Хим состав стали 12х18н10т: 12Х18Н10Т сталь — характеристики, свойства и применение

alexxlab | 20.09.1970 | 0 | Разное

Содержание

Марка стали 12Х18Н10Т: характеристики, ГОСТ, расшифровка | Справочник

Марка: 12Х18Н10Т (старое название Х18Н10Т) (заменители: 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т).

Класс: Сталь конструкционная криогенная.

Использование в промышленности: детали, работающие до 600 °С. Сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и другие детали, работающие под давлением при температуре от —196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред до +350 °С.

Химический состав стали 12Х18Н10Т

C	Cr	Fe	Mn	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,12	17-19,0	Осн.	≤2,0	9-11,0	≤0,035	≤0,020	≤0,8	5·С-0,8

Свойства нержавеющей стали 12Х18Н10Т

Сталь 12х18н10т – нержавеющая титаносодержащая сталь аустенитного класса. Химический состав регламентирован ГОСТ 5632-72 нержавеющих сталей аустенитного класса.

Преимущества: высокая пластичность и ударная вязкость.

Оптимальной термической обработкой для этих сталей является закалка с 1050°-1080° в h3O, после закалки механические свойства характеризуются максимальной вязкостью и пластичностью, не высокими прочностью и твёрдостью.

Аустенитные стали используют как жаропрочные при температурах до 600°С. Основными легирующими элементами являются Cr-Ni. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбидов Ti (для предупреждения межкристаллитной коррозии. Такая структура получается после закалки с температур 1050°С-1080°С). Стали аустенитного и аустенитно-ферритного классов имеют относительно небольшой уровень прочности (700-850МПа).

Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т

Заменитель:

Стали марок: 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т.

Стандарт ASTM: AISI 321, AISI 321H.

12Х18Н10Т – пищевая нержавеющая сталь коррозионно-стойкая аустенитного класса, нашедшая свое применение во множестве отраслей промышленности, в первую очередь пищевой, фармацевтической и химической.

Детали, изготовленные из этой марки стали, можно эксплуатировать в различных агрессивных средах, а также при высоких температурах (до +600 °С). Очень часто из нержавеющей стали 12Х18Н10Т производятся сварные аппараты и сосуды, а также различные типы нержавеющих труб для трубопроводов.

Химический состав 12Х18Н10Т

Химический элемент	Кремний (Si), не более	Медь (Cu), не более	Марганец (Mn), не более	Никель (Ni)	Титан (Ti)	Фосфор (P), не более	Хром (Cr)	Сера (S), не более
%	0.8	0.30	2.0	9.0-11.0	0.6-0.8	0.035	17.0-19.0	0.020

Механические свойства 12Х18Н10Т

Сечение, мм	Сечение, мм	_B, МПа	_0,2, МПа	₅, %	, %
Прутки. Закалка 1020-1100 °С, воздух, масло или вода.	60	510	196	40	55
Прутки шлифованные, обработанные на заданную прочность.		590-830		20
Прутки нагартованные.	<5	930
Листы нержавеющие горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1000-1080°С, вода или воздух.	>4	530	236	38
Листы нержавеющие горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1050-1080°С, вода или воздух.	<3,9	530	205	40
Листы нержавеющие горячекатаные или холоднокатаные нагартованные	<3,9	880-1080		10
Поковки. Закалка 1050-1100°С, вода или воздух.	<1000	510	196	35	40
Проволока термообработанная.	1,0-6,0	540-880		20
Трубы бесшовные горячедеформированные без термообработки.	3,5-32	529		40

Механические свойства 12Х18Н10Т при повышенных температурах

t_{испытания}, °C	Закалка 1050-1100°С, охлаждение на воздухе	700	650	600	550	500	20
_0,2, МПа		120-195	120-195	120-205	135-205	135-205	225-315
_B, МПа		265-360	270-390	340-410	380-450	390-440	550-650
₅, %		20-38	27-37	28-38	31-41	30-42	46-74
, %		40-70	52-73	51-74	61-68	60-70	66-80
KCU, Дж/м²		255-353	245-353	196-358	215-353	196-353	215-372

Технологические свойства 12Х18Н10Т

Температура ковки

Начальная температура при горячей обработке должна составлять около +1200 °С, а при завершении она снижается до +850 °С. Если сечение листов нержавеющей стали не превышает 350 мм, то охлаждение осуществляется в воздухе.

Флокеночувствительность

Не чувствительна.

Обрабатываемость резанием

В закаленном состоянии при НВ 169 и B = 610 МПа: Ku тв. спл. = 0,85, Ku б. ст. = 0,35.

Свариваемость

Нержавеющая сталь отличается превосходной свариваемостью, поэтому сварка может осуществляться без особых ограничений. После выполнения сварки рекомендуется выполнить термическую обработку.

Ударная вязкость нержавеющей стали 12Х18Н10Т

Состояние поставки, термообработка		Полоса 8×40 мм в состоянии поставки
Ударная вязкость, KCU, Дж/см²	20	286
	-40	303
	-75	319

Предел выносливости

Жаростойкость

Среда

Воздух

Температура, °С

750

650

Группа стойкости или балл

4-5

2-3

Физические свойства 12Х18Н10Т

Температура испытания, °С	Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	Плотность, кг/см3	Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°С)	Уд. электросопротивление (p, НОм·м)
20	198	77		15	725
100	194	74		16	792
200	189	71		18	861
300	181	67		19	920
400	174	63		21	976
500	166	59		23	1028
600	157	57		25	1075
700	147	54		27	1115
800		49		26
900

Температура испытания, °С	Коэффициент линейного расширения	,(10^-6 1/°С)	Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг·°С))
20-100	16.6		462
20-200	17.0		496
20-300	17.2		517
20-400	17.5		538
20-500	17.9		550
20-600	18.2		563
20-700	18.6		575
20-800	18.9		596
20-900	19.3
20-1000

Чувствительность к охрупчиванию

Температура, °С	Исходное состояние	600	650
Время, ч		5000	5000
KCU, Дж/см²	274	186-206	176-196

Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т дополнительно содержит до 10% никеля, около 18% хрома, 1,5% титана и до 12% углерода. Такой состав сплава обеспечивает превосходные технические характеристики стали, делая ее универсальной.

Как уже было сказано выше, область применения нержавеющей стали 12Х18Н10Т очень и очень широка – она в большинстве случаев используется при изготовлении сварных конструкций в химической, пищевой, фармацевтической, нефтехимической промышленностях, а также машиностроении, энергетике и многих других областях.

Марка стали 12Х18Н10Т характеристики, расшифровка, применение, плотность, хим состав, свойства

Заменители

Заменитель — стали 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08X17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т.

Иностранные аналоги

Германия DIN	Марка	X10CrNiTi18-9
	Номер	1.4541
США (AISI, SAE, ASTM)		321
Франция (AFNOR)		Z10CN18
Великобритания (BS)		320S31
Швеция (SS)		2337
Италия UNI		—
Япония		SUS321

ВАЖНО!!! Возможность замены определяется в каждом конкретном случае после оценки и сравнения свойств сталей

к содержанию ↑

Расшифровка стали 12Х18Н10Т

Цифра 12 указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, т.е. для стали 12Х18Н10Т это значение равно 0,12%.

Буква «Х» указывает на содержание в стали хрома. Цифра 18 после буквы «Х» указывает примерное количество хрома в стали в процентах, округленное до целого числа, т.е. содержание хрома около 18%.

Буква «Н» указывает на содержание в стали никеля. Цифра 10 после буквы «Н» указывает примерное количество никеля в стали в процентах, округленное до целого числа, т.е. содержание никеля около 10%.

Буква «Т» указывает на содержание в стали титана. Содержание титана в стали не превышает 1,5%.

к содержанию ↑

Вид поставки

Cортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 5949-75, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2879-88.
Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78.
Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77, ГОСТ 18907-73.
Лист толстый ГОСТ 7350—77.
Лист тонкий ГОСТ 5582—75.
Лента ГОСТ 4986—79.
Проволока ГОСТ 18143—72.
Поковки и кованые заготовки ГОСТ 25054—81, ГОСТ 1133-71.
Трубы ГОСТ 9940-72, ГОСТ 9941-72, ГОСТ 14162-79.

Свариваемость

Сталь 12Х18Н10Т является свариваемой без ограничений. Способы сварки: РДС, ЭШС и КТС (Контактно Точечная Сварка). Рекомендуется последующая термообработка.

Технологические свойства

Температура ковки, °С: начала 1200, конца 850. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе.
Обрабатываемость резанием — K_{v тв.спл} = 0,85 и K_{v б.ст} = 0,35 в закаленном состоянии при НВ 169 и σ_в = 610 МПа.
Флокеночувствительность — не чувствительна.

Химический состав, % (ГОСТ 5632-2014)

Сталь	C	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	S	P
12Х18Н10Т	не более 0,12	не более 0,80	не более 2,00	17,0-19,0	9,0-11,0	5,0-8,0	не более 0,02	не более 0,40

Применение 12Х18Н10Т

Назначение — детали, работающие до 600 °С; сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и другие детали, работающие под давлением при температуре от -196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред — до +350 °С.

Сталь коррозионностойкая (нержавеющая) аустенитного класса и преимущественно применяется как коррозионостойкая, но может применяться и как жаростойкая и жаропрочная. По жаростойкости близка к стали 12Х18Н9Т.

Применяется для изготовления свариваемой аппаратуры в разных отраслях промышленности.

к содержанию ↑

Примерное применение как жаростойкой стали

Назначение — трубы, детали печной арматуры, теплообменники, муфели, реторты, патрубки и коллекторы выхлопных систем, электроды искровых зажигательных свечей. Рекомендуемая максимальная температура применения в течение длительного времени (до 10000 ч), 800°С.

Температура начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде, 850°С.

Неустойчива в серосодержащих средах. Применяются в случаях, когда не могут быть применены безникелевые стали.

к содержанию ↑

Примерное применение как жаропрочной стали

Детали выхлопных систем, трубы, листовые и сортовые детали.

Рекомендуемая максимальная температура применения, 600°С.

Срок службы — Весьма длительный.

Температура начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде, 850°С.

Применение стали 12Х18Н10Т для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)

Марка стали	НД на поставку	Температура рабочей среды (стенки), °С	Дополнительные указания по применению
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	Сортовой прокат ГОСТ 5949. Листы ГОСТ 7350. Поковки ГОСТ 25054. Трубы ГОСТ 9940, ГОСТ 9941 (из 12Х18Н10Т)	От -270 до 350	Для сварных узлов арматуры, работающих в агрессивных средах: HNO₃, щелочей, аммиачной селитры, пищевых сред, сред спецтехники, судовой арматуры, криогенных сред, сероводородсодержащих сред; для мембран
12Х18Н10Т ГОСТ 5632		Св. 350 до 610	Для сварных узлов арматуры при отсутствии требования стойкости к межкристаллитной коррозии

к содержанию ↑

Применение стали 12Х18Н10Т для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)

Марка стали, по ГОСТ 1759.0	Стандарт или технические условия на материал	Параметры применения
		Болты, шпильки, винты		Гайки		Плоские шайбы
		Темпера- тура среды, °С	Давление номи- нальное Pn, МПа (кгс/см²)	Темпера- тура среды, °С	Давление номи- нальное Pn, МПа (кгс/см²)	Темпера- тура среды, °С	Давление номи- нальное Pn, МПа (кгс/см²)
12Х18Н10Т	ГОСТ 5632	От -196 до 600	Не регламен- тируется	От -196 до 600	Не регламен- тируется	От -196 до 600	Не регламен- тируется

к содержанию ↑

Применение стали 12Х18Н10Т для изготовления шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)

Марка стали	НД на поставку	Температура рабочей среды, °С	Дополнительные указания по применению
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	Сортовой прокат ГОСТ 5949	От -270 до 350	Применяется для работы в агрессивных средах: азотной кислоте, щелочах, аммиачной селитре, пищевых средах, средах спецтехники, судпрома, криогенной техники и сероводородсодержащих средах. Применяется для сварных узлов
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	Сортовой прокат ГОСТ 5949	Св. 350 до 610	Применяется для работы в средах, не вызывающих межкристаллитной коррозии

к содержанию ↑

Применение стали 12Х18Н10Т для сильфонов (ГОСТ 33260-2015)

Марка стали	НД на поставку	НД на изготовление сильфонов	Температура рабочей среды, °С	Давление рабочее P_p, МПа(кгс/см²), не более	Дополнительные указания по применению
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	Лист ГОСТ 5582. Лента ГОСТ 4986, (для стали 1.4541)	ГОСТ 21744, ГОСТ 22388	От -260 до 550	От 0,6 до 25,0 (от 6 до 250)	Для воды, пара, инертных газов и для криогенных температур. Для сред слабой агрессивности — до температуры 350°С. Для коррозионных сред — до 150°С
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	Труба ГОСТ 10498	ГОСТ 21744, ГОСТ 22388	От -260 до 465	От 0,15 до 3,10 (от 1,5 до 31,0)

ПРИМЕЧАНИЕ
В таблице указаны предельные величины по температурам и рабочим давлениям. Конкретные сочетания параметров применения (рабочее давление, осевой ход, температура и полный назначенный ресурс) приведены в нормативной документации на сильфоны.

к содержанию ↑

Применение стали 12Х18Н10Т для узла затвора арматуры

Марка стали	Температура рабочей среды, °С	Твердость	Дополнительные указания по применению
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	От -100 до 300	155…170 HB	Работоспособность узла затвора обеспечивается при наличии наплавки или другого износостойкого покрытия в ответной детали

Применение стали 12Х18Н10Т для винтовых цилиндрических пружин

Марка стали	НД на поставку	Температура применения, °С	Дополнительные указания по применению
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	Проволока	От -253 до 400	Дополнительные указания по применению	Предохранительные, регулирующие клапаны, маломагнитные пружины

Применение стали 12Х18Н10Т для прокладок

Марка стали	Вид полуфабриката		Температура применения, °С	Дополнительные указания по применению
	Наименование	НД на поставку
12Х18Н10Т ГОСТ 5632	Листы толстые термически обработанные	ГОСТ 7350	От -253 до 600	Применяется для работы в коррозионных средах

к содержанию ↑

Стойкость стали 12Х18Н10Т к сульфидному коррозионному растрескиванию

Метод формообразования заготовок	Наименование деталей
Поковки, штамповки, заготовки из проката	Корпус, крышка, шток, шпиндель, детали уплотнения затвора, концевые детали сильфона

Максимально допустимые температура применения стали 12Х18Н10Т в средах, содержащих аммиак

Марка стали	Температура применения сталей, °С при парциальном давлении аммиака, МПа (кгс/см )
Марка стали	Св. 1(10) до 2(20)	Св. 2(20) до 5(50)	Св. 5(50) до 8(80)
12Х18Н10Т	540	540	540

Максимально допустимые температура применения стали 12Х18Н10Т в водородосодержащих средах

Марка стали	Температура, °С, при парциальном давлении водорода, P_h3, МПа (кгс/см²)
Марка стали	1,5(15)	2,5(25)	5(50)	10(100)	20(200)	30(300)	40(400)
12Х18Н10Т	510	510	510	510	510	510	510

ПРИМЕЧАНИЕ

Параметры применения сталей, указанные в таблице, относятся также к сварным соединениям.
Парциальное давление водорода рассчитывается по формуле:
P_h3 = (C*P_p)/100,
где C — процентное содержание в системе;
P_h3 — парциальное давление водорода;
P_p — рабочее давление в системе.

