 1050 F <SEP> 0 <SEP> (-17,8) <SEP> 120 <SEP> (16,60) <SEP> 0,087 <SEP> (2,21) <SEP> 100
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (565,6 C) <SEP> 75 <SEP> -23,9 <SEP> 112 <SEP> 15,49 <SEP> 0,083 <SEP> (2,11) <SEP> 100
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Travaillé <SEP> à <SEP> -50 <SEP> (-45,6) <SEP> 18 <SEP> (2,49) <SEP> 0,019 <SEP> (0,48) <SEP> 27
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> chaud <SEP> +-25 <SEP> -31,6 <SEP> 99 <SEP> 13,69 <SEP> 0,064 <SEP> (1,63 <SEP> 72
<tb>
<tb>
<tb> vieilli <SEP> pen- <SEP> 0 <SEP> -17,8 <SEP> 116 <SEP> 16,04 <SEP> 0,083 <SEP> (2,11 <SEP> 89
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> chaud <SEP> + <SEP> -25 <SEP> (-31,6) <SEP> 99 <SEP> (13,69) <SEP> 0,064 <SEP> (1,63) <SEP> 72
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 1100
<tb>
<tb> (593,3 C)
<tb>
moyenne des trois essais
Il ressort de ce qui précède que quoique la matière ait une température de transition relativement élevée et une résis- tance aux chocs faible à . l'état tr@@aillé à chaud, un vieillisse- ment pendant 4 heures à 10500F (565,6 C) et à'des températures supérieures abaisse brusquement la température de transition et augmente la résistance auxchocs.Des traitements de vieillisse- ment pendant 4 heures à aes températures moins élevées telles que 900 ou 1000 F (482,2 ou 537,8 C) ou pendant des périodes plus courtes à des températures plus élevées, produisent une limite d'élasticité.
apparente maximum mais diminuent la résis- tance aux chocs La matière vieillie pendant 4 heures à 1050 C (565,6 C) est largement supérieure aux aciers de construction au carbone ordinaire classiques qui ont une résistance au choc mesurée sur un mouton pendule Charpy standard comprise entre
0 et 50 pieds/livres environ (0 et 6,92 kg m) à -25 F (-31,6 C) et une limite élastique apparente d'environ 35.000 livres/ pouce carré (2461 kg/cm2).
Quoique dans les essais décrits on utilise un traitement de vieillissement qui dure 4 heures, on peut obtenir des résultats avantageux avec des traitements notablement moins longs. Le temps de traitement est une question de choix, mais il;est à remarquer
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que, dans certaines limites, la résistance aux chocs augmente et la température de transition diminue aux dépens de la limite d'élasticité apparente à mesure que le traitement s'allonge et que les températures de traitement augmentent. Ainsi, par exemple, une.éprouvette de la composition de l'exemple 1 pré- sente les limites d'élasticité apparentes suivantes dans les con- ditions indiquées:
Travaillé à chaud 79.600 livres/pouce carré .
(5596 kg/cm2)
Vieilli pendant 4 heures 98.400 livres/pouce carré à 900 F (482,2 C) (6918 kg/cm2) Vieilli pendant 4 heures 94.200 livres/pouce carré à 1000 C (537,8 C) (6622 kg/cm2)
Vieilli pendant 4 heures 87.300 'livres/pouce carré à 1050 C (565,6 C) (6137 kg/cm2) -Vieilli pendant 4 heures 84.900 livres/pouce carré à 1100 F (593,3 C) (5968 kg/cm2)
Cela étant, si on veut obtenir une résistance au choc maximum, on atteint les meilleurs résultats avec des -traitements de vieillissement prolongés et,à cet effet,la température de vieillissement optimum pour un traitement de 4 heures est d'envi- : ron 1050 F (565,6 C).
Les spécialistes comprendront que des traitements plus longs a des températures moins élevées ou des traitements plus courts à des températures plus élevées produi- sent des résultats semblables. Si on désire obtenir une limite d'élasticité apparente maximum et qu'on peut tolérer un léger sacrifice de la résistance aux chocs, on peut utiliser des temps de traitement plus courts.
Ainsi, des traitements ne dépassant pas 15 minutes à 1100 F (593,3 C) et 1 heure à 900 F (482,2 C) produisent une augmentation marquée de la limite d'élasticité apparente.-
L'effet de la température de laminage -finale sur la téna- cité aux basses températures est démontré par le tableau suivant des propriétés de résistance aux chocs mesurées sur un mouton pendule
Charpy de barres laminées à des températures très basses.
