NO153931B - Konstruksjonsstaal med hoey utmattingsfasthet. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår et konstruksjonsstål som oppviser en høy utmattingsfasthet og - opp til et karboninnhold på .0,21 vektprosent, en god sveisbarhet, og som er korrosjonsresistent ved innvirkning av luft. Stålet til-

siktes særlig anvendt for konstruksjoner og bygningsskjeletter på land eller i vann, kjøretøyer, maskiner og maskinelementer, infrastrukturer og overbygg for jernbaner etc. som er utsatt for store periodiske påkjenninger og for vær og vind.

Dagens økonomiske situasjon som gjør det spesielt nødvendig å oppnå en generell reduksjon i forbruket av energi og materialer, tvinger all industri, spesielt på området leting etter og produksjon av hydrokarboner og transport, til å møte tekniske og økonomiske krav som ikke lenger tilfreds-stilles av egenskapene hos standard stålkvaliteter, noe som til en viss grad setter en bremse på utviklingen på disse om-råder .

En lønnsom utvikling av metoder til konstruksjon

og produksjon og av standard-teknologier og tilpassing av nye tekniske og teknologiske løsninger samt også utvinning av underjordiske produkter som av tekniske og økonomiske grunner ikke er blitt nyttiggjort hittil, er utenkbare hvis ikke en ny stålkvalitet er tilgjengelig som oppviser tilstrekkelig utmattingsfasthet og allsidige egenskaper gunstige for en industriell anvendelse, og denne ståltype må kunne pro-duseres i stor mengde og ved tilstrekkelig lav kostnad til å kunne benyttes i stor utstrekning.

Derfor var det vesentlig å utvikle en ny kvalitet

av stål som samtidig som det imøtekommer disse prinsipper om å spare energi og materialer, kan tåle de aktuelle belastninger ved betydelig redusert konstruksjons-tverrsnitt og dermed vekt, samtidig som kostnadene ikke vesentlig overskrider de kostnader som medgår til å fremstille produkter av standard stålkvaliteter.

Kvaliteter av stål som oppviser gode mekaniske egenskaper og god sveisbarhet når forholdene er de rette, er allerede kjent.

På området sveisbare stålkvaliteter kan man for eksempel anføre de følgende ståltyper: T 1, RQC-100 A, HY og

NAXTRA fra USA eller HT og HW fra Japan. Den

kjemiske sammensetning hos disse stålkvaliteter karakteriseres ved følgende innhold: 0,10-0,23 vekt% C, 0,50-1,50 vekt? Mn, 0,60-1,50 vekt% Cr, og 1,0-9,5 vekt% Ni, og noen kvaliteter inneholder videre 0,50-1,00 vekt% Mo, 0,08-0,15 vekt% V, 0,003-0,03 vekt% B samt 0,5-0,7 vekt% Cu.

Det er karakteristisk for de mekaniske egenskaper hos disse ståltyper at deres tilsynelatende elastisitetsgrense - beregnet for en forlengelse av 0,2% - er mellom 500 og 700 N/mm 2og at deres plastisitet muliggjør industriell bearbeidning. Utmattingsfasthetsgrensen i tilfelle et brudd inntreffer etter IO5 belastninger er, for en belastning R = -1, mellom 200 og 400 N/mm 2og, for en belastning R = 0, mellom 250 og 500 N/mm 2 (på ikke-sveisede prøvestykker).

Enkelte stålkvaliteter oppviser en viss motstand

mot luftens innvirkning. Ulempen ved disse ståltyper er imidlertid at det bare er mulig å gi dem gode fasthetsegenskaper ved en herdnings- og anløpningsbehandling gjennomført i spesielle anlegg. Deres mekaniske egenskaper er således resultatet av herdning og anløpning, hvilket begrenser antallet former som kan lages i denne kvalitet, og videre forårsaker stor instabilitet hos disse mekaniske egenskaper på grunn av mangel på homogenitet i herdningen, og som videre -

på grunn av installasjonens begrensede gjennomgangskapasitet, dens kompleksitet og de høye kostnader den medbringer - ender opp med en fabrikasjonskostnad som beløper seg til flere ganger kostnaden av normal stålbearbeidning.

Tilstanden hos det materiale som har gjennomgått

en herdnings- og anløpningsbehandling, utgjør en ytterligere vanskelighet for industriell anvendelse, spesielt under varm oppdeling eller skjæring, fremstilling av sveisede skjøter og varmbøyning.