к содержанию ↑

Коэффициент относительной эрозионной стойкости деталей арматуры из стали 12Х18Н10Т

Детали проточной части арматуры	Материал деталей	Коэффициент эрозионной стойкости относительно стали 12X18h20T	Максимальный перепад давления, при котором отсутствует эрозионный износ, МПа
Корпус, патрубки, шток, плунжер (шибер), седло	12Х18Н10Т	1,0	4,0

ПРИМЕЧАНИЕ

Коэффициент эрозионной стойкости материала представляет собой отношение скорости эрозионного износа материала к скорости эрозионного износа стали 12Х18Н10Т (принятой за 1).
Материалы являются эрозионностойкими, если коэффициент относительной эрозионной стойкости Kn не менее 0,5 и твердость материала HRC≥28.

к содержанию ↑

Стойкость стали 12Х18Н10Т против щелевой эрозии

Группа стойкости	Балл	Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18h20T
Стойкие	2	0,75-1,5

Стойкость стали 12Х18Н10Т против ударной эрозии

Балл стойкости	НВ не более	Материалы
5	150	Аустенитная хромоникелевая нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т

Применение стали 12Х18Н10Т для изготовления основных деталей арматуры атомных станций

Марка стали	Вид полуфабриката или изделия	Максимально допустимая температура применения, °С
12Х18Н10Т ГОСТ 5632, ГОСТ 24030	Листы, трубы, поковки, сортовой прокат. Крепеж	600

Характеристики

Плотность ρ при температуре испытаний, 20 °С — 7900 кг/см³

Коэффициент теплопроводности λ Вт/(м*К) при температуре испытаний, °С

Сталь	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
12Х18Н10Т	15	16	18	19	21	23	25	27	26	—

Удельное электросопротивление ρ, нОм*м, при температуре испытаний °С —

Сталь	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
12Х18Н10Т	725	792	861	920	976	1028	1075	1115	—	—

Удельная теплоемкость

c, Дж/(кг*К), при температуре испытаний, °С

20-100	20-200	20-300	20-400	20-500	20-600	20-700	20-800	20-900	20-1000
462	496	517	538	550	563	575	596	—	—

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м*К), при температуре испытаний, °С

20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
15	16	18	19	21	23	25	27	26	—

Коэффициент линейного расширения

α*10⁶, К^-1, при температуре испытаний, °С

20-100	20-200	20-300	20-400	20-500	20-600	20-700	20-800	20-900	20-1000
16,6	17,0	17,2	17,5	17,9	18,2	18,6	18,9	19,3

Модуль нормальной упругости Е, ГПа, при температуре испытаний °С

Сталь	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
12Х18Н10Т	198	194	189	181	174	166	157	147	—	—

Модуль упругости при сдвиге на кручением G, ГПа, при температуре испытаний °С

Сталь	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
12Х18Н10Т	77	74	71	67	63	59	57	54	49	—

к содержанию ↑

Механические свойства

ГОСТ	Состояние поставки	Сечение, мм	σ_0,2, МПа	σ_b, МПа	δ₅, %	ψ_%
ГОСТ	Состояние поставки	Сечение, мм	не менее
ГОСТ 5949-75	Пруток. Закалка с 1020-1100 °С на воздухе, в масле или в воде	60	196	510	40	55
ГОСТ 18907-73	Пруток шлифованный, обработанный на заданную прочность	—	—	590-830	20	—
	Пруток нагартованный	До 5	—	930	—	—
ГОСТ 7350-77 (образцы поперечные)	Лист горячекатаный и холодно-катаный:
	закалка с 1000-1080 °С в воде или на воздухе	Св.4	236	530	38	—
ГОСТ 5582-75(образцы поперечные)	закалка с 1050-1080 °С в воде или на воздухе	До 3,9	205	530	40	—
	нагартованный	До 3,9	—	880-1080	10	—
ГОСТ 25054-81	Поковка. Закалка с 1050— 1100 °С в воде или на воздухе	До 1000	196	510	35	40
ГОСТ 18143-72	Проволока термообработанная	1,0-6,0	—	540-880	20	—
ГОСТ 9940-81	Труба бесшовная горячедеформированная без термообработки	3,5-32	—	529	40	—

к содержанию ↑

Механические свойства при повышенных температурах

t_исп, °С	σ_0,2, МПа	σ_a, МПа	δ₅, %	ψ_%	KCU, Дж/см²
20	225-315	550-650	46-74	66-80	215-372
500	135-205	390-440	30-42	60-70	196-353
550	135-205	380-450	31-41	61-68	215-353
600	120-205	340-410	28-38	51-74	196-358
650	120-195	270-390	27-37	52-73	245-353
700	120-195	265-360	20-38	40-70	255-353

Примечание. Закалка с 1050—1100 °С на воздухе.

к содержанию ↑

Механические свойства при испытании на длительную прочность (ГОСТ 5949-75)

t_исп, °С	Предел ползучести, МПа, не менее	Скорость ползучести, %/ч
600	74	1/100000
650	29-39

t_исп, °С	Предел длительной прочности, МПа, не менее	τ, ч
600	147	10000
650	78-98

Ударная вязкость KCU

Состояние поставки	KCU, Дж/см², при температуре, °С
Состояние поставки	+20	-40	-75
Полоса 8×40 мм	286	303	319

Примечание. Предел выносливости σ_-1 = 279 МПа при n = 10⁷.

Чувствительность к охрупчиванию при старении

Время, ч	Температура, °С	KCU, Дж/см²
Исх. сост.	Исх. сост.	274
5000	600	186-206
5000	650	176-196

Жаростойкость

Среда	Температура, °С	Группа стойкости или балл
Воздух	650	2-3
	750	4-5

12Х18Н10Т сталь нержавеющая: характеристики, свойства, применение

Бурное развитие инновационных технологий привело к появлению достаточно большого количества новых металлов, которые характеризуются исключительными эксплуатационными качествами. Примером можно назвать появление материалов с коррозионной стойкостью, за счет которых существенно продлевается срок службы изготавливаемых изделий. Наиболее распространенной версией считается сталь 12х18н10т. Характеристики стали 12х18н10т во многом определяют востребованность и применение в различных отраслях промышленности. Особые свойства связаны с включением в состав различных легирующих элементов и выдерживании их концентрации на требуемом уровне. Расшифровка маркировки определяет наличие большого количества хрома и других примесей.

Сталь 12х18н10т

Общая характеристика стали 12х18н10т

Рассматривая 12х18н10т (ГОСТ определяет все стандарты) следует учитывать, что высокая концентрация основных легирующих элементов определяет особые свойства металла. Больше всего в марке присутствует хром и никель.

Скачать ГОСТ 5632-72

Технические особенности нержавеющей стали 12х18н10т можно охарактеризовать следующим образом:

Показатель плотности составляет 7920 кг/м³.
Закалка проводится при воздействии температуры около 1100 градусов Цельсия. Для нагрева среды до этой температуры требуется специальное оборудование.
Аналог стали 12х18н10т должен иметь показатель твердости 179 МПа.
Важным параметром можно назвать степень свариваемости. Марка нержавеющей стали 12х18н10т не имеет ограничений по свариваемости, могут применяться различные методы. После сварки рекомендуется проводить термическую обработку, которая повышает прочность и надежность соединения.
Температура применения составляет 650 градусов Цельсия. Большая температура может привести к повышению пластичности и снижению защиты от химического воздействия.
Есть возможность проводить обработку материала резанием в закаленном состоянии. Именно поэтому заготовка применяется для обработки резанием при использовании токарного или фрезерного оборудования.

В продаже также поставляется нагартованная заготовка, которая может применяться для получения самых различных изделий.

Аналог aisi производят многие зарубежные производители. При этом маркировка проводится согласно правилам, которые установлены в стране.

Химический состав и структура сплава

Рассматриваемый материал 12х18н10т относится к классу конструкционных криогенных. Структуру можно охарактеризовать высокой устойчивостью к воздействию агрессивной среды. Химический состав стали 12х18н10т представлен сочетанием следующих элементов:

Практически любой металл в своем составе имеет высокую концентрацию железа. Вторым наиболее важным химическим элементом является углерод, концентрация которого составляет 0,12%.
Вторым по концентрации элементом является хром. Его концентрация составляет от 17% до 19%.
В состав включили большую концентрацию никеля: от 9% до 11%.
В последнее время в состав современных сплавов включается титан, концентрация которого около 0,8%.

Химический состав стали 12х18н10т

Остальные химические вещества имеют концентрацию в пределах нормы в соответствии с ГОСТ. Избежать наличие вредных примесей в составе практически не возможно, но есть возможность выдерживать низкий показатель концентрации: фосфора около 0,035% и серы не более 0,02%.

Легирующие элементы стали 12х18н10т

Основные легирующие элементы представлены хромом и никелем. Они оказывают следующее воздействие:

Практически все распространенные нержавейки получаются при включении в состав хрома, который определяет коррозионную стойкость. Кроме этого, увеличивается способность структуры с пассивации.
Никель добавляется в состав для того чтобы повысить эксплуатационные качества структуры. Примером назовем то, что рассматриваемая марка хорошо прокатывается в холодном и горячем состоянии.

Другие легирующие элементы лишь незначительно изменяют эксплуатационные характеристики рассматриваемого металла. Примером можно назвать ферритные свойства, а также межкристаллическую коррозионную устойчивость, связанная с высокой концентрацией титана.

Физические свойства

При выборе металла следует уделить внимание его физическим свойствам. Они во многом определяют область применения и его основные эксплуатационные качества. В рассматриваемом случае плотность нержавеющей стали составляет 7920 кг/м³. Довольно высокая плотность 12х18н10т определяет то, что изготавливаемые детали обладают прочностью.

К другим физическим свойствам отнесем следующие моменты:

Температура плавления нержавеющей стали более 1000 градусов Цельсия. Провести подобную обработку в домашней мастерской практически невозможно.
Коррозионная стойкость – основная причина востребованности распространенных нержавеек. Он может применяться в случае, если условия эксплуатации предусматривают воздействие повышенной влажности и химической среды.
Низкие магнитные свойства позволяют применять ее при изготовлении различных изделий. Они достигаются за счет добавления титана.

Коэффициент линейного расширения и коэффициент теплопроводности определяют возможность применения материала при изготовлении изделий, которые могут эксплуатироваться при воздействии высокой температуры.

Удельный вес нержавеющей стали во многом зависит от химического состава и применяемого метода обработки.

Механические свойства

При рассмотрении металла учитываются и механические свойства стали 12х18н10т. они характеризуются следующим образом:

Твердость по Бринеллю соответствует 179 МПа. Этот момент определяет то, что поверхность материала может выдерживать воздействие самого различного типа.
Предел прочности варьирует в различном диапазоне, обычно составляет 279 МПа.

Механические характеристики стали 12х18н10т

При выборе 12х18н10т также учитывается предел текучести, который определяет возможность его применения при литье различных изделий.

К другим особенностям рассматриваемого металла отнесем следующие моменты:

При легировании в состав включается кремний. Он повышает плотность и показатель текучести. Концентрация этого химического элемента в составе неблагоприятно воздействует на пластичность.
Достаточно высокая пластичность и ударная вязкость являются привлекательными эксплуатационными качествами металла.
При снижении температуры окружающей среды механические свойства металла начинают существенно снижаться.

Недостаток заключается в том, что металл не выдерживает на воздействие веществ, в состав которых включены ионы хлора. Кроме этого, коррозионная стойкость низкая в отношении к соляной или серной кислоты. Поэтому сфера применения несколько ограничена.

Сфера применения

Применение стали 12х18н10т весьма обширно:

Пищевая промышленность. Стоит учитывать, что к изделиям, применяемым в пищевой промышленности, предъявляется достаточно много требований. Металл не должен взаимодействовать с продуктами питания и напитками.
Химическая и нефтяная отрасли. В этих отраслях также часто создают различные емкости и элементы, которые контактируют с нефтепродуктами и различными химическими веществами.
Машиностроение. В машиностроительной отрасли изготавливают различные изделия путем резания. Если ни будут эксплуатироваться при высокой влажности и воздействии химических веществ, то часто выбирается рассматриваемая материал.
В секторе топливной промышленности и энергетики. Металл может выдерживать воздействие высокой температуры.

Металл может обрабатываться при применении автоматической и ручной сварки. Высокий показатель коэффициента теплопроводности определяет применение стали при изготовлении теплообменного оборудования. Также листовой металл применяется при изготовлении коллекторных элементов для передачи и распределения выхлопных газов.

Большое распространение получили бесшовные нержавеющие трубы, которые эксплуатируются под большим давлением. Кроме этого, в химическом составе есть титан, который определяет низкие магнитные качества. Достаточно высокая концентрация углерода определяет высокий уровень прочности.

Термообработка стали 12х18н10т

Существенно увеличить эксплуатационные качества материала можно путем термической обработки. Она способна существенно повысить эксплуатационные качества ответственных изделий.

Закалка стали

Особенностями термической обработки можно назвать нижеприведенные моменты:

Проводится закалка. Она позволяет существенно повысить показатель твердости поверхности. Закалка предусматривает перестроение структуры, для чего заготовка нагревается до температуры 1060 градусов Цельсия. При перестроении структуры, для чего проводится термическая обработка, может снижаться пластичность, и этом станет причиной хрупкости. Рекомендуется проводить охлаждение в масле, за счет чего существенно повышается качество поверхности.
Нормализация 12х18н10т для снижения внутренних напряжений проводится путем отпуска.
При желании может проводится ковка при температуре около 1200 градусов Цельсия.