Ces
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barres qui ont la composition de l'exemple 2 ont d'abord été laminées en partant de barres de 1 1/8 pouce carré (7,3 cm2)
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en des bandes de z pouce (1,9cm) d'épaisseur à 1750 F'(954,1 C) puis en des bandes de 1/2 pouce (1,27 cm) d¯'épaisseur sur 1,5 pouce (3,8 cm) de largeur à la température de laminage finale indiquée ' ci-après. Apres le laminage, les barres ont été vieillies pendant 4 heures à 1050 F (565,6 C) et ont ensuite été soumises à 1'essai )
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de résistance aux chocs à -50 F (-45,6 C) et à.-125 F (-87,3 C).
Température de laminage finale Résistance aux chocs en pieds-
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en OF (oc) ' livres ou k.m -50 r (-45.6 C). -125 F-8'7,3 C)'
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1550 843,3) 00 5g) ) 1400 (760 .0,83) 1300 704.4) 68 9,40) 3,32 1200 ÉÎÉ) 76 10,51) 68 9,40 1100 593e3 5 8 8,02) 44 6,09 . 1000 537,8 74 10,23) - 8 leil
Malgré les propriétés très intéressantes du métal durci
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par-vel'.1issemer.t, sa teneur en alliage est relativement faible, . et par.conséquent, son prix n'est pas excessif. La Résistance accrue grâce au vieillissement est due à un précipité finement divisé qui se forme et se disperse dans la structure cristalline.
Ce précipité contient du cuivre.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux détails d'exécution décrits auxquels des changements et des modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre. Par exemple,de petites quantités d'éléments non décrits peuvent être présentes pour autant qu'elles ne nuisent pas aux effets bénéfiques des élé- ments essentiels ou ne modifient pas la nature essentielle de l'alliage.
REVENDICATIONS..
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1.- Acier de construction bainitique± caractérisé en ce
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Bainitic iron alloys.
The present invention relates to a new and useful structural steel composition distinguished by high strength and good cost, as well as to a process for treating this composition to obtain optimal properties.
The so-called structural steel which is hot rolled in the form of I-joists, U-sections, angles, sheets, bars etc. constitutes the major part of all the steel used.
It is a low carbon, minimum cost steel that has a low apparent yield strength compared to more expensive alloy steels which are stronger because they can be hardened. by heating and quenching. We have known for many years
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that steel frame constructions such as buildings, bridges and the like could be improved; and that material savings could be made if more solid materials were available.
But the high price of all known steel alloys more than outweighs their strength advantage when used as a replacement for conventional structural steel, except in exceptional circumstances.
This being the case, the object of the present invention is in particular to provide: structural steel elements which allow easy welding or otherwise to be assembled like conventional steel elements, but which have a significantly increased apparent elastic limit and which are sufficiently economical to find a wide field of use in applications in which conventional structural steels have heretofore been used, an alloyed structural steel which can be age hardened at relatively low temperatures and which acquires, without requiring quenching or other drastic heat treatments, a hardness and a resistance notably superior to those of a conventional structural steel;
a process for producing an economical structural steel member of higher strength than conventional structural steel members; a process for producing a structural steel element. economical, exhibiting exceptionally high tenacity; at very low temperatures.
Other objects and advantages of the invention will emerge from the description given below.
According to the invention, these goals are achieved with a steel
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. Low carbon alloy containing, as essential ingredients, molybdenum, copper, boron and aluminum.
The carbon is not essential and is preferably present in an amount of n. not exceeding 0.10% but possibly up to 0.15%. Silicon and manganese can be used in the usual manner for deoxidizing and retained amounts of 0.40-0.70% manganese and 0.10-0.30% silicon are permissible but not essential.
Boron, molybdenum and aluminum are essential to produce an alloy which forms a bainitic structure when cooled in air in the usual manner, from conventional hot working temperatures. For this purpose, very small amounts of boron suffice, for example less than 0.008%, but in order to ensure that this small amount of boron does not combine with oxygen, it is necessary to incorporating aluminum in an amount greater than that required for deoxidation. Aluminum which combines with oxygen is acid insoluble and any excess aluminum is acid soluble aluminum.
The alloy must. contain at least 0.01% acid soluble aluminum and preferably has a residual acid soluble aluminum content of between 0.20 and 0.40%. When acid soluble aluminum is present, the aforementioned very small amount of boron is sufficient to produce the bainite structure. This minimum quantity seems to be of the order of 0.002. The molybdenum content can range from a minimum of 0.35 to a maximum of about 0.75%. Higher amounts of molybdenum are not harmful - but they needlessly increase the cost of the resulting alloy.