Bruken av ståltyper som er blitt underkastet en herdnings- og anløpningsbehandling er således sterkt be-grenset tross deres gunstige mekaniske egenskaper, på grunn av mangel på viktige former, mangel på homogenitet i de mekaniske egenskaper, vanskelighetene forbundet med deres bearbeidelse, samt deres høye pris. Innenfor området av ikke-sveisbare materialer er også ståltyper kjent som har utmerkede mekaniske egenskaper, som for eksempel kvalitet En og AISI-V utviklet i de Forenede Stater eller kvalitet GhNW fra Sovjetunionen, kvaliteter Rex, Melt-A og HST fra Storbritannia, eller CSV4

og MOG fra BRD. Deres kjemiske sammensetning karakteriseres ved følgende innhold: 0,2-0,6 vekt% C, 0,2-1,6 vekt% Si, 0,3-1,6 vekt% Mn, 3-5,0 vekt% Mo og 0,1-1,0 vekt% V, men noen kvaliteter inneholder også 1,5-3,0 vekt% W og 0,1-0,3 vekt% Ti.

Det er karakteristisk for de mekaniske egenskaper hos disse ståltyper at deres tilsynelatende elastisitetsgrense for en forlengelse på 0,2% er mellom 1300 og 1600 N/mm 2 når de blir underkastet en herdnings- og anløpningsbehandling,

og at deres strekkfasthet er mellom 1700 og 2000 N/mm <2>, til hvilket svarer en forlengelse av 7 til 10% og en slagfasthet mellom 0,7 og 2 daJ/cm 2, på et Izod-prøvestykke uten skår. For en belastning R = 0, regnet for et antall cykluser på IO4 frem til brudd, er deres utmattingsfasthetsgrense mellom 400 og 800 N/mm<2>.

Ulempen ved disse ståltyper er at deres ovennevnte egenskaper bare viser seg etter en herdnings- og anløpnings-behandling, hvilket betraktelig begrenser deres anvendelse på grunn av vanskeligheter ved bearbeidning (glødeskall ved smiing og støping,eller omvikling (warping), graden av maskiner-barhet) og som i tillegg gjør disse ståltyper forholdsvis skjøre og ømfintlige for skår-effekten, og kostnaden av deres bearbeidning utelukker videre i praksis industriell anvendelse i stor målestokk på grunn av deres høye innhold av legeringselementer.

Konstruksjonsståltyper som er kjent i dag oppviser således forholdsvis gode mekaniske egenskaper, både på det sveisbare område og på det ikke-sveisbare område på grunn av tilsetninger av legeringselementer og varmebehandlinger, d.v.s. herdning etterfulgt av anløpning. Men denne metode til å øke fasthetsgrensene begrenser variasjonen i former (profiler)

som kan fremstilles, konstruksjonselementer som har gjennomgått herdebehandling kan dessuten bare med vanskelighet be-arbeides med de sedvanlige maskiner, og i tilfelle av konstruksjonselementer som er blitt underkastet bearbeidning før herdning forårsaker den høye herdetemperatur en dekarboni-

sering, en retikulasjon eller en kastning og muligens sprekk-dannelse. Bearbeidning av disse ståltyper fordrer spesielt utstyr, hvilket øker utgiftene enda mer og ikke tillater industriell anvendelse i stor målestokk. Kombinasjonen av disse ulemper reduserer til slutt disse ståltypers nytteverdi betraktelig tross deres tilsynelatende gunstige mekaniske egenskaper.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å utvikle konstruksjonsståltyper som er motstandsdyktige mot slitasje og luftens innvirkning og med god sveisbarhet opptil bestemte grenser for karboninnholdet (0,21%), ståltyper hvis utmattingsfasthetsgrense og tilsynelatende elastisitetsgrense er høyere enn hos standard ståltyper, og som, takket være forskjellige forsterkningsmekanismer, uten herdning kan tjene som et grunnmateriale til fremstilling av konstruksjoner og bygningsskjeletter, på land eller i vann, kjøretøyer, maskiner og maskinelementer, som er utsatt for store cykliske belastninger og for vær og vind.

Konstruksjonsstålet ifølge oppfinnelsen består av, foruten jern og vanlige restelementer slik som P, As, Se o.s.v., 0,04-1,6% C (vekt%), 0,3-3% Mn og/eller Ni, 0,6-4% Cu, 0,02-0,4% Nb og/eller V, 0,001-0,006% B, 0,01-0,4% Zr og/eller Be, 0,01-0,2% Al, 0,005-0,2% N, 0,0001-0,005% Ca, 0-1,8% Si, 0-3% Mo + Co, 0-0,25% Ce + Pb og 0-0,1% S.

Sammensetninger som er mer spesielt foretrukket ifølge oppfinnelsen omfatter:

for sveisbare stålkvaliteter.