Нагреть среду до требуемой температуры можно при применении индукционной печи. Они позволяют автоматизировать процесс и повысить качество. Устанавливаться индукционные печи могут в домашних мастерских.

В заключение отметим, что нержавейки сегодня обладают наиболее высокими эксплуатационными характеристиками. Это связано с точной концентрацией определенных химических веществ. Однако, применение подобных материалов не всегда целесообразно, что связано с высокой стоимостью изготовления.

Сталь 12Х18Н10Т – характеристика, химический состав, свойства, твердость

Доска объявлений

Сталь 12Х18Н10Т – характеристика, химический состав, свойства, твердость

Сталь 12Х18Н10Т

Общие сведения

Заменитель

стали: 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т.

Вид поставки

сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 5949-75, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77, ГОСТ 18907-73. Лист толстый ГОСТ 7350-77. Лист тонкий ГОСТ 5582-75. Лента ГОСТ 4986-79. Проволока ГОСТ 18143-72. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71, ГОСТ 25054-81. Трубы ГОСТ 9940-81, ГОСТ 9941-81, ГОСТ 14162-79.

Назначение

детали, работающие до 600 °С. Сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и другие детали, работающие под давлением при температуре от -196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред до +350 °С. Сталь коррозионно-стойкая аустенитного класса.

Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si), не более	0.8
Медь (Cu), не более	0.30
Марганец (Mn), не более	2.0
Никель (Ni)	9.0-11.0
Титан (Ti)	0.6-0.8
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr)	17.0-19.0
Сера (S), не более	0.020

Механические свойства

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	s_0,2, МПа	s_B, МПа	d₅, %	y, %
Прутки. Закакла 1020-1100 °С, воздух, масло или вода.	60	196	510	40	55
Прутки шлифованные, обработанные на заданную прочность.			590-830	20
Прутки нагартованные	<5		930
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1000-1080 °С, вода или воздух.	>4	236	530	38
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1050-1080 °С, вода или воздух.	<3,9	205	530	40
Листы горячекатаные или холоднокатаные нагартованные	<3,9		880-1080	10
Поковки. Закалка 1050-1100 °С, вода или воздух.	<1000	196	510	35	40
Проволока термообработанная	1,0-6,0		540-880	20
Трубы бесшовные горячедеформированные без термообработки.	3,5-32		529	40

Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	s_0,2, МПа	s_B, МПа	d₅, %	y, %	KCU, Дж/м²
Закалка 1050-1100 °С, охлаждение на воздухе.
20	225-315	550-650	46-74	66-80	215-372
500	135-205	390-440	30-42	60-70	196-353
550	135-205	380-450	31-41	61-68	215-353
600	120-205	340-410	28-38	51-74	196-358
650	120-195	270-390	27-37	52-73	245-353
700	120-195	265-360	20-38	40-70	255-353

Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1200, конца 850. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе.

Свариваемость

сваривается без ограничений. Способы сварки: РДС (электроды ЦТ-26), ЭШС и КТС. Рекомендуется последующая термообработка.

Обрабатываемость резанием

В закаленном состоянии при НВ 169 и s_B = 610 МПа K_{u тв.спл.} = 0,85, K_{u б.ст.} = 0,35.

Флокеночувствительность

не чувствительна

Ударная вязкость

Ударная вязкость, KCU, Дж/см²

Состояние поставки, термообработка	+20	-40	-75
Полоса 8Х40 мм в состоянии поставки.	286	303	319

Предел выносливости

s_-1, МПа	n
279	1Е+7

Жаростойкость

Среда	Температура, °С	Группа стойкости или балл
Воздух	650	2-3
Воздух	750	4-5

Физические свойства

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	198	194	189	181	174	166	157	147
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	77	74	71	67	63	59	57	54	49
Плотность, pn, кг/см3	7900
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)	15	16	18	19	21	23	25	27	26
Уд. электросопротивление (p, НОм · м)	725	792	861	920	976	1028	1075	1115
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	16.6	17.0	17.2	17.5	17.9	18.2	18.6	18.9	19.3
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	462	496	517	538	550	563	575	596

Чувствительность к охрупчиванию

Температура, °С	Время, ч	KCU, Дж/см²
	Исходное состояние	274
600	5000	186-206
650	5000	176-196

[ Назад ]

Нержавеющая сталь марки 12х18н10т

Химический состав стали 12х18н10т

В химсоставе нержавейки 12х18н10т кроме обязательных для нержавеющей стали компонентов – никеля и хрома, дополнительно присутствует титан (содержание элемента менее 1,5% не указывается в маркировке стали).

Таблица химических свойств стали 12х18н10т

Физические свойства стали 12х18н10т

Нержавейка 12х18н10т отличается хорошей свариваемостью. После процесса сварки рекомендуется провести постобработку швов. Сталь 12х18н10т устойчива к межкристаллитной коррозии после сварки.

В слабоагрессивных средах допускается эксплуатация деталей из стали 12х18н10т в температурном диапазоне от -196°С до +600°С без изменения свойств стали. В агрессивной среде верхний температурный порог снижается до +350°С.

Таблица физических характеристик 12х18н10т

Сталь 12х18н10т аналоги

Ближайший по химсоставу и физическим свойствам аналог стали 12х18н10т – нержавеющая сталь марки aisi 321.

Аналоги нержавейки 12х18н10т

Применение нержавеющей стали 12х18н10т

Нержавеющая сталь 12х18н10т может применяться в любых областях производства. В основном её используют для изготовления деталей машин и механизмов, работающих при температурах до 600°С. Сталь 12х18н10т (техническая нержавейка) пригодна для сооружения сварных конструкций (емкостей, трубопроводов и т.п.) контактирующих со слабыми растворами уксусной, фосфорной кислот, а также во взаимодействии со щелочными растворами и растворами кислых солей.

Рейтинг: 9.70/10 – 26 голосов

12Х18Н10Т сталь – характеристики, расшифровка, применение

Сплав 12Х18Н10Т относится к классу коррозионностойких криогенных сталей. Данный материал способен работать в агрессивных средах при повышенных температурах и в условиях экстремального охлаждения. Промышленность выпускает этот металл с различным сортаментом, в том числе круглый, листовой и фасонный прокат, ленту, листы, проволоку, трубы и поковки.

Химический состав стали 12Х18Н10Т

К данной стали предъявляются повышенные требования по механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам. Поэтому её состав отличается пониженной концентрацией вредных примесей (сера, фосфор) и большим содержанием легирующих элементов.

Fe, %	C, %	Si, %	Mn, %	Ni, %	S, %	P, %	Cr, %	Cu, %	Ti, %
Около 67	Не более 0,12	Не более 0,8	Не более 2	9 – 11	Не более 0,02	Не более 0,035	17 – 19	Не более 0,30	0,4 – 1

Влияние элементов, входящих в состав стали, на её свойства:

Сплав 12Х18Н10Т относится к аустенитному классу и обладает гранецентрированной кубической решеткой при комнатной температуре;
Углерод искажает решетку железа и повышает прочностные свойства стали;
Марганец и кремний – раскисляющие добавки, которые вводятся в сталь при выплавке;
Никель улучшает пластические характеристики сплава. При высокой концентрации этого элемента сталь переходит в аустенитный класс. Такой материал обладает малой склонностью к росту зёрен, высокой коррозионной стойкостью и низким порогом хладноломкости;
Фосфор и сера ухудшают ударную вязкость стали, являются вредными примесями;
Хром повышает прочность и прокаливаемость стали. При содержании этого элемента более 13 % на поверхности сплава образуется прочная плёнка из оксида хрома, предотвращающая окисление металла;
Медь не взаимодействует с железом и выделяется по границам зёрен сплава, поэтому нежелательна её концентрация более 1 %;
Титан повышает прочность, пластичность и жаропрочность стали.

Механические, эксплуатационные и технологические характеристики стали 12Х18Н10Т

Для получения требуемой аустенитной структуры, при которой достигаются наилучшие свойства, сталь подвергают закалке от 1000 – 1100 ℃. Благодаря высокой концентрации легирующих элементов сплав отличается низкой критической скоростью охлаждения, поэтому закаливается в воде, масле и даже на воздухе.

Механические характеристики при 20 ℃
Временное сопротивление σ_в, МПа	550 – 650
Предел текучести σ_0,2, МПа	225 – 315
Твёрдость по Бринеллю HB	179
Относительное удлинение δ, %	46 – 74
Ударная вязкость KCU, Дж/см²	215 – 372

При температуре 600 ℃ сталь без разрушения выдерживает нагрузку до 147 МПа в течение 10000 часов. Охлаждение до -75 ℃ не приводит к снижению ударной вязкости сплава.

Сплав 12х18н10т хорошо сваривается разными методам, применяется ручная электродуговая сварка и полуавтоматическая в атмосфере аргона. Сталь имеет высокую теплопроводность, поэтому во избежание пережога не допускается превышение допустимого значения сварочного тока.

Сталь 12х18н10т Физические свойства

Отправить свои хорошие работы в базу знаний просто. Используйте форму ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в учебе и работе, будут Вам очень благодарны.

Размещено http://www.allbest.ru/

Характеристики и характеристики сталь 12Х18х20Т

Современное развитие человечества неразрывно связано с развитием новых технологий, созданием новых материалов для использования в различных отраслях промышленности и продлением срока службы создаваемых деталей, машин и оборудования.

Одним из важнейших этапов развития металлургии было создание и развитие нержавеющих сталей. Рассмотрим наиболее используемую и распространенную сталь 12Х18х20Т – выявим достоинства, недостатки, влияние легирующих элементов на свойства стали и возможность ее использования в различных отраслях промышленности.

Химический состав

Сталь 12х18н10т – нержавеющая титансодержащая сталь аустенитного класса (определяется по диаграмме Шеффлера, рис.1). Химический состав регламентируется ГОСТ 5632-72 Стали нержавеющие аустенитные. Преимущества: высокая пластичность и вязкость.

Рисунок 1.

Оптимальной термической обработкой для этих сталей является закалка от 1050 о С до 1080 о С в h3O, после закалки механические свойства характеризуются максимальной вязкостью и пластичностью, невысокой прочностью и твердостью.

Термическая обработка стали необходима для придания материалу определенных свойств. Например, повышенная пластичность, износостойкость, повышенная твердость или стойкость.Он может похвастаться всеми этими качествами. лист 12х18н10т .

Процесс термической обработки можно разделить на четыре типа:

1. Отжиг. Такой процесс термообработки позволяет добиться однородной структуры. Отжиг проходит в три этапа: сталь нагревается до определенной температуры, затем выдерживается при определенной температуре, а затем медленно охлаждается в печи. Равномерная структура получается только при отжиге второго рода; при первом роде структурных изменений не происходит.

2. Закалка. Такой вид термообработки позволяет создавать сталь с разнообразной структурой и свойствами. Весь процесс проходит в три этапа: при заданной температуре сталь нагревается, затем выдерживается при той же температуре и, в отличие от отжига, происходит быстрое охлаждение.

3. Отпуск. Эта технология термообработки используется для уменьшения внутреннего напряжения материала.

4. Нормализация. Этот вид термообработки также проводится в три этапа: нагрев, старение и охлаждение.Температура устанавливается для первых двух ступеней, а третья ступень проводится на воздухе.

Чтобы получить качественный лист 12х18н10т, нужно правильно провести процесс термообработки. В первую очередь обращают внимание на свойства стали, а именно на ее эксплуатационные и технологические характеристики. Они наиболее важны при изготовлении определенных деталей и изделий, таких как, например, лист 12х18н10т. С учетом марки стали процесс закалки проходит в интервале температур 530-1300оС.Путем термической обработки можно значительно изменить структуру металла.

Механические свойства

Термическая обработка, состояние поставки	Сечение мм
Барс. Закакла 1020-1100 ° C, воздух, масло или вода.
Прутки полированные, обработанные до заданной прочности.
Стержни со сколами
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1000-1080 ° С, вода или воздух.
Листы горячекатаные или холоднокатаные.Закалка 1050-1080 ° С, вода или воздух.
Листы горячекатаные или холоднокатаные
Поковки. Закалка 1050-1100 ° С, вода или воздух.
Проволока термообработанная
Трубы бесшовные горячекатаные без термической обработки.

Механические свойства при повышенных температурах

Аустенитные стали используются как жаростойкие при температурах до 600 ° С. Основными легирующими элементами являются Cr-Ni. Однофазные стали имеют стабильную структуру однородного аустенита с низким содержанием карбидов Ti (для предотвращения межкристаллитной коррозии. Такая структура получается после закалки от температур 1050 ° С-1080 ° С).Стали аустенитного и аустенитно-ферритного классов имеют относительно низкий уровень прочности (700-850 МПа).

Рассмотрим особенности влияния легирующих элементов на структуру стали 12Х18х20Т .

Хром, содержание которого в этой стали составляет 17-19%, является основным элементом, обеспечивающим способность металла к пассивированию и обеспечивающим его высокую коррозионную стойкость. Легирование никелем переводит сталь в аустенитный класс, что имеет принципиальное значение, поскольку позволяет сочетать высокую технологичность стали с уникальным набором эксплуатационных характеристик.При наличии 0,1% углерода сталь при температуре> 900 ° C имеет полностью аустенитную структуру из-за сильного аустенитного эффекта углерода. Соотношение концентраций хрома и никеля специфическим образом влияет на стабильность аустенита при понижении температуры обработки до твердого раствора (1050-1100 о С). Помимо влияния основных элементов, также необходимо учитывать наличие в стали кремния, титана и алюминия, которые способствуют образованию феррита.

Рассмотрим способы закалки стали 12Х18х20Т.

Одним из методов закалки сортового проката является высокотемпературная термообработка (HTMO). Возможности закалки с помощью ВТМО исследованы на комбинированном полунепрерывном стане 350 ПО «Кировский завод». Заготовки (100х100 мм, длина 2,5 – 5 м.) Нагревали в методической печи до 1150 – 1200 о С и выдерживали при этих температурах в течение 2-3 часов. Прокатка производилась по общепринятой технологии; Готовые стержни диаметром 34 мм поступали в закалочные ванны с проточной водой, где охлаждались не менее 90 с.Наибольшая прочность была у проката, подвергнутого ВТМО при самой низкой температуре деформации и промежутке времени от конца прокатки до закалки. Так, у стали ВТМО 08Х28Н10Т предел текучести увеличился на 45-60% по сравнению с его уровнем после традиционной термообработки (ГТР) и в 1,7-2 раза по сравнению с ГОСТ 5949-75; При этом пластические свойства несколько снизились и остались на уровне нормативных требований.