Normal amounts of sulfur and phosphorus contained in conventional steels as impurities may also be present. For this purpose, a maximum of 0.04% for each element can be tolerated.
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Another essential element of the composition is the
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copper which can be present in amounts ranging from 0.60 to 2/0%. To facilitate hot working, the alloy preferably contains nickel in an amount increasing from 0 to 110 as the copper content increases from 0.60 to zs00j,, r,
Suitable alloys of the type specified contain the following constituents:
EMI4.2
<tb> Constituent <SEP> Example <SEP> 1 <SEP> Example <SEP>, 2, <SEP> Example-3-
<tb>
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Carbon 0.07% O, 1.0 OoO5% Manganese 0.60% Oe7O% 0.50% Silicon 0.10jl '0., 20% 0.
Kolybdenum 0.52, 0.10% Oe60% Nickel- .. 0.68 $ '0, 20 0,? 5. copper 1.16 'see Boron, 0.0023. 0.003%. 0.004% Aluminum (snluble in z 0.07% oe3o%
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<tb> the'acids)
<tb>
<tb> Aluminum <SEP> (insoluble <SEP> in <SEP> 0.04% <SEP> 0.04%
<tb> acidic <SEP>) <SEP>, <SEP>
<tb>
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Sulfur OeO2% 0.02% '- bzz Phosphorus 0.01ÀjE. '0.01jE 0.015%
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<tb> Iron.
<SEP> the <SEP> remains <SEP> the <SEP> remains <SEP> the <SEP> remains
<tb>
Alloys of the type specified may be hot-rolled by the processes customarily used for rolling structural steel members such as I-joists, U-sections, angles, sheets etc., and they form , 'upon normal cooling, a bainitic structure and exhibit an' apparent yield strength (with 0.20% permanent deformation) 'of the order of 80,000 pounds per square inch (5624 kg / cm2) in the hot worked condition and, in this condition, they are suitably ductile, exhibit an elongation of 23.8% and a section reduction of 67%.
The apparent yield strength of the worked construction elements
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heat can be materially enhanced by aging cure for 1 to 4 hours at temperatures in the range of 900-1100 F (482 to 593 C).
Conventional hot-rolling processes can be used which provide a structural member having ductility and toughness at low temperatures approximately equivalent to that of conventional structural steel. However, if the rolling or other operations are completed at a temperature below the usual temperatures, a remarkable increase in toughness at low temperatures is obtained.
The bainite structure of the alloys of the invention results from their cooling from an austenitic state after conventional hot working operations. However, the alloy must be heated, before being worked, to a temperature. rature high enough to transform the alloy into austenite. The minimum temperature for this depends on the carbon content but is usually around 1750 F (954 C).
Initial work can be done at this temperature or higher or can be delayed until the alloy has partially cooled, but in order to achieve maximum toughness at low temperatures, the baking operation must be completed. hot work at a temperature of approximately 1200 F (649 C). So, for example, a hammer forging may begin at temperatures of 2000 F (1093 C) or higher but., To achieve maximum toughness, this forging must be continued as the part cools so that the final work is carried out at a temperature between 1100 and 1300 F (593 and 704 C) and preferably about 1200 F (649 C).
Likewise, the alloys can be hot-rolled by the methods usually used to form structural steel members such as I-joists, U-sections, angles, sheets etc. In this case, the initial rolling operations may
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be conducted at conventional temperatures such as 2050 F (1121 C) but again maximum toughness is obtained - if the final rolling pass is carried out at a temperature between 3100 and 1300 F (593 and 704 C) and preferably of about '.
EMI6.1
1200 F (b19 C) I.
The low temperature toughness is also improved by continuing the age hardening operation beyond the point of maximum apparent elastic limit. This effect is demonstrated by the following table comprising the data obtained in tests of resistance to shocks carried out with a Charpy pendulum hammer on specimens cut from a bar.
EMI6.2
1 1/8 square inch (7.3 em2) hot-worked having the composition of Example 1. This bar! was 'hammer-forged in two phases,' the first starting at a temperature of approx.
EMI6.3
ron 2050 F 11121 C) thins the bar from 3 1/4 square inches (21 cm2) to 2 1/4 square inches (14.5 em2).
The second that starts from. about 1700 F (927 C) is continued until the temperature is about 12000F '(6490C) and thins the bar to 1 1/8 square inch (7.3 cm).