Den foretrukne sammensetning for ikke-sveisbare ståltyper er følgende:

Noen av legeringselementene danner, når de er til-stede i andeler ifølge oppfinnelsen, komplekse metallforbind-elser som til dels allerede produserer fra tiden for støpe-stadiet aktive kim av kritisk dimensjon, og hvilke også

til dels settes i løsning i mellomrommene og således skaper en forspenning i jerngitteret og således øker antallet feil i gitteret. Andre legeringselementer forårsaker metallut-fellinger med stor skjærfasthet som øker og samtidig stabiliserer på sammenbindende måte den interne spenning i grunnmaterialets gitter.

Økningen i antallet kim av kritisk dimensjon medfører en stor økning i evnen til krystallisasjon ved støping, en reduksjon av størkningstiden og grovheten av primærkorn, en sterk økning i overflaten av korngrensene og en begrensning av den mulige dannelse av intermetalliske anrikninger.

De fordelaktige egenskaper og forholdet mellom komponentene i legeringssystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse skaper slike termodynamiske, kinetiske og kjerne-dannende betingelser, under o<p>pløsningen, størkningen, om-krystalliseringen og varmdeformeringen at komponentenes til-bøyelighet til å gå. i interstitiell løsning, mengden av disse komponenter og antallet og graden av spenning i gitrene som således settes under forspenning, klart økes.

Takket være økningen i antallet av gittere som oppviser interstitiell forspenning og i deres grad av spenning, økes antallet av metallurgisk produserte dislokasjoner, hvilke befordrer og styrer dannelsen og spredningen av metalliske utfellinger betraktelig, hvilket merkbart øker effektiviteten av den forankrende funksjon eller fiksering av utfellingene under dislokasjonsfrontbevegelsen som igangsettes av fellingene.

Bestanddelene i stålet ifølge oppfinnelsen

og deres fordelaktige forhold sikrer således automatisk frem-ragende metallurgisk kvalitet hos stålet under bearbeidning derav og den positive effekten av forskjellige tilstedeværende forsterkningsmekanismer, hvis kombinerte og kumulerte virkning øker den nyttige mekaniske fasthet og utmattingsfasthetsgrensen hos stålet.

Den kjemiske sammensetning av stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter også legeringselementer som ikke settes i løsning i jernet og som ikke forbinder seg med det, men som anrikes på stålets overflate. Følgelig dannes det i det lange løp på overflaten ved atmosfærens innvirkning et tett beskyttende sjikt som er vanskelig å løse opp og som beskytter stålet mot omgivelsenes og bestemte væskers korroderende innvirkning ved å eliminere muligheten av korro-sjon ved flekker samt ved å forbedre fargefastheten hos stålet.

Stålet ifølge op<p>finnelsen oppviser en god sveisbarhet for et gitt karboninnhold og med et passende tilskudd av varme, og egenskapene hos den termisk påvirkede sone er identiske med grunnmaterialets egenskaper.

Siden bearbeiding av stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse ikke fordrer en reduserende atmosfære, kan den utføres i vanlige anlegg, og det er mulig ved hjelp av varm-formningsprosesser å gi stålet hvilke som helst dimen-sjoner og former ved valsing eller smiing, og massefrem-stilling kan gjennomføres uten spesielle anlegg.

Stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse oppviser uten herdning, utmerkede mekaniske egenskaper, og samtidig tillater det bruk av vanlige bearbeidnings- og monteringsteknologier.

På området ikke-sveisbart stål er det mulig å regu-lere ved anløpning skikketheten for formgivning eller maskinbearbeidning og likeså hårdheten etter maskinbearbeidning ved en lavtemperatur-varmebehandling. Ved den foreliggende oppfinnelse belastes ikke stålets pris som grunnmaterial med kostnaden av en komplisert herdnings- og anløpningsbehandling utført i en bestemt væske og av kostnaden av de anlegg som kreves for dette øyemed, og videre overskrider ikke fabrika-sjonskostnadene av produkter fremstilt av stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse kostnadene av standardprodukter.

Dette er grunnen til at den fortjeneste som kan oppnås på det økonomiske plan gjennom de tekniske fordeler som stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse frembyr (reduksjon av energiforbruk og vekt etc), takket være de høye grenser for utmattingsfasthet og elastisitet er praktisk talt uberørt av kostnadene til bearbeidning og bruk av det nye grunnmaterialet.

Den følgende detaljerte beskrivelse av forskjellige utførelsesformer av oppfinnelsen, hvilke viser eksempler på bearbeiding av stålet og på dets mekaniske egenskaper, vil ytterligere belyse oppfinnelsen.