Нержавеющая сталь 12Х18х20Т закаленная более, чем сталь 08Х18х20Т; однако размягчение с повышением температуры увеличивалось в большей степени из-за уменьшения сопротивления стали размягчению с увеличением содержания углерода.Кратковременные высокотемпературные испытания показали, что более высокий уровень прочности термомеханически закаленной стали, обнаруживаемый при комнатной температуре, сохраняется и при повышенных температурах. В этом случае сталь после HTMO размягчается с повышением температуры в меньшей степени, чем сталь после GR.

Нержавеющая сталь никель-хромовая

, применяемая для сварных конструкций в криогенной технике при температурах до -269 о С, для емкостного, теплообменного и реакционного оборудования, в том числе для паровых подогревателей и трубопроводов высокого давления с рабочими температурами до 600 о С, для деталей печное оборудование, муфты, выпускные коллекторы.Максимальная температура использования жаропрочных изделий из этих сталей в течение 800 ч – 800 о С, температура начала интенсивного накипеобразования – 850 оС. При длительной эксплуатации сталь устойчива к окислению на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температурах Сталь нержавеющая

Коррозионно-стойкая сталь 12Х18х20Т применяется для изготовления сварного оборудования в различных отраслях промышленности, а также конструкций, работающих в контакте с азотной кислотой и другими окислительными средами, некоторыми органическими кислотами средней концентрации, органическими растворителями, в атмосферных условиях и др.Сталь 08Х18х20Т рекомендована для сварных изделий, работающих в средах более агрессивных, чем сталь 12Х18х20Т, и имеет повышенную стойкость к межкристаллитной коррозии.

Таким образом, благодаря уникальному сочетанию свойств и прочностных характеристик нержавеющая сталь 12Х18х20Т нашла широчайшее применение практически во всех отраслях промышленности, изделия из этой стали имеют длительный срок службы и стабильно высокие характеристики на протяжении всего срока службы.

Сварка стали 12Х18х20Т

Сварка стали – основной технологический процесс практически любого производства металлических изделий.С VII века до нашей эры до наших дней сварка широко используется в качестве основного метода образования прочных соединений металлов. С самого начала и до 19 века нашей эры применялся метод ковки металла сваркой. Те. свариваемые детали нагревали, а затем сжимали ударами молотка. Наибольшего расцвета эта технология достигла к середине XIX века, когда на ней стали производить даже такие ответственные изделия, как железнодорожные рельсы и магистральные трубопроводы.

Однако сварные соединения, особенно в массовом, промышленном масштабе, отличались низкой надежностью и нестабильным качеством.Это часто приводило к авариям из-за разрушения детали по шву.

Открытие электродугового нагрева и высокотемпературного газокислородного горения, наряду с повышенными требованиями к качеству сварного соединения, произвело мощный технологический прорыв в области сварки, в результате которого появилась технология бесшовных работ, которое мы привыкли видеть, было создано.

С появлением легированной стали процессы сварки усложнились из-за необходимости предотвращения карбидирования легирующих элементов, в основном хрома.Появились способы сварки инертными флюсами или флюсами под флюсом, а также технологии затяжки швов.

Рассмотрим особенности сварки аустенитных сталей наиболее распространенной нержавеющей сталью 12Х18х20Т.

Сталь 12Х18х20Т относятся к хорошо свариваемым. Характерной особенностью сварки этой стали является возникновение межкристаллитной коррозии. Развивается в зоне термического влияния при температуре 500-800 ° С. C. Когда металл остается в таком критическом диапазоне температур, карбиды хрома выделяются по границам зерен аустенита.Все это может иметь опасные последствия – хрупкое повреждение конструкции при эксплуатации. сварка химического состава стали

Для достижения стойкости стали необходимо устранить или ослабить эффект выделения карбидов и стабилизировать свойства стали в месте сварного шва.

При сварке высоколегированных сталей используются электроды с защитно-легирующим покрытием основного типа в сочетании с высоколегированным электродным стержнем. Использование электродов с основным покрытием позволяет формировать наплавленный металл требуемого химического состава, а также других свойств за счет использования высоколегированной электродной проволоки и легирования через покрытие.

Сочетание легирования электродной проволокой и покрытия позволяет обеспечить не только гарантированный химический состав в пределах паспортных данных, но и некоторые другие свойства, предназначенные для сварки аустенитных сталей 12Х18х20Т, 12Х18Н9Т, 12Х18х22Т и им подобных.

Сварка высоколегированных сталей под флюсом осуществляется либо кислородно-нейтральными фторидными флюсами, либо защитным легированием в сочетании с высоколегированной электродной проволокой. С металлургической точки зрения для сварки высоколегированных сталей наиболее рациональны фторидные флюсы типа АНФ-5, которые обеспечивают хорошую защиту и металлургическую обработку металла в сварочной ванне, а также позволяют легировать сварочную ванну титаном за счет электродная проволока.Кроме того, процесс сварки нечувствителен к образованию пор в металле шва из-за водорода. Однако бескислородные фторидные флюсы обладают относительно низкими технологическими свойствами. Именно низкие технологические свойства фторидных флюсов обусловили широкое использование флюсов на оксидной основе для сварки высоколегированных сталей.

Сварка высоколегированных сталей для снижения вероятности образования перегреваемой структуры, как правило, выполняется на режимах, характеризующихся малым тепловложением.При этом предпочтение отдается швам малого сечения, получаемым при использовании электродной проволоки небольшого диаметра (2-3 мм). Поскольку у высоколегированных сталей повышенное электрическое сопротивление и пониженная электропроводность, при сварке вырост электрода из высоколегированной стали уменьшается в 1,5-2 раза по сравнению с выростом электрода из углеродистой стали.

При дуговой сварке в качестве защитных газов используются аргон, гелий (реже), углекислый газ.

Аргонодуговая сварка выполняется плавящимися неплавящимися вольфрамовыми электродами.Плавящийся электрод сваривают на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих струйный перенос электродного металла. В некоторых случаях (в основном, при сварке аустенитных сталей) смеси аргона с кислородом или углекислым газом (до 10%) используются для повышения стабильности горения дуги и особенно снижения вероятности образования пор из-за водорода при сварке плавящимся материалом. электрод.

Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в основном выполняется постоянным током прямой полярности.В некоторых случаях, когда в сталях содержится значительное количество алюминия, для катодного разрушения оксидной пленки используется переменный ток.

Использование дуговой сварки в атмосфере двуокиси углерода снижает вероятность образования пор в металле шва из-за водорода; это обеспечивает относительно высокий коэффициент перехода легкоокисляемых элементов. Таким образом, коэффициент перехода титана из проволоки достигает 50%. При сварке в атмосфере аргона коэффициент перехода титана из проволоки составляет 80-90%.При сварке сталей из углекислого газа с высоким содержанием хрома и низким содержанием кремния на поверхности сварного шва образуется трудноудаляемая огнеупорная оксидная пленка. Ее наличие затрудняет проведение многослойной сварки.

При сварке сталей с низким содержанием углерода (менее 0,07-0,08%) возможно науглероживание металла шва. Переход углерода в сварочную ванну усиливается, когда в электродной проволоке присутствуют алюминий, титан и кремний. В случае сварки глубоко аустенитных сталей некоторое науглероживание металла сварочной ванны в сочетании с окислением кремния снижает вероятность горячего растрескивания.Однако науглероживание может изменить свойства металла шва и, в частности, снизить его коррозионные свойства. Кроме того, наблюдается повышенное разбрызгивание электродного металла. Наличие брызг на поверхности металла снижает коррозионную стойкость.

Технологии сварки нержавеющих высоколегированных сталей постоянно совершенствуются. На этом этапе при строгом соблюдении технологического процесса качество сварного шва нержавеющей стали практически уступает по своим свойствам металлу соединяемых деталей и гарантирует высочайшую надежность сварного соединения.

Образование дефекта в сварных соединениях при сварке

При сварке плавлением наиболее частыми дефектами сварных соединений являются неполнота шва, неравномерность его ширины и высоты (рис. 1), крупный масштаб, бугристость и седловидность. При автоматической сварке дефекты возникают из-за колебаний напряжения в сети, проскальзывания проволоки в подающих роликах, неравномерной скорости сварки из-за люфта в механизме перемещения, неправильного наклона электрода и перетекания расплавленного металла в зазор.При ручной и полуавтоматической сварке дефекты могут быть вызваны недостаточной квалификацией сварщика, нарушением технологических приемов, низким качеством электродов и других сварочных материалов.

Фиг.2 . Дефекты формы и размера шва : а – незавершенность шва; б – неравномерная ширина стыкового шва; в – неровности по длине ножки углового шва; h – необходимая высота усиления шва

Для сварки давлением (например, точечной) характерными дефектами являются неравномерный шаг острия, глубокие вмятины, смещение осей соединяемых деталей.

Нарушение формы и размера шва часто свидетельствует о наличии таких дефектов, как провисание (провисание), подрезы, ожоги и неприложенные кратеры.

Наплывы (несоответствия) (рис. 2) чаще всего образуются при сварке горизонтальных швов вертикальных поверхностей в результате подтекания жидкого металла к краям холодного основного металла. Они могут быть локальными, в виде отдельных застывших капель или иметь значительную длину по шву. Причины наплыва: большое значение сварочного тока, длинная дуга, неправильное положение электрода, большой угол наклона изделия при сварке на подъем и спуск.В кольцевых швах провисание образуется при недостаточном или чрезмерном смещении электрода от зенита. В местах наплывов часто выявляются непровары, трещины и другие дефекты.

Поднутрения представляют собой углубления (канавки), образованные в основном металле по краю шва с завышенным сварочным током и длинной дугой, так как в этом случае ширина шва увеличивается, а края больше оплавляются. При сварке угловыми швами подрезы возникают в основном из-за смещения электрода в сторону вертикальной стенки, что вызывает значительный нагрев, плавление и стекание его металла на горизонтальной полке.В результате на вертикальной стене появляются поднутрения, а на горизонтальной полке появляются притоки. При газовой сварке подрезы образуются из-за повышенной мощности сварочной горелки, а при электрошлаковом – из-за неправильной установки формирующих ползунов.

Подрезы приводят к ослаблению поперечного сечения основного металла и могут вызвать разрушение сварного соединения.

Рис. Внешние дефекты : а – стык; б – угловой; 1 – приток; 2 – подрезка.

Пригары – это провар основного или наплавленного металла с возможным образованием сквозных отверстий. Они возникают из-за недостаточного притупления кромок, большого зазора между ними, чрезмерного сварочного тока или мощности горелки при малых скоростях сварки. Ожоги чаще всего наблюдаются при сварке тонкого металла и при первом проходе многослойного шва. Кроме того, ожоги могут возникнуть в результате плохого предварительного нагружения флюсовой подушки или медной футеровки (автоматическая сварка), а также при увеличении продолжительности сварки, малой силе сжатия и наличии загрязнений на поверхностях свариваемые детали или электроды (точечная и шовная контактная сварка).

Незаполненные кратеры , образующиеся при резком обрыве дуги в конце сварки. Они уменьшают сечение шва и могут быть очагами растрескивания.

Размещено на Allbest.ru

…

Легирующие элементы из стали 12Х18х20Т

Сталь марки – нержавеющая аустенитная титансодержащая сталь.Chem. Состав марки утвержден ГОСТ 5632-72 Стали нержавеющие аустенитные. Основные преимущества: высокая пластичность и вязкость.
Лучшая термообработка для сталей этого класса – отпуск при температуре 1050 0 C-1080 0 C в воде после процесса закалки меха. Свойства стали отличаются высокой вязкостью и пластичностью, но низкой прочностью и твердостью.
Аустенитные стали используются как жаростойкие при температурах до 600 0 C Основными легирующими элементами являются хром и никель.Однофазные стали имеют стабильную структуру однородного аустенита с низким содержанием карбидов титана (во избежание межкристаллитной коррозии. Подобная структура образуется после процесса закалки от температур 1050 0 C-1080 0 C ) Аустенитная и аустенитная- Ферритные стали имеют относительно низкий уровень прочности (700-850МПа) .

Сталь 12Х18х20Т – влияние легирующих элементов на механические свойства

Остановимся на особенностях влияния легирующих элементов на структуру нержавеющей стали 12Х18х20Т.
Хром, содержание которого в 12Х18х20Т составляет от 17 до 19%, является основным элементом, обеспечивающим способность металла к пассивации и определяющим высокие антикоррозионные свойства стали марки 12Х18х20Т. Легирование никелем определяет сталь в аустенитном классе, что позволяет сочетать высокую обрабатываемость нержавеющей стали с отличным диапазоном эксплуатационных характеристик. При содержании углерода 0,1% 12Х18х20Т при температурах выше 900 0 С имеет полностью аустенитную структуру, это связано с сильным аустенитообразующим действием С (углерода).Соответствие концентраций Cr и Ni специфически влияет на стабильность аустенита при понижении температуры обработки для твердого раствора (1050 0 С-1100 0 С ) Помимо влияния основных элементов, важно также учитывать наличие в нержавеющей стали кремния (Si), титана (Ti) и алюминия (Al), способствующих образованию феррита.

Сталь 12Х18х20Т методы упрочнения

Остановимся на способах упрочнения нержавеющей стали марки 12Х18х20Т.
Одним из распространенных способов повышения прочности качественного проката является высокотемпературная термообработка (ВТМО). При изучении возможности повышения прочности с помощью технологии HTMO выяснилось, что наилучшая прочность у проката, подвергнутого высокотемпературной термообработке при минимальной температуре деформации и времени от окончания прокатки до закалки. Так, у стали WTMO предел текучести 08Х18х20Т увеличился на 45-60% по сравнению с таким же уровнем после традиционной термообработки (ГТП) и 1.В 7-2 раза по сравнению с ГОСТ 5949-75 . При этом свойства пластичности несколько снизились и не выходили за допустимые значения стандарта.