Impact resistance properties measured at sheep
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- - - -o-enclule Charpy '
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EMI6.6
hot 0 (-17.8) 5 0.69 0.005 (0.13) '3 72 22.2) 14 1.9. 0.016. (0.41} 13 125 5., 6) 34, (4.98) 0.018 0, .6 42 .. Worked at -25. -3li86 (0.41) 0.001 0.025 0. Warm + viern1 0 -17.8 0.55 0.002 (0.050) 0 for 4 h. at 72 22.2 37 5.12 0.027;
, 69 17 900 <'F (48% 2 "C) 125. (51.6) 59 (8.16) 0.045 (1.14) 40 Worked -25 (-31.6) 1.38), 0.011 0.28 ) Worked -25 -3le6) 10 li38) 0.011 '0.28) 11
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aged for 75 23 days, 9 111 15.35) 0.083 2.11) 100
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average of the three tests
It follows from the foregoing that although the material has a relatively high transition temperature and low impact resistance to. the heat-treated condition, aging for 4 hours at 10500F (565.6 C) and higher temperatures sharply lowers the transition temperature and increases resistance to shock. 4 hours at lower temperatures such as 900 or 1000 F (482.2 or 537.8 C) or for shorter periods at higher temperatures, produce a yield strength.
maximum apparent but decreases impact resistance Material aged for 4 hours at 1050 C (565.6 C) is far superior to conventional ordinary carbon structural steels which have impact resistance measured on a standard Charpy pendulum incline Between
0 and 50 feet / lb (0 and 6.92 kg m) at -25 F (-31.6 C) and an apparent yield point of about 35,000 pounds / square inch (2461 kg / cm2).
Although in the tests described an aging treatment which lasts 4 hours is used, advantageous results can be obtained with significantly shorter treatments. Processing time is a matter of choice, but it should be noted
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that, within certain limits, the impact strength increases and the transition temperature decreases at the expense of the apparent yield strength as the process lengthens and the process temperatures increase. Thus, for example, a test piece of the composition of Example 1 exhibits the following apparent yield strengths under the conditions indicated:
Hot worked 79,600 psi.
(5596 kg / cm2)
Aged 4 hours 98,400 psi at 900 F (482.2 C) (6918 kg / cm2) Aged 4 hours 94,200 psi at 1000 C (537.8 C) (6622 kg / cm2)
Aged for 4 hours 87.300 'psi at 1050 C (565.6 C) (6137 kg / cm2) - Aged for 4 hours 84.900 psi at 1100 F (593.3 C) (5968 kg / cm2)
However, if maximum impact resistance is to be obtained, the best results are achieved with prolonged aging treatments and, for this purpose, the optimum aging temperature for a 4 hour treatment is approximately 1050. F (565.6 C).
Those skilled in the art will appreciate that longer treatments at lower temperatures or shorter treatments at higher temperatures will produce similar results. If a maximum apparent yield strength is desired and a slight sacrifice in impact strength can be tolerated, shorter processing times can be used.
Thus, treatments not exceeding 15 minutes at 1100 F (593.3 C) and 1 hour at 900 F (482.2 C) produce a marked increase in the elastic limit.
The effect of the final rolling temperature on the toughness at low temperatures is demonstrated by the following table of impact resistance properties measured on a pendulum ram
Charpy of bars rolled at very low temperatures.
These
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bars which have the composition of Example 2 were first rolled from 1 1/8 square inch (7.3 cm2) bars
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in strips of z inch (1.9 cm) thick at 1750 F '(954.1 C) then in strips of 1/2 inch (1.27 cm) thick by 1.5 inches (3 , 8 cm) in width at the final rolling temperature indicated below. After rolling, the bars were aged for 4 hours at 1050 F (565.6 C) and then subjected to testing)
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impact resistance at -50 F (-45.6 C) and at -125 F (-87.3 C).
Final rolling temperature Impact resistance in feet-
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in OF (oc) 'pounds or k.m -50 r (-45.6 C). -125 F-8'7.3 C) '
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1550 843.3) 00 5g)) 1400 (760 .0.83) 1300 704.4) 68 9.40) 3.32 1200 ÉSI) 76 10.51) 68 9.40 1100 593e3 5 8 8.02) 44 6 , 09. 1000 537.8 74 10.23) - 8 leil
Despite the very interesting properties of hardened metal
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par-vel'.1issemer.t, its alloy content is relatively low,. and therefore, its price is not excessive. The increased Resistance through aging is due to a finely divided precipitate which forms and disperses in the crystal structure.
This precipitate contains copper.
Of course, the invention is not limited to the details of execution described to which changes and modifications can be made without departing from its scope. For example, small amounts of elements not described may be present as long as they do not interfere with the beneficial effects of the essential elements or alter the essential nature of the alloy.
CLAIMS ..
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1.- Bainitic structural steel ± characterized in that
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.