Eksempel 1

Som eksempel vises tre charger av stål ifølge denne oppfinnelse i området for sveisbare ståltyper. De ble fremstilt i en 60-tonns lysbueovn og deretter raffinert i metallurgisk utstyr omfattende smeltedigler. Støping ble utført i et kontinuerlig støpeanlegg med fire dyser med formen 240 x 240 mm, hvoretter det ved valsing av barrer og under normale forhold ble fremstilt stålstenger med en diameter på 20 mm som så ble kjølt i luft og kjølere.

Resultatene av en undersøkelse av chargene ifølge denne oppfinnelse er oppgitt nedenfor.

1.1 Kjemisk sammensetning av chargene i vekt%

I eksemplene nedenfor betyr forkortelsene følgende:

Rp elastisitetsgrense

Rm bruddbelastning

Aj. forlengelse

Z innsnøring

KCU slagfasthet

1.2 Mekaniske egenskaper

1.3 Sveisbarhet

Prøver av en 12 mm tykk plate laget av charge nr. 2 ble sveiset i en inert atmosfære. Platen gjennomgikk ingen varmebehandling hverken før eller etter sveising.

Platens tykkelse = V = 12 mm

Sveisetype motsveising (ved en vinkel av 60°) Varmetilførsel = 3000 joule/cm\/mm

Antall sveiser = 3+1

Inert atmosfære = C02

Sveisetråd: Materialet selv, med en diameter av 1,6 mm.

1.31 Strekkfasthetsprøve

R0'0<02> = 784,7 N/mm<2>

P

R = 902,6 N/mm<2>

m

A5 = 16%

Z = 52%

Brudd skjer utenom sveisen.

1.32 Plastisitet hos den termisk påvirkede sone

1. 4 Resistens mot luftens innvirkning

(målt i luftvolumet i et industribygg)

1.5 Utmattingsfasthet

Utmattingsprøven ble utført på en utmattingsprøve-maskin av type Schenk-Elringer, som arbeider etter resonans-prinsippet. I dette tilfelle ble både den statiske forspennings komponenten og den oscillerende belastningen ( + Fa) påført ved fjærer hvilende på et felles lastehode. Den statiske belastning ble etablert og tilpasset ved hjelp av en gjenget aksling,

og den oscillerende fjæren ble drevet av en elektrisk motor. Oscilleringen eller vibreringen iverksatt ved rotasjonen av

den eksentriske masse drev pulsatoren ved resonanspunktet, og den nevnte pulsator frembrakte en statisk belastning mellom 0 og 20 megapond og en syklisk belastning på +10 Mp.

En stålstang med diameter 20 mm laget ved valsing

av charge nr. 2 ble underkastet utmattingsprøven. Resultatene av en kontrollprøve av strekkfasthet utført på et valset prøve-stykke som ikke var varmebehandlet er vist i tabell 5.

For sammenlignings!ormål ble testen også utført på stålkvalitet A ved bruk av samme metode og en liknende prøve. Den kjemiske sammensetning av det stål som ble benyttet som sammenlikningsgrunnlag, er vist i tabell 6, mens de mekaniske egenskaper er vist i tabell 5. 1.51 Grader av belastning i utmattingsprøven

1.52 Påkjenning tilsvarende de grader eller trinn av belastning

som prøvene ble underkastet

1.53 Resultater av utmattingsforsøk

1.54 Tolkning av resultatene fra utmattingsforsøk

Ved å sammenlikne forsøksresultatene erholdt med en identisk påkjenning på nevnte stål A og stål fra charge nr. 2 forarbeidet ifølge den foreliggende oppfinnelse, fant man for 50% bruddsannsynlighet at 60.000 påkjenninger svarte til denne verdi i tilfellet av det stål som ble brukt til sammenlikning, mot 700.000 påkjenninger i tilfellet av stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Sammenligning av resultatene oppnådd med identiske prøvemetoder viser at med en identisk belastning er levetiden for stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse nesten lik ti ganger levetiden hos det standardstål som ble brukt som sammenlikningsgrunnlag.

Ved å sammenlikne verdiene f or motstand eller belastning i den tid som svarer til 50% bruddsannsynlighet, dvs. de rette linjer som representerer (grafisk fremstilt) utmattingsfasthetene hos de to materialer, kan man se at stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse kan tåle belastninger som er nesten dobbelt så store som for stål A.