Сравнение марок 12Х18х20Т и 08Х18х20Т

У стали марки 12Х18х20Т прочность увеличилась больше, чем у стали марки 08Х18х20Т. При этом снижение прочности с повышением температуры увеличивалось в большей степени за счет снижения предела прочности стали на разрыв против разупрочнения с увеличением содержания углерода.Кратковременные высокотемпературные испытания показали, что наивысший уровень прочности термомеханически закаленной стали, определенный при комнатной температуре, продолжает сохраняться при повышенных температурах. В этом случае нержавеющая сталь после HTMO теряет прочность с повышением температуры меньше, чем сталь после традиционной термообработки.

Сталь 12Х18х20Т – сфера применения

Никель-хромовые нержавеющие стали

используются для сварных конструкций в криогенной технике при низких температурах, порядка -269 0 C , для емкостного, теплообменного и реакционного оборудования, а также для паровых нагревателей, водонагревателей и нагревателей высокого давления. трубопроводы с максимальной температурой применения до 600 0 С, для деталей топочного оборудования, муфелей, выпускных коллекторов.Максимальная температура использования жаропрочных изделий из таких сталей в период до 10 000 часов – 800 0 С, при температуре 850 0 C начинается процесс интенсивного окалинообразования. При продолжительной рабочей нагрузке сталь 12Х18х20Т сохраняет антиоксидантные свойства на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температурах до 900 0 С, а в условиях теплообмена до 800 0 С. Коррозионно-стойкая сталь
марки 12Х18х20Т широко применяется для изготовления сварного оборудования в различных отраслях промышленности, а также металлических конструкций, работающих в контакте с агрессивными средами – азотной кислотой и другими окислительными средами, некоторыми органическими кислотами низкой концентрации, органическими растворителями, и т.п.Нержавеющая сталь 08Х18х20Т применяется для сварных изделий, работающих в более агрессивных средах, чем сталь 12Х18х20Т, и обладает высокой степенью стойкости к межкристаллитной коррозии.

В результате уникальное сочетание свойств и прочностных характеристик позволило нержавеющей стали марки 12Х18х20Т найти самое широкое применение в большинстве отраслей промышленности, металлопродукция этой марки имеет высокие характеристики при длительном сроке службы.

Приложение

Сталь этой марки широко используется в промышленности.Его используют для изготовления деталей, рабочая температура которых достигает 600 градусов Цельсия. Он устойчив к агрессивным средам, поэтому из него также производятся элементы, работающие под высоким давлением в растворах солей и щелочей, различных кислот.

Кроме того, сталь 12Х18х20Т используется в производстве насосов КМ, конвейерных лент, отрезных кругов, вагонов поездов и т. Д. Также этот вид стали можно встретить в энергетике, системах горячего и холодного водоснабжения, пищевой и химической промышленности.

Производство осуществляется на качественном специализированном оборудовании последнего поколения. Сначала обрабатывается заготовка, температура в этом случае более 1000 градусов Цельсия. Далее их закаливают холодной водой.

Стальной прокат

Сталь

марки 12Х18х20Т бывает нескольких видов, однако наибольшей популярностью пользуются трубы и листы.

Труба устойчива к коррозии, поэтому имеет более широкую область применения, чем листы. Применяется при строительстве как жилых, так и промышленных объектов.Кроме того, трубы часто выбирают для строительства трубопроводов и оборудования котельных, где работа напрямую связана со средами высокого давления. Лист прост и практичен в использовании, устойчив к неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Это отличает его от проката других типов. Отличительная особенность труб и листов 12Х18х20Т – отсутствие необходимости в дополнительной обработке.

Химический состав

Все преимущества и механические свойства стали обусловлены ее химическим составом:

19-20% хрома гарантирует высокую устойчивость к коррозии.
12% никеля обеспечивает возможность использования при работе с агрессивными средами, кислотами.
Титан защищает сталь от образования вредных для металла карбидов хрома.
Кремний отвечает за высокую прочность металла и износостойкость изделий из него.
В состав помимо перечисленных компонентов входят кислород, водород, азот и другие сплавы.

Механические свойства стали 12Х18х20Т (стар.X18N10T)
ГОСТ	Состояние поставки, режимы термообработки	Профиль мм	σ 0,2 (МПа)	σ дюйм (МПа)	δ 5 (%)	ψ%
ГОСТ 5949-75	Барс. Закалка 1020-1100 ° C, воздух, масло или вода.	60	196	510	40	55
ГОСТ 18907-73	Прутки отполированы, обработаны с заданной прочностью. Стержни со сколами.	– До 5	– –	590-830 930	20 –	– –
ГОСТ 7350-77 (Образцы поперечные) ГОСТ 5582-75 (Образцы поперечные)	Листы горячекатаные и холоднокатаные: – закалка 1000-1080 ° С, вода или воздух. – закалка 1050-1080 ° С, вода или воздух. – арендовано	ул. 4 До 3.От 9 до 3,9	236 205 –	530 530 880-1080	38 40 10	– – –
ГОСТ 18143-72	Проволока термообработанная.	1,0-6,0	–	540-880	20	–
ГОСТ 9940-8	Трубы бесшовные горячекатаные без термической обработки	3,5-32	–	529	40	–

Физические свойства стали 12Х28Н10Т (старое название Х28Н10Т)
Т (город)	E 10-5 (МПа)	а 10 6 (1 / город)	л (Вт / (м	r (кг / м 3)	C (Дж / (кгград))	R 10 9 (Ом · м)
20	1.98		15	7920		725
100	1,94	16,6	16		462	792
200	1,89	17	18		496	861
300	1,81	17,2	19		517	920
400	1.74	17,5	21		538	976
500	1,66	17,9	23		550	1028
600	1,57	18,2	25		563	1075
700	1,47	18,6	27		575	1115
800		18.9	26		596
900		19,3

Химический состав стали

Сталь – это сплав железа и других элементов. Некоторые элементы намеренно добавляются в железо с целью достижения определенных свойств и характеристик. Остальные элементы присутствуют случайно и не могут быть легко удалены.Такие элементы называются «следовыми» или «остаточными» элементами.

Многие спецификации продуктов содержат обязательные требования к отчетности по определенным элементам, и они различаются. Большинство заводов обычно проводят анализ тепла, который включает элементы, указанные ниже. Хотя можно проводить анализ других элементов, это чаще всего нецелесообразно или необходимо, если они не являются добавками (например, Pb – свинец, Sb – сурьма или Co – кобальт).

C – Углерод

Mn – Марганец

P – фосфор

S – Сера

Si – Кремний

Cu – медь

Ni – Никель

Cr – Хром

Mo – молибден

V – Ванадий

Cb (Nb) – Колумбий (ниобий)

Ti – Титан

Al – Алюминий

N – Азот

B – Бор

Sn – Олово

Ca – Кальций

Существуют тысячи стальных сплавов, и их классификация сложна и варьируется в зависимости от руководящего органа.Однако большинство из них можно в общих чертах сгруппировать в простую углеродистую сталь, сверхнизкоуглеродистую сталь (ULC), высокопрочную низколегированную сталь (HSLA), легированную сталь, высоколегированную сталь (включая нержавеющую сталь и инструментальную сталь) и электротехническую сталь. Усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS) – это новейшая классификация сталей.

Легирующие элементы часто служат для разных целей в разных сталях. Например, марганец способствует прочности и твердости стали в прокатанном состоянии, но другой важной характеристикой является его способность повышать прокаливаемость, что имеет решающее значение при термообработке.

Влияние легирующих элементов на свойства стали – огромная тема. Ниже приводится очень краткое изложение влияния перечисленных выше элементов на обычный плоский прокат. Более подробную информацию можно найти на веб-сайтах руководящих органов и информационных обществ по материалам, таких как ASM International.

Углерод является основным упрочняющим элементом стали. Твердость и прочность возрастают пропорционально увеличению содержания углерода примерно до 0,85%. Углерод отрицательно влияет на пластичность, свариваемость и вязкость.Диапазон содержания углерода в стали ULC обычно составляет 0,002 – 0,007%. Минимальный уровень углерода в простой углеродистой стали и HSLA составляет 0,02%. Марки углеродистой стали повышаются до 0,95%, стали HSLA – до 0,13%.

Марганец присутствует во всех товарных сталях в качестве добавки и вносит значительный вклад в прочность и твердость стали почти таким же образом, но в меньшей степени, чем углерод. Марганец улучшает ударную вязкость при низких температурах. Увеличение содержания марганца снижает пластичность и свариваемость.Типичное содержание марганца составляет 0,20 – 2,00%.

Фосфор чаще всего остаточный, но может быть добавкой. В качестве добавки увеличивает твердость и прочность на разрыв. Это отрицательно сказывается на пластичности, свариваемости и вязкости. Фосфор также используется в повторно фосфорированной высокопрочной стали для автомобильных кузовных панелей. Обычно остаточные количества составляют менее 0,020%.

Сера присутствует в сырье, используемом при производстве чугуна. Сталеплавильный процесс предназначен для его удаления, поскольку он почти всегда является вредной примесью.Типичное количество в товарной стали составляет 0,012%, а в формуемой HSLA – 0,005%.

Кремний может быть добавкой или остатком. В качестве добавки он увеличивает прочность, но в меньшей степени, чем марганец. Типичная минимальная добавка составляет 0,10%. Для применений после цинкования желаемый остаточный максимум составляет 0,04%.

Медь, никель, хром (хром), молибден (молибден) и олово являются наиболее часто встречающимися остатками в стали. Их количество контролируется управлением ломом в процессе выплавки стали.Обычно указанные максимальные остаточные количества составляют 0,20%, 0,20%, 0,15% и 0,06% соответственно для меди, никеля, хрома и молибдена, но допустимые пределы зависят в основном от требований к продукту. Медь, никель, хром и молибден, когда они являются добавками, оказывают очень специфическое улучшающее воздействие на сталь. Максимальный остаточный остаток олова обычно не указывается, но его содержание в стали обычно поддерживается на уровне 0,03% или менее из-за его вредных свойств.

Ванадий, колумбий и титан – это упрочняющие элементы, которые добавляют в сталь по отдельности или в комбинации.В очень малых количествах они могут иметь очень значительный эффект, поэтому их называют микросплавами. Типичные количества составляют от 0,01 до 0,10%. В сверхнизкоуглеродистую сталь титан и колумбий добавляются в качестве «стабилизирующих» агентов (что означает, что они объединяются с углеродом и азотом, остающимися в жидкой стали после вакуумной дегазации). Конечный результат – превосходная формуемость и качество поверхности.

Алюминий используется в основном как раскислитель в сталеплавильном производстве, соединяясь с кислородом в стали с образованием оксидов алюминия, которые могут всплывать в шлаке.Обычно 0,01% считается минимумом, требуемым для «стали, убитой алюминием». Алюминий действует как измельчитель зерна во время горячей прокатки, объединяясь с азотом с образованием осадков нитрида алюминия. При последующей переработке можно контролировать выделение нитрида алюминия, чтобы повлиять на свойства змеевика.

Азот может попадать в сталь в качестве примеси или преднамеренной добавки. Обычно остаточные уровни ниже 0,0100 (100 частей на миллион).

Бор чаще всего добавляют в сталь для повышения ее прокаливаемости, но в низкоуглеродистые стали его можно добавлять для связывания азота и уменьшения удлинения при пределе текучести, что сводит к минимуму разрывы рулонов.В то же время при надлежащей обработке продукт будет иметь отличную формуемость. Для этого его добавляют в количестве примерно до 0,009%. Остаток в стали обычно составляет менее 0,0005%.

Кальций добавляется в сталь для контроля формы сульфидов с целью улучшения формуемости (он соединяется с серой с образованием круглых включений). Он обычно используется в стали HSLA, особенно при более высоких уровнях прочности. Типичная добавка составляет 0,003%.

Моделирование и композиционный дизайн механических свойств низколегированной стали на основе нейронных сетей и генетических алгоритмов

Abstract

Представляет интерес точное улучшение механических свойств низколегированной стали путем изменения легирующих элементов и процессов термообработки.Между механическими свойствами и компонентами процесса существует взаимосвязь, и механизм этой взаимосвязи сложен. Модель построения композиции нейронной сети и генетического алгоритма прямого выбора (FS-DNN & GA), построенная в этой статье, представляет собой комбинацию нейронной сети и генетического алгоритма, где модель, обученная нейронной сетью, передается в генетический алгоритм. Модель FS-DNN & GA обучена с помощью базы данных Центра сплавов Американского общества металлов (ASM) для проектирования состава и процесса термообработки легированной стали.Во-первых, с помощью метода прямого выбора (FS) влияющие факторы – C, Si, Mn, Cr, температура закалки и температура отпуска – отбираются и повторно комбинируются для использования в различных моделях прогнозирования механических характеристик. Во-вторых, построена модель механического прогнозирования нейронной сети прямого выбора (FS-DNN) для анализа модели FS-DNN с использованием экспериментальных данных для наилучшего прогнозирования механических характеристик. Наконец, обученная модель FS-DNN вводится в генетический алгоритм для построения модели FS-DNN и GA, а модель FS-DNN и GA выводит соответствующий химический состав и обрабатывает, когда механические характеристики увеличиваются или уменьшаются.Результаты экспериментов показывают, что модель ФС-ДНН имеет высокую точность при прогнозировании механических свойств 50 печей из низколегированной стали. Средняя абсолютная погрешность прочности на разрыв (MAE) составляет 11,7 МПа, а предел текучести MAE составляет 13,46 МПа. В соответствии с химическим составом и процессом термообработки, разработанным с помощью модели FS-DNN & GA, было выплавлено пять печей низколегированной стали Alloy1 – Alloy5, и были проведены испытания на растяжение этих пяти низколегированных сталей. Результаты показывают, что механические свойства разработанной легированной стали полностью находятся в расчетном диапазоне, что дает полезные рекомендации для будущих разработок новой легированной стали.

Ключевые слова: легированная сталь , нейронные сети, генетический алгоритм, механические свойства

1. Введение

Низколегированная сталь является важным металлическим материалом в экономическом и оборонном контексте. Механические свойства легированных сталей зависят от микроструктуры внутренней организации, а внутренняя организация зависит от влияния важных факторов, таких как элементы сплава и параметры процесса [1,2,3,4,5]. Производственный процесс включает в себя множество физических и химических реакций, и неопределенные факторы процесса трудно определить и оценить.Следовательно, на основе соответствующей обработки данных фактического массового производства строится модель расчета состава с достаточной точностью и надежностью для достижения прогнозируемого предела прочности на разрыв, предела текучести и других показателей эффективности стальных изделий; модель также должна разумно раскрывать состав, процесс и другие параметры. Взаимосвязь между механическими свойствами и параметрами обработки всегда вызывала беспокойство ученых [6,7]. Поскольку механические свойства стали обычно определяются внутренней организацией, которая зависит от химического состава и параметров процесса, принято изучать организационные свойства или изменять условия обработки, чтобы определить их влияние на свойства.Kimura et al. [8] успешно разработан новый тип низколегированной сверхвысокопрочной стали Fe-0.4C-2Si-1Cr-1Mo (мас.%). Эта низколегированная сверхвысокопрочная сталь становится прочным материалом при традиционной высокотемпературной обработке и пластичным материалом при традиционной низкотемпературной обработке. Zhu et al. В [9] с помощью термодинамических и кинетических методов расчета была разработана многофазная структура вспомогательной стали, вызванной фазовым превращением пластичности (TRIP), с составом Fe-1.5Mn-1.5Si-0,3C (мас.%). Чтобы добиться значительного увеличения прочности и пластичности, Zhang et al. [10] использовали микроструктуру и микромеханические свойства металла сварного шва C-Mn для изучения их влияния на его свойства при растяжении методом конечных элементов и реализовали обратный расчет механических свойств металла шва. Вышеупомянутое моделирование было выполнено для получения металлургических трендов, отражающих эволюцию механических свойств, путем планирования физических экспериментов и преобразования тенденций в математическую модель, основанную на численном моделировании и других методах.Эти результаты могут отражать эволюцию стальных конструкций во время фактического процесса горячей прокатки и иметь определенную надежность и универсальность. Однако по мере увеличения сложности эволюции организационной структуры сложность моделирования возрастает экспоненциально, вызывая определенную ошибку между результатами расчетов модели и фактическими результатами эволюции, а точность прогнозирования модели сильно ограничивается. Кроме того, приведенное выше моделирование в основном предназначено для одной марки стали, и существуют определенные ограничения в реализации прогноза структуры и характеристик нескольких марок стали.

Основанный на моделировании данных, генетическое программирование (GP), нечеткая регрессия (FR) или искусственные нейронные сети (ИНС) могут быть использованы для исследования сложных нелинейных отношений большой размерности между различными факторами и определения ценной информации в данных [ 11,12,13,14,15,16,17]. В связи с этим Li et al. [10] рассмотрели быстрое моделирование и прогнозирование плоских дефектов для определенного процесса прокатки и использовали стратегии миграции модели для разработки новой модели прогнозирования дефектов плоскостности путем изменения набора данных, используемых для моделирования.Bustillo et al. [18], основанный на нескольких методах интеллектуального анализа данных, таких как многослойные персептроны, машины опорных векторов и деревья регрессии, выбрали оптимальную модель данных для прогнозирования износа в процессе формирования резьбы стальных компонентов. Среди них генетическое программирование требует предварительных знаний для прогнозирования [19], нечеткая регрессия зависит от пользовательских инструкций [20], а интеллектуальные методы, такие как нейронные сети, имеют определенные преимущества, которые не требуют сложных математических уравнений для объяснения нелинейных и многомерных системы [21].Поэтому нейронные сети широко используются в металлургической промышленности из-за их выдающихся возможностей моделирования.

В частности, Шен и др. [22] разработали новый тип высокопрочной нержавеющей стали с желаемыми химическими свойствами с помощью метода проектирования материалов, сочетающего машинное обучение и генетические алгоритмы, и подтвердили его превосходную твердость с помощью экспериментов. Datta et al. [23] использовали нейронные сети и многокритериальные генетические алгоритмы для разработки высокопрочных многофазных сталей с индивидуальными характеристиками.Джон и др. [24], основанный на термодинамических и кинетических моделях CALPHAD, которые были объединены с градиентным алгоритмом и многокритериальной оптимизацией генетического алгоритма, предложил метод интегрированной вычислительной инженерии материалов (ICME) для проектирования сплавов и процесса разработки d-ферритовой средне-марганцевой стали. . Вышеупомянутый подход использовал машинное обучение и генетические алгоритмы для моделирования конструкции материалов, но они использовали машинное обучение только для создания прогнозной модели и использовали генетические алгоритмы для получения оптимальной точки в соответствующей стали.Однако, поскольку механические свойства могут увеличиваться или уменьшаться, невозможно определить, как должны измениться легирующие элементы и процессы. Таким образом, в этой статье предлагается нейронная сеть и генетический алгоритм в сочетании с нейронной сетью и генетическим алгоритмом прямого выбора (FS-DNN & GA) для разработки состава и процесса термообработки легированной стали. Вклад этой статьи можно резюмировать следующим образом:

(1)
Метод прямого выбора (FS) предназначен для исключения основных влияющих факторов, которые влияют на механические свойства, собственные значения, выбранные методом FS: используется в качестве входных данных для нейронной сети для прогнозирования механических свойств легированной стали, после чего строится модель механического прогнозирования на основе глубинной нейронной сети (DNN).
(2)
Обученная модель FS-DNN вводится в генетический алгоритм (GA) для построения модели композиции композиции FS-DNN и GA. По мере увеличения или уменьшения механических свойств эта модель выводит соответствующие элементы сплава и процессы.

3. Метод

3.1. FS-DNN Механическое прогнозирование Модель

Три основных типа факторов влияют на механические свойства легированной стали. Первый – это легирующие элементы, такие как C, Si, Mn и Cr, второй – параметры процесса термообработки, такие как температура закалки, температура отпуска и охлаждающая жидкость, а третий – обработка пластика.Из-за сложности обработки пластика, если все влияющие факторы используются в качестве входных данных в модели прогноза, легко вызвать слишком высокую размерность, которая помешает расчету. Поэтому при моделировании в данной статье обработка пластика не рассматривается. Если все легирующие элементы и параметры процесса термообработки используются в качестве входных переменных в модели прогноза, распределение точек состояния во входном пространстве будет разреженным, и вероятность переобучения модели увеличится.Следовательно, извлечение важных факторов, влияющих на производительность, и уменьшение связи между переменными может улучшить качество входных выборок. В этой статье используется метод прямого выбора (FS) [29,30]. Основное преимущество этого метода заключается в том, что после выбора переменной вероятность того, что переменная сильно коррелирована с ней, уменьшается. Следовательно, до того, как модель прогнозирования использует выборочные данные для обучения и обучения, можно использовать FS для определения наилучшей комбинации входных переменных для модели прогнозирования.Метод FS использует метод последовательного выбора, и для каждого выбора извлекается только определенный фактор влияния на производительность. Этот метод основан на моделировании линейной регрессии и использует регрессионную модель машины опорных векторов для определения коэффициента корреляции R-квадрат ( R ²) для измерения модели регрессии при различных параметрах. Если значение коэффициента детерминации близко к 1, корреляция между входным параметром и целевым значением высокая.Блок-схема этого метода показана на.

Блок-схема метода прямого выбора (FS).

Шаг 1. Постройте регрессионную модель с одним входом и одним выходом для каждой переменной с учетом входных переменных X = {X1, X2,…, Xn}. Если соответствующая выходная цель – Y , а количество входных переменных – n, то может быть установлена модель регрессии с одним входом для всех влияющих переменных: y = f (Xj), j = 1,2,…, n.

Шаг 2: Определите порядок ввода характеристической переменной X , вычислите значение R ² для всех моделей регрессии с одним входом, выберите входную переменную модели регрессии, соответствующую максимальному значению R ² значение и используйте эту переменную как первую входную переменную модели FS.

Шаг 3: Постройте новую модель множественной регрессии, объедините определенные переменные с другими оставшимися переменными и создайте новые модели множественной регрессии m-1. Форма новой модели y = f (Xa, Xj), j = 1,2,…, a − 1, a + 1,…, m. Вычислите значение R ² модели множественной регрессии и определите вторую входную переменную на основе регрессионной модели с наивысшим значением R ².

Как и в описанном выше процессе, количество переменных, вводимых в модель FS, можно постепенно увеличивать.Обычно каждая новая переменная дополнительно увеличивает значение R ² регрессионной модели. Когда вновь добавленная переменная сильно коррелирует с выбранной переменной, значение модели регрессии R ² остается неизменным или изменяется очень мало. В это время процесс FS можно остановить. Последняя входная переменная модели FS – это набор функций модели прогнозирования. Новый набор функций вводится в нейронную сеть, и строится модель механического прогнозирования FS-DNN.Моделирование нейронной сети – это, по сути, метод нелинейного статистического анализа и черный ящик, который использует определенный набор нелинейных функций для связывания входных данных с выходными данными. Это дает возможность использовать пример целевой функции для нахождения коэффициентов, чтобы определенная функция отображения была как можно ближе к целевой функции. Шринивасу и др. [31] использовали метод DNN для прогнозирования кривой напряжения-деформации для титанового сплава, близкого к бета-версии, который установил лучший комбинированный метод для прогнозирования кривых напряжения-деформации.Чтобы предотвратить переоснащение алгоритмом данных или их взаимосвязь, в этой статье для сравнения представлена сетевая модель случайного леса (RF) [32,33] и машины опорных векторов (SVM) [34]. Модель построена, как показано на.

Модель прогнозирования механических свойств.

DNN как технология, обеспечивающая альтернативный метод моделирования нечетких и сложных задач, может преобразовывать нелинейные математические модели в упрощенные структуры черного ящика.Преимуществами использования нейронных сетей в моделировании процессов являются их обучаемость, способность к обобщению и нелинейность. Для четырехуровневой DNN in собственное значение набора обучающих выборок DNN записывается как X = {xi∈RD | i = 1,2,…, n}, а сигмоидальная функция используется как функция активации:

Глубокая нейронная сеть (DNN).

Математический принцип прямого распространения DNN в следующем:

После ввода значения признака для первого слоя второй слой выводит 1:

a12 = σ (z12) = σ (w112x1 + w122x2 +… + w1i2xi + b12)

(4)

a22 = σ (z22) = σ (w212x1 + w222x2 +… + w2i2xi + b22)

(5)

ai2 = σ (zi2) = σ (wi12x1 + wi wii2xi + bi2)

(6)

Выход третьего уровня a13 выглядит следующим образом:

a13 = σ (z13) = σ (w113a12 + w123a22 +… + w1i3ai2 + b13)

(7)

Предполагая, что – это всего m нейронов в слое, выход l − 1 нейрона в слое равен ajl:

ajl = σ (zjl) = σ (∑k = 1mwjklakl − 1 + bjl)

(8)

Если l = 2, то ak1 – это xk входного слоя.

Матричное выражение приведенной выше формулы можно упростить. Предположим, что в слое l − 1 есть m нейронов, а в слое l – n нейронов. Затем линейный коэффициент w слоя l формирует матрицу W1 n * m , а смещение b слоя l формирует вектор bl n * 1. Выходной сигнал a слоя l-1 составляет m * 1 вектор al-1. Линейный выход z слоя l до инактивации формирует вектор zl n * 1.Выходной сигнал a слоя l представляет собой вектор al размером n * 1. Это выражается матричным методом, а результат l-го слоя равен

al = σ (zl) = σ (Wlal − 1 + bl)

(9)

3.2. Построение нейронной сети и модели разработки компонентов генетического алгоритма

В этой статье строится модель FS-DNN & GA для изучения состава легированной стали. Во-первых, мы используем данные базы данных ASM Alloy Center для обучения модели FS-DNN, сохраняем параметры сети и вводим их в генетический алгоритм.Генетический алгоритм оценивает качество решения через значение пригодности. Следовательно, выбор его значения пригодности определяет направление поиска алгоритма. Во-первых, генетический алгоритм используется для генерации случайных индивидуумов, вычисления функции приспособленности f (x) для каждого индивидуума и вызова модели DNN для вычисления функции приспособленности, чтобы найти наилучшего индивидуума, соответствующего f (x). Затем запускается процесс выбора-перекрестной мутации, чтобы получить новую особь, и так далее.После завершения итерации определяется индивидуум, соответствующий наилучшему f (x), и процесс возвращается. Процесс проектирования компонентов показан на.

Расчетная модель состава низколегированной стали.

4. Результаты и обсуждение

4.1. Скрининг факторов, влияющих на механику, на основе метода FS

С учетом скрининга факторов, влияющих на механические свойства стали, когда предел прочности является объектом исследования, все влияющие параметры прочности на разрыв вводятся в качестве факторов моделирования.Результаты процесса экстракции фактора показаны на (температура закалки представлена как QT, температура отпуска представлена как TT, а охлаждающая жидкость для закалки представлена как QC). Можно увидеть, что на первом этапе значение R ² регрессионной модели, построенной с использованием C и прочности на разрыв, является наибольшим, что указывает на самую сильную корреляцию между C и пределом прочности на разрыв. При использовании Ni в качестве входного параметра на втором этапе добавляются другие характеристические переменные, и C, Ni, QT и другие факторы постепенно выбираются в качестве входных параметров модели прогнозирования путем сравнения значений модели R ² при разных переменных.Когда Cr добавляется в модель на седьмом этапе, изменение значения R ² невелико, менее 0,5%, что указывает на наличие высокой взаимосвязи между переменной и извлеченной переменной. Таким образом, процесс извлечения параметров завершается.

Таблица 2

Результаты FS параметров, влияющих на предел прочности.

Значение коэффициента детерминации R ² (%) от шага 1 до шага 12
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
71 900 C.79
Ni	63,56	77,82
QT	64,26	73,66	82,87
Mn	63.47	72,85	81,24	87,61
TT	47,84	75,46	80,57	85,47	90,16
Si	55,53	71,32	81,02	85,32	88.65	92,25
Мо	41,5	70,54	79,35	85,54	88,32	92,45	93,96
Cr	21,57	70,32	79,56	85,68	88,12	92,11	93,35	94,82
В	15.76	69,23	79,12	85,12	88,07	91,97	93,09	94,3	95,16
Cu	12,2	69,23	78,32	84,87	88,17	92,07	92,94	94,22	94,38	95,28
КК	23,73	69,17	78.15	84,56	88,01	92,18	93	94,12	94,42	94,52	95,22

показывает значение R ² на первых 11 шагах. а показывает тенденцию изменения значения R ² в процессе выбора параметров прочности на разрыв. На рисунке видно, что увеличение значения R ² постепенно уменьшается и имеет тенденцию к выравниванию.Это показывает, что по мере увеличения количества входных переменных влияние отдельных переменных на предел прочности при растяжении уменьшается. Когда значение R ² достигает определенного уровня, выбранная влияющая переменная имеет повышенную степень объяснения прочности на разрыв.