Eksempel 2

To charger er vist, laget av stål ifølge den foreliggende oppfinnelse, som eksempel i området av ikke-sveisbare stålkvaliteter. Chargene ble fremstilt i en 65-tonns lysbus-ovn, siden raffinert i metallurgisk utstyr omfattende støpe-digler og støpt i et kontinuerlig støpeanlegg med formen 240 x 240 mm. Deretter ble stålstenger fremstilt ved valsing av barrer under normale forhold, og de ble kjølt på kjølere. Diameteren av disse stålstenger var 20 mm. Forsøksresultatene er vist nedenfor:

2.1 Kjemisk sammensetning av charger

2.2 Mekaniske egenskaper

2.3 Utmattingsfasthet

Utmattingsfasthetsprøven tok sikte på å undersøke egenskapene til stålet ifølge den foreliggende oppfinnelse når det ble underkastet en oscillasjons- eller vibrasjonskraft som varierer med tiden. Den prøvemetode som ble brukt var ved siden av utmattingsprøver ved cykliske vridninger med prøver på utmatting ved vridning, hvilket er vanlig, Locati-metoden som tar sikte på å bestemme fastheten mot de kombinerte krefter av bøyning og vridning,og til slutt ble det utført en beregning av fastheten mot oscillasjoner eller vibrasjoner ved å bearbeide resultatene på en computer. Til utmattings-prøven med charge nr. 4 benyttet man prøver som var laget av valsede stålstenger underkastet avspenningsbehandling, med en diameter på 40 mm. Resultatene av den statiske mekaniske prøve på stålstengene fremstilt ved valsing fra charge nr. 4

er vist i tabell 13.

2.31 Utmattingsforsøk ved cykliske vridmomenter

Denne prøve tok sikte på å bestemme Wohler-diagrammet for den kombinerte bøynings- og symmetriske oscillasjonskraft.

2.32 Grader eller trinn av belastning i utmattingsprøve

ved cykliske vridmomenter

2.33 Parametere vedutmattingsprøve ved cykliske vridmomenter 2.34 Forsøksresultater 2.35 Data vedrørende fordelingen av utprøvningsresultatene på utmatting ved cykliske vridmomenter etter at disse resultater er behandlet i en computer

2.36 Utmattingsprøve ved vridmoment

Denne prøve tok sikte på å bestemme Wohler-diagrammet ved den kombinerte vrid- og symmetriske oscillasjonskraft.

2.37 Grader eller trinn av belastning av utmattingsprøve ved vridmomenter

2.38 Parameter for utmattingsprøve ved vridmomenter 2.39 Forsøksresultat av utmattingsprøve ved vridmomenter 2.4 Verdier av dynamisk motstand mot oscillasjoner eller vibrasjoner bestemt på basis av utmattingsprøve ved cykliske vridmomenter 2.5 Verdier av motstand mot oscillasjoner eller vibrasjoner bestemt på basis av utmattingsprøve ved vridmomenter

2.6 Tolkning av resultater

De verdier vedrørende motstand mot oscillasjoner eller vibrasjoner som ble erholdt, nemlig Rvh - 373 til 441 N/mm 2 og Tv - 254 ~ 255 N/mm 2, med en stålstang fremstilt av stål ifølge denne oppfinnelse som ikke var blitt underkastet herdebehandling etterfulgt av anløpning og med en diameter på 40 mm, stemmer overens med fasthetsverdiene ved oscillasjoner eller vibrasjoner for kjente fjærstål som er blitt underkastet en herding eller en herdebehandling etterfulgt av an-løpning. Det skal bemerkes at det under forsøkene ved-rørende utmatting ved cykliske vridmomenter var mulig å oppnå merkbar forbedring i fasthetsverdiene ved oscillasjoner eller vibrasjoner ved en passende primær belastning, i størrelses-ordenen noen millioner, hvilket ble produsert ved en påkjenning på ca. 440 N/mm 2. Verdiene for fasthet ved oscillasjoner eller vibrasjoner hos stålet ifølge denne oppfinnelse forbedres derfor merkbart i forbindelse med en konstruksjon omfattende et skjelett av stål, noe som utgjør en meget nyttig egenskap hos stål ifølge denne oppfinnelse.

1. Konstruksjonsstål som oppviser en høy utmattingsfasthet og,

opptil et karboninnhold på 0,21 vektprosent, en god sveisbarhet,

og som er korrosjonsresistent ved innvirkning av luft,

karakterisert ved at det hovedsakelig består av, foruten jern,

2. Konstruksjonsstål ifølge krav 1,

karakterisert ved at det foruten jern, og bort-

sett fra forurensninger, inneholder

3. Konstruksjonsstål ifølge krav 1,

karakterisert ved at det foruten jern, og bort-

sett fra forurensninger, inneholder