FS для определения тенденций изменения значений R ²: ( a ) предел прочности на разрыв и ( b ) предел текучести.

Таким же образом, результаты FS для переменных, влияющих на предел текучести, показаны в b.Путем сравнения значений R ² моделей при различных переменных, восемь характеристических переменных, таких как C, Ni и Mn, можно непрерывно выбирать в качестве входных параметров модели прогнозирования предела текучести. Согласно графику, представляющему результаты FS, можно увидеть, что в извлеченном наборе параметров типы элементов для прочности на растяжение и предела текучести в наборах параметров одинаковы, но порядок важности влияющих параметров является разные.Для прочности на разрыв Mn занимает четвертое место по важности, а четвертым по важности параметром предела текучести является температура закалки. Mn занимает третье место, что указывает на то, что одни и те же параметры по-разному влияют на разные свойства.

Чтобы проверить корреляцию между извлеченными параметрами, была составлена тепловая карта корреляции между каждым фактором, как показано на. Значение в каждом прямоугольном поле указывает степень корреляции между факторами, соответствующими горизонтальным и вертикальным координатам.Более темный цвет указывает на меньшую корреляцию между факторами, а более светлый цвет указывает на повышенную корреляцию между факторами.

показывает следующее:

(1)
Корреляции между восемью ключевыми влияющими факторами, выбранными и извлеченными на основе предыдущего элемента, обычно невелики, что указывает на то, что извлечение признаков может эффективно уменьшить связь между переменными и помочь улучшить качество входных выборок.
(2)
Среди восьми извлеченных параметров корреляция между углеродом и характеристиками является наибольшей, что согласуется с результатами процесса прямой экстракции, что указывает на то, что углерод может влиять на характеристики стали, когда состав оптимизирован.
(3)
Коэффициент корреляции между пределом прочности на разрыв и пределом текучести составляет 0,97, что указывает на высокую корреляцию. Это связано с тем, что при проектировании стальных изделий коэффициент текучести (отношение предела текучести к пределу прочности на разрыв) обычно используется в качестве оценочного показателя для измерения характеристик материала, и он должен находиться в пределах определенного диапазона параметров. Таким образом, качество выборочных данных соответствует определенным требованиям металлургии.

Температурная диаграмма легирующих элементов в зависимости от прочности на разрыв.

4.2. Прогнозирование механических свойств низколегированной стали на основе модели FS-DNN

Для прогнозирования механических свойств стали и предоставления необходимой информации создаются модели прогнозирования с различными свойствами для проверки прогнозирующей способности модели FS-DNN. . Во-первых, предварительно обработанные данные выборки разделяются на измерения на основе результатов извлечения параметров из FS и делятся на различные наборы выборок в соответствии с основными факторами, влияющими на производительность.i – прогнозируемое значение, y¯i – среднее значение реальных меток m выборок, i – метка выборки. Результаты оценки представлены в.

Таблица 3

Оценочные индексы механической прогнозной модели.

R ²5 21,395 91

Механические свойства	Индекс оценки	Моделирование после скрининга собственных значений			Ввести все моделирование собственных значений
Механические свойства	Индекс оценки	DNN	SVM	RF	10 DNN 910	R ²	0.953	0,935	0,921	0,752	0,802	0,673
MAE	14,736	16,75	17,19	23,95	21,69	26,02 9,95	21,69	26,02 9,95	25,35	31,34	29,78	33,46
Собственные значения	8	8	8	11	11	11
YS	0.962	0,942	0,938	0,752	0,765	0,673
	MAE	13,46	14,25	14,04	20,95	21,39
	18,128
	22,25	28,33	27,78	26,46
Собственные значения	8	8	8	11	11	11

результаты на основе результатов экрана FS, восемь значений ключевых характеристик, таких как C, Ni и Mn, используются в качестве входных данных в модели прогнозирования, а выходные показатели производительности – это предел прочности на разрыв и предел текучести.Модели сравнения построены следующим образом:

(1)
Модель прогнозирования после скрининга собственных значений улучшается путем прямого введения модели собственных значений на уровне точности, а модель FS-DNN дает лучший прогнозирующий эффект. Кроме того, в модели прогнозирования не требуется вручную задавать структурные параметры, что повышает стабильность и надежность модели прогнозирования и удобно для практического применения.
(2)
В дополнение к значительному повышению точности прогнозирования моделирования после скрининга значений признаков, размеры объектов также уменьшаются с исходных 11 измерений до восьми, что не только упрощает структуру ввода модели и улучшает скорость моделирования, но также снижает зависимость от предварительных знаний при выборе параметров.

Для дальнейшей проверки модели прогнозирования и эффективности извлечения важных параметров обученная модель используется для прогнозирования 50 печей стали, выплавленных на сталеплавильном заводе. Эти стали подвергаются закалке и отпуску при высоких температурах, а образцы на растяжение изготавливаются и испытываются на универсальной испытательной машине. 50 наборов данных вводятся в модель прогнозирования, и измеренные значения предела прочности на разрыв и предела текучести сравниваются с прогнозируемыми значениями и соответствуют прямой линии, как показано на рис.На рисунке видно, что соответствие модели прогнозирования, отфильтрованной по собственным значениям, лучше, чем соответствие исходной модели, а FS-DNN имеет лучшее соответствие по сравнению с другими моделями.

Фактические значения механических свойств и прогнозируемые значения соответствуют прямой линии: ( a ) предел прочности на разрыв и ( b ) предел текучести.

4.3. Расчет состава низколегированной стали на основе модели FS-DNN & GA

В настоящее время улучшение механических свойств легированных сталей обычно влечет за собой использование металлургических механизмов для установления эмпирических формул.Однако моделирование металлургического механизма не только сложно, но и имеет один объект исследования, который не может удовлетворить требование одновременного улучшения характеристик нескольких сталей. В то же время эксперименты по физическому металловедению отнимают много времени и не экономичны. В этой статье с помощью дизайна нейронных сетей и генетических алгоритмов с использованием взаимного преобразования генотипов и фенотипов исследуются сложные взаимосвязи между составом, параметрами процесса и механическими свойствами, а также устанавливается модель дизайна состава.Преимущество этой модели состоит в том, что, когда механические свойства увеличиваются или уменьшаются, изменения в химическом составе и процессе термообработки могут быть точно заданы, а неопределенность, вызванная методом проб и ошибок эмпирических формул, устраняется.

Используя метод FS, можно увидеть, что основными влияющими факторами, которые влияют на предел прочности на разрыв и предел текучести, являются восемь основных влияющих факторов, таких как C, Ni и Mn. Легированные стали, содержащие эти шесть элементов, и процесс термообработки показаны на рисунке, на котором видно, что предел прочности 18CrNiMnMoA составляет 1180 МПа, что является относительно низким показателем.Поэтому в данной статье используется модель FS-DNN & GA для последовательного увеличения 150 МПа на основе 1180 МПа и, таким образом, получения соответствующего химического состава и процесса термообработки.

Таблица 4 Химический состав

18CrNiMnMoA.

90C18

Состав и переработка	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	QT	TT	TS

0,27	0,85	1,15	0,25	1,15	830	200	1180

Модель FS-DNN & GA предназначена для моделирования химического состава и процесса термообработки низколегированных стали. является входной границей характеристического значения модели FC-DNN & GA. Однако граница химического состава и процесса термообработки определяется в соответствии с эффективным интервалом значений выборки каждой отдельной факторной переменной в базе данных ASM.Например, диапазон выборки элемента C составляет [0,1, 0,9], потому что минимальное значение содержания C в низколегированной стали в базе данных ASM больше 0,1, а максимальное значение меньше 0,6. Поэтому мы используем диапазон [0,1, 0,9] как эффективный входной интервал. Диапазон закалки образцов составляет [850, 1100]. На стадии закалки для полной аустенитизации стали выбирается самая низкая температура 850 ° C. Если температура закалки слишком высока, это вызовет перегорание закаленной стали, что приведет к легкому растрескиванию и хрупкости стали.Вязкость недостаточна, поэтому максимальная температура закалки составляет 1100 ° C. Диапазон отпуска образцов составляет [150, 650]. Если температура отпуска слишком низкая, остается больше аустенита, а слишком высокая температура отпуска вызывает фазовый переход. Поэтому граница температуры отпуска устанавливается на уровне от 150 до 650 ° C. показывает, что прогнозная модель FS-DNN & GA выводит химический состав и процесс термообработки предела прочности на растяжение Alloy1 ~ Alloy5 в граничном диапазоне.Например, чтобы получить предел прочности сплава Alloy1 TS [1300, 1350] МПа, FS-DNN & GA выдает следующие прогнозы в соответствии с граничным диапазоном: C – 0,25, Si – 0,36, Mn – 0,21, Cr – 0,26, Mo – 0,21, Ni – 0,75, QT – 863 и TT – 234.

Таблица 5

Диапазон входных значений для расчета состава.

Состав и обработка	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	QT	TT
0 мин.	0,17	0,40	0,25	0,10	0,30	850	200
Макс. 650

Таблица 6

Характеристические элементы, соответствующие выходному диапазону прочности на разрыв.

60 90060 900 91 900 9160

Состав и обработка	Мин.	Макс.	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	QTloy	2 TT8	QTloy	2 TT	1350	0.25	0,36	1,19	0,26	0,21	0,75	863	234
Alloy2 TS	1400	1450	0,32	0,55	0,29	0,55	0,2	1,16	918	358
Сплав3 TS	1500	1550	0,38	1,02	1,43	0,23	0.32	1,45	882	454
Сплав4 TS	1600	1650	0,43	1,6	1,19	0,38	0,36	1,65			Сплав5 TS	1700	1750	0,45	1,8	1,23	0,45	0,37	2,25	864	469

4.4. Анализ состава недавно разработанной легированной стали

Важные факторы, влияющие на механические свойства легированных сталей, исследуются, чтобы определить, могут ли параметры, влияющие на выходные данные модели, отражать регулярность исходных производственных данных. После выделения элементов основные элементы сплава, влияющие на него, включают C, Si, Mn, Cr, Ni и Mo. Затем используется метод контролируемых переменных для анализа свойств растяжения по шести указанным выше отдельным факторам. Конкретные операции заключаются в следующем.

(1)
Определите эффективный интервал значений выборки для каждой однофакторной переменной и используйте метод равномерного распределения для восстановления 20 наборов значений точек в этом интервале. Например, диапазон выборки элемента Mn составляет [0,1, 2,6], но, исходя из одноточечного графика, распределение выборки является непрерывным и относительно сконцентрированным в интервале [0,40, 1,9]. Следовательно, последний служит интервалом эффективных значений выборки элемента Mn.
(2)
Зафиксируйте значения других переменных параметров.Основываясь на известных данных выборки, используйте действительные статистические показатели (например, среднее значение, медиана и мода) в качестве точек фиксированного значения остальных переменных. В этой статье используется среднее значение.

Новые точки выборки, сгенерированные вышеупомянутым процессом, используются в качестве входных данных для модели прогнозирования, а значения прочности на разрыв при различных факторах выводятся. Влияние основных факторов на предел прочности стали показано на рис.

Влияние входных переменных модели на предел прочности.

показывает следующие тенденции.

(1)
Углерод: Из рисунка видно, что содержание C и предел прочности на разрыв прямо пропорциональны. По мере постепенного увеличения содержания углерода прочность стали продолжает расти, и корреляция становится максимальной. Поскольку прочность низколегированной сверхвысокопрочной стали в основном достигается за счет упрочнения твердого раствора углеродом [38], добавление легирующих элементов может регулировать содержание углерода в стали, а также определенных легирующих элементов, таких как Ti, Nb. , V и Mo могут сосуществовать с C в структуре мартенсита и обеспечивать дисперсионное упрочнение во время отпуска.Однако прочность, пластичность и исходные свойства противоречат друг другу. Высокая прочность вызывает снижение пластической вязкости, которая постепенно снижается. Следовательно, в этой модели входной интервал выборки содержания C составляет [0,1, 0,9], чтобы избежать чрезмерного содержания C и плохой пластичности, поскольку материалы с такими свойствами не могут использоваться в реальном производстве.
(2)
Кремний: на рисунке видно, что содержание Si пропорционально пределу прочности на разрыв, поскольку добавление Si может значительно повысить предел прочности при растяжении после твердого раствора и улучшить ударную вязкость стали. , в основном за счет Si на границах зерен.Осаждение увеличивает активность C и N, поэтому оно может замещать активные атомы в областях границ зерен [39] и повышать прочность стали за счет упрочнения твердого раствора [40]. Несмотря на то, что добавление небольшого количества Si по-прежнему оказывает неожиданное влияние на повышение прочности стали и улучшение ударной вязкости [41], оно также может повысить температуру хрупкости при низкотемпературном отпуске и способствовать использованию мелких частиц MC. в мартенситной стали с низкой активностью.Осадки имеют эффект усиления осадков [42,43]. Однако слишком много Si приводит к снижению ударной вязкости и сварочных характеристик [44]. Следовательно, интервал выборки входного содержания Si в этой модели составляет [0,17, 1,8]. Из рисунка также видно, что, когда содержание Si превышает 1,5%, предел прочности на разрыв имеет тенденцию к снижению.
(3)
Марганец: на рисунке видно, что с увеличением содержания Mn прочность на разрыв также увеличивается, но это увеличение происходит относительно медленно.Это связано с тем, что добавление Mn может способствовать образованию упрочняющих фаз, таких как бейнит и мартенсит [45,46], и ингибировать образование феррит-перлита и игольчатого феррита во время процесса упрочнения, тем самым увеличивая упрочнение стали. В частности, когда в сталь добавляется небольшое количество N, V или Mn из-за эффекта дисперсионного упрочнения второй фазы VN [47,48], эффект увеличения прокаливаемости очевиден, и относительный прочность на разрыв существенно не улучшилась.Таким образом, Mn представляет собой микролегирующий элемент, добавляемый в сталь для улучшения ее общих характеристик. Однако чрезмерно высокое количество Mn приводит к сильной сегрегации в литом слябе, что, в свою очередь, вызывает образование полосчатых структур в процессе прокатки и снижает ударную вязкость стали. Следовательно, интервал выборки входного содержания Si в этой модели составляет [0,4, 1,9].
(4)
Хром: Из рисунка видно, что содержание Cr составляет [0,25, 2,25], а предел прочности на разрыв увеличивается с увеличением содержания Cr, но это относительно медленно.Это связано с тем, что Cr может ингибировать рост M ₃ C во время процесса термообработки, повышать стабильность стали при отпуске, снижать активность углерода и замедлять тенденцию стали к обезуглероживанию. В то же время добавление Cr может способствовать образованию сложных структур бейнита и мартенсита, которые могут улучшить прочность, ударную вязкость и стойкость к окислению стали [49,50,51,52,53,54,55]. Однако после того, как содержание Cr превышает 1%, предел прочности при растяжении может уменьшаться или увеличиваться, что нестабильно.Чжан [49] изучил влияние содержания Cr на ферритные стали, упрочненные оксидной дисперсией (ODS), и обнаружил, что Cr и C образуют карбиды, которые могут компенсировать эффект упрочнения твердого раствора одного элемента C, и обнаружил, что большое количество Cr -богатые осадки. Однако при относительно высоких температурах определенные элементы в стали (такие как W и Ti) также могут вызывать выделение фаз, богатых хромом [56,57]. Хорошо известно, что осадки с высоким содержанием хрома твердые и хрупкие. Чрезмерное количество осадков, богатых хромом, может повредить ударную вязкость и однородность стали и вызвать микротрещины.Следовательно, высокое содержание Cr может снизить предел прочности.
(5)
Никель: Из рисунка видно, что содержание Ni пропорционально пределу прочности на разрыв. Поскольку добавление Ni может одновременно улучшить прочность и пластичность стали, улучшение характеристик низкотемпературной ударной вязкости очень очевидно. Соответствующее количество Ni добавляется в сверхтонкую сталь WC-10Co [58,59,60,61,62]. За счет упрочнения твердого раствора и измельчения зерна WC поперечная прочность стали значительно увеличивается, но твердость твердого металла снижается.Добавление Ni способствует образованию стержневидного или игольчатого феррита, ингибирует осаждение перлита и продлевает время осаждения различных морфологических структур мезотемпературных переходов. Таким образом, модель построена с интервалом выборки содержания Ni [0,3, 2,3].
(6)
Молибден: Мо увеличивает прочность за счет повышения прокаливаемости стали. Добавление Мо может ингибировать образование эвтектоидного феррита и перлита во время процесса упрочнения [63,64], образуя небольшое количество мартенситных островков с излишним содержанием мартенсита и способствуя образованию упрочненных фаз, таких как бейнит и мартенсит [64,65], для повышения предела текучести стали.Мо – сильный карбидообразующий элемент, который в основном присутствует в твердых растворах и карбидах в легированной стали. Он обладает эффектами упрочнения твердого раствора и дисперсионного упрочнения и может одновременно улучшать прокаливаемость стали [66]. Chen et al. [67] также указали, что добавление определенного количества Mo к стали NbX80 может значительно улучшить ударную вязкость и особенно прочность. Мо может также повышать температуру стали AC3. Следовательно, модель построена с интервалом выборки содержания Мо [0.1, 2.2].

Для эффективного улучшения механических свойств продуктов дополнительное внимание следует уделять оптимальному дизайну компонентов для контроля качества продуктов или новых дизайнов продуктов. Анализ основных параметров, влияющих на характеристики стали, показывает, что взаимосвязь между выходными и входными переменными на основе построенной модели FS-DNN соответствует металлургическим механизмам. Это показывает, что построенная модель не только может обеспечить высокую точность прогноза, но и обладает высокой надежностью на уровне регулярности модели.Поэтому сравнение и было выполнено, чтобы проанализировать, соответствует ли конструкция модели FS-DNN & GA для Alloy1 ~ Alloy5 металлургическим механизмам.

(1)
Параметры легирующих элементов, включая C, Si и Ni, имеют большое влияние на предел прочности. Видно, что для сплава Alloy1 ~ Alloy5 содержание C, Si и Ni определяет высокий химический состав каждой легированной стали. В то же время, с увеличением прочности на разрыв, соответственно увеличивается и содержание C, Si и Ni.
(2)
Можно видеть, что содержание Cr находится в диапазоне от 0,25% до 7,5%. По мере увеличения содержания Cr предел прочности на разрыв увеличивается, хотя и относительно медленно, и содержание Cr превышает 1,2%. С увеличением содержания Cr предел прочности на разрыв нестабилен. В низколегированной стали Cr увеличивается с увеличением прочности на разрыв, и его содержание находится в диапазоне 0,26% ~ 0,45%, что соответствует металлургическим механизмам.
(3)
Видно, что предел прочности на разрыв более чувствителен к Мо, чем другие легирующие элементы в диапазоне 0.1% ~ 0,5%. В России с увеличением прочности на разрыв содержание Мо изменяется от 0,21% до 0,37%.

Для проверки точности получения пяти легированных сталей сплавы от сплавов 1 до сплава 5 были выплавлены в соответствии с химическим составом и процессом термообработки в. Из сплавов были преобразованы в стандартные образцы на растяжение, и были получены значения прочности на разрыв и предела текучести, как показано на. Сплав, который мы разработали, полностью отвечает требованиям прочности на разрыв и обеспечивает руководство для будущего производства.

Предел прочности на разрыв и предел текучести сплавов Alloy1 ~ Alloy5.

В этой статье в качестве примера используется 20CrMnTi. Легирующими элементами 20CrMnTi являются C, Si, Mn, Cr, P, S, Ni, Cu и Ti. На основе метода прямого выбора только C, Si, Mn, Cr и Ti в базе данных ASM были сохранены для обучения модели FS-DNN и GA. P, S, Ni, Cu и другие мешающие легирующие элементы были удалены. Входы 20CrMnTi в модели FS-DNN & GA показаны в (QT: температура закалки; TT: температура отпуска).20CrMnTi 0 представляет химический состав и процесс термообработки базы данных. Предел прочности на разрыв составляет 1097 МПа, который увеличивается на 100 МПа на основе 20CrMnTi 0. В модели FS-DNN & GA выходной диапазон прочности на разрыв 20CrMnTi 1 составляет [1200, 1250], а выходной интервал прочности на разрыв 20CrMnTi 2 составляет [1300, 1350]. Химический состав выходных данных модели FS-DNN & GA и процесс термообработки показаны на.

Таблица 7

Диапазон ввода конструкции композиции.

Состав и обработка	C	Si	Mn	Cr	Ti	QT	TT
Мин.	0,19	0,17 900	0,19	0,17 900 0,04	850	200
Макс	0,23	0,37	1,10	2,25	0,1	950	200
20CrMnTi 0	0.20	0,22	0,89	1,04	0,065	880	200

Таблица 8

Характерные элементы, соответствующие выходному диапазону прочности на разрыв.

900C 900C

Состав и обработка	Мин.	Макс.	C	Si	Mn	Cr	Ti	QT

0.21	0,23	0,92	1,06	0,064	886	218
20CrMnTi 2	1300	1350	0,23	0,24	0,09	9	0,9	232

Плавка проводилась в соответствии с химическим составом и процессом термообработки, указанным в. Стандартные образцы на растяжение были обработаны для испытаний на растяжение.Прочность на разрыв 20CrMnTi 1 и 20CrMnTi 2 составляла 1220 и 1346 МПа, соответственно, что соответствует требованиям конструкции материалов. показывает 20CrMnTi 1 и микроструктуру 20CrMnTi 2. Предел прочности на разрыв сплава Alloy2 был увеличен на 300 МПа до в общей сложности 1420 МПа для получения сплава 5. Низколегированные стали 20CrMnTi 1 и 20CrMnTi 2 по сравнению со сталями 20CrMnTi 0 мало изменились по C, Si и Ti, но Mn и Cr сильно увеличились. Добавление Mn может способствовать образованию упрочняющих фаз; например, бейнит и мартенсит [32,33] могут значительно увеличить предел прочности на разрыв и улучшить ударную вязкость стали.Добавление Cr способствует образованию стержневидного или игольчатого феррита и может одновременно улучшить прочность и пластичность стали. Температуры закалки низколегированной стали 20CrMnTi 1 и 20CrMnTi 2 были выше, чем у 20CrMnTi 0, и феррит в структуре после закалки больше не имел форму блоков, а имел форму чешуек и островков. В это время присутствие феррита оказывало такое же влияние на предел прочности на разрыв и предел текучести стали.По мере увеличения температуры закалки количество феррита, содержащегося в стали, уменьшалось, поэтому прочность на разрыв увеличивалась. 20CrMnTi 1 и 20CrMnTi 2 прошли низкотемпературный отпуск. С повышением температуры низкотемпературного отпуска увеличивалась внутренняя атомная подвижность. Перенасыщенный углерод в мартенсите начал постепенно выделяться в виде карбидов. Что касается углерода в мартенсите, степень пересыщения непрерывно снижалась, и диффузия атомов углерода вызывала постепенное увеличение содержания углерода в окружающем феррите.В матрице по-прежнему преобладал мартенсит. Следовательно, предел прочности образца увеличился.

( a ) 20CrMnTi 1 микроструктура и ( b ) 20CrMnTi 2 микроструктура.

Стремясь к проектированию механических свойств и состава низколегированной стали, на основе перспективы моделирования данных, в данной статье проводятся исследования моделирования на основе механических свойств нейронной сети и дизайна композиции, а также предлагается комбинация нейронной сети прямого выбора и генетический алгоритм (FS-DNN & GA).Модель соответствует проектным требованиям по механическим свойствам. Эта модель также может использоваться для удлинения или уменьшения площади низколегированной стали, чтобы быстро реагировать на рыночный спрос и улучшать качество дизайна продукта.

5. Выводы

Рассмотрение проблем большой размерности, которые могут быть вызваны прямым внедрением моделирования параметров, скринингом важных факторов, таких как точка входа, и использованием метода FS для извлечения важных факторов, уменьшает связь между переменными и упростить ввод прогнозной модели.Внедрение метода FS эффективно улучшило обобщающую способность и эффективность конструкции сплава. Модель механического прогнозирования FS-DNN создается путем объединения ее с нейронной сетью. Модель FS-DNN имеет лучший прогнозирующий эффект на механические свойства. Среди них прочность на разрыв R2, MAE и RMSE составляет 0,953, 14,736 МПа и 23,993 МПа соответственно, а предел текучести R2, MAE и RMSE соответственно составляет 0,962, 13,46 МПа и 20,31 МПа. Эксперименты показали, что модель может эффективно повысить точность прогноза при упрощении структуры ввода.Модель проектирования компонентов FS-DNN и GA построена на основе модели прогнозирования нейронной сети FS-DNN и GA. Путем изменения диапазона входных переменных модели была исследована тенденция изменения индекса производительности, а влияние различных факторов на механические свойства объяснено взаимосвязью с металлургическими механизмами. Экспериментальная проверка показывает, что предел прочности низколегированных сталей Alloy1 ~ Alloy5 составляет 1320, 1420, 1532, 1620 и 1745 МПа соответственно, что полностью находится в пределах расчетного интервала модели FS-DNN & GA.Расчетная модель состава FS-DNN & GA может быть использована для будущего развития металлургии.

MST Steel Corp | Химические и физические свойства стали

Сталь – это сплав, металл, состоящий из железа и углерода. Максимальное содержание углерода в стали составляет 1,5 процента. Из-за своей твердости и прочности сталь используется в строительстве зданий, мостов, автомобилей и во множестве других производственных и инженерных приложений.

Большая часть производимой сегодня стали – это обычная углеродистая сталь или просто углеродистая сталь.Углерод в стали существует в виде карбида железа. Присутствуют и другие элементы, в том числе сера, фосфор, марганец и кремний.

Содержание углерода в стали

Углеродистая сталь определяется как сталь, свойства которой в основном обусловлены содержанием углерода и не более 0,5% кремния и 1,5% марганца. Простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,06 до 1,5 процентов делятся на четыре типа:

Мертвая низкоуглеродистая сталь, до 0.15 процентов углерода
Низкоуглеродистая или мягкая сталь с содержанием углерода от 0,15 до 0,45 процента
Среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода от 0,45 до 0,8%
Высокоуглеродистая сталь с содержанием углерода от 0,8 до 1,5 процентов

Эти стали становятся все более мягкими, но они также имеют тенденцию к увеличению хрупкости. Первый тип используется в автомобильных кузовах. Второй тип встречается в рельсах и рельсовых продуктах, таких как муфты, коленчатые валы, оси, шестерни и поковки.Третий тип используется в режущих инструментах и железнодорожных путях, а последний тип используется в поршнях и цилиндрах.

Основные физические свойства стали

Плотность стали

составляет 7850 кг / м. ³, что делает ее в 7,85 раза плотнее воды. Его температура плавления на 1510 ° C выше, чем у большинства металлов. Для сравнения, температура плавления бронзы составляет 1040 ° C, меди – 1083 ° C, чугуна – 1300 ° C и никеля – 1453 ° C. Однако вольфрам плавится при температуре 3410 ° C, что неудивительно. поскольку этот элемент используется в нити накаливания лампочки.

Коэффициент линейного расширения стали при 20 C, в мкм на метр на градус Цельсия, составляет 11,1, что делает ее более устойчивой к изменению размера при изменении температуры, чем, например, медь (16,7), олово (21,4) и свинец ( 29.1).

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь используется в строительстве, когда коррозионная стойкость является главным преимуществом, например, в случае ножей, которые должны сохранять остроту. Еще одна распространенная причина использования нержавеющих сталей – их жаропрочные свойства.В некоторых проектах стойкость к высокотемпературному окислению является абсолютным требованием, в то время как в других высокотемпературная прочность является первоочередной необходимостью.

Добавки к стали

Небольшие количества других металлов, добавленных в сталь, изменяют ее свойства таким образом, что это благоприятно для определенных промышленных применений. Например, кобальт обеспечивает более высокую магнитную проницаемость и используется в магнитах. Марганец придает прочность и твердость, поэтому продукт подходит для тяжелых железнодорожных переездов. Молибден сохраняет свою прочность при высоких температурах, поэтому эта добавка удобна при изготовлении наконечников для скоростных сверл.Никель и хром устойчивы к коррозии и обычно добавляются при производстве хирургических инструментов из стали.

Первоначальный источник: https://sciencing.com/chemical-physical-properties-steel-5548364.