Низколегированные стали — стали с суммой легирующих до 2,5 % (09Г2С, 17Г1С, 10Г2): прочнее углеродистых при той же свариваемости, хладостойкие.
Суть
Низколегированная сталь — компромисс между дешёвой углеродистой и дорогой легированной. В неё вводят небольшие добавки: марганец до 1,7 %, кремний до 0,8 %, иногда десятые и сотые доли процента ванадия, ниобия, титана, хрома или меди. Суммарно легирующих не больше 2,5 %, а углерода мало — как правило, до 0,2 %. По принятой классификации это нижняя ступень: дальше идут среднелегированные (2,5–10 %) и высоколегированные (свыше 10 %) стали.
Смысл такого состава — поднять предел текучести σт не за счёт углерода, а за счёт упрочнения феррита и измельчения зерна. Углерод даёт прочность, но убивает свариваемость и хладостойкость; марганец, кремний и микродобавки карбонитридообразующих элементов дают прочность почти без этих потерь. В итоге при σт 345–390 МПа против 235–245 МПа у Ст3 и стали 20 низколегированная сталь сваривается без подогрева и держит ударную вязкость при −40 °C и ниже.
В российских стандартах группа описана ГОСТ 19281 («Прокат повышенной прочности»), где стали различают не только по марке, но и по классу прочности — минимальному пределу текучести в МПа. Марки читаются по обычным правилам обозначения: 09Г2С — около 0,09 % C, марганец (цифра 2 — до 2 %), кремний до 1 %; 17Г1С — около 0,17 % C, марганец около 1 % (фактически 1,15–1,6 %), кремний; 10Г2 — около 0,10 % C и марганец до 2 %. Фактические интервалы по ГОСТ уже — см. таблицу ниже.
От чего зависят свойства
- Марганец. Главный упрочнитель группы: растворяется в феррите, повышает σт и σв, связывает серу и тем снижает красноломкость. В 09Г2С его 1,3–1,7 %, в 10Г2 — 1,2–1,6 %.
- Кремний. Раскислитель и упрочнитель твёрдого раствора; свыше 0,8 % начинает снижать пластичность и вязкость, поэтому в трубных марках его держат в пределах 0,4–0,8 %.
- Микролегирование V, Nb, Ti. Сотые доли процента образуют дисперсные карбонитриды, тормозят рост зерна при прокатке и нормализации; на этом основаны стали классов 390–590 и трубные К52–К60.
- Термообработка и прокатка. Нормализация выравнивает свойства и повышает KCV; контролируемая прокатка даёт мелкое зерно без отдельной операции. Закалку с отпуском применяют реже — для высоких классов.
- Эквивалент углерода. Свариваемость оценивают по формуле IIW: Cэкв = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15; для трубных плавок 09Г2С и 17Г1С его ограничивают 0,46 (ГОСТ 20295), что позволяет сварку без подогрева при обычных толщинах.
| Признак | Углеродистая (Ст3сп, сталь 20) | Низколегированная (09Г2С, 17Г1С) |
|---|---|---|
| Углерод | 0,14–0,24 % | 0,09–0,20 % |
| Марганец | 0,35–0,65 % | 1,15–1,70 % |
| σт, не менее | 235–245 МПа | 345–355 МПа |
| Гарантия ударной вязкости | обычно при +20 / −20 °C | при −40, −60, −70 °C |
Ключевые числа
| Верхняя граница легирования | ≤ 2,5 % в сумме (далее — средне- и высоколегированные) |
|---|---|
| 09Г2С, состав (ГОСТ 19281) | C ≤ 0,12 %; Si 0,5–0,8 %; Mn 1,3–1,7 % |
| 09Г2С, толщина до 10 мм (ГОСТ 19281) | σт ≥ 345 МПа; σв ≥ 490 МПа; δ5 ≥ 21 % |
| 09Г2С, ударная вязкость KCU при −40 °C (ГОСТ 19281) | ≥ 34 Дж/см² |
| 17Г1С, состав (ГОСТ 19281) | C 0,15–0,20 %; Si 0,4–0,6 %; Mn 1,15–1,6 % |
| 17Г1С, толщина до 10 мм (ГОСТ 19281) | σт ≥ 355 МПа; σв ≥ 510 МПа; δ5 ≥ 23 % |
| 10Г2, нормализация (ГОСТ 4543) | σт ≥ 245 МПа; σв ≥ 420 МПа; δ5 ≥ 22 % |
| Классы прочности ГОСТ 19281-2014 | от 265 до 590 (по минимальному σт, МПа) |
| Cэкв для трубной стали (ГОСТ 20295) | не более 0,46 для каждой плавки низколегированной стали |
Где встречается в трубах
В трубном сортаменте низколегированные стали — основа всего, что работает под давлением на холоде: магистральные и промысловые нефтегазопроводы, теплосети, металлоконструкции в северном исполнении. Труба из 09Г2С при равной стенке держит примерно в 1,4 раза большее давление, чем из стали 20 (по отношению пределов текучести 345 и 245 МПа), либо позволяет уменьшить толщину и массу.
- Каталог: трубы из 09Г2С и 17Г1С — бесшовные по ГОСТ 8732 и электросварные по ГОСТ 10704.
- Как выбирают марку под температуру и давление — в статье стали для труб и обзоре труб для нефтегаза.
- Смежные термины: хладостойкость, эквивалент углерода, группы и классы прочности, маркировка стали.
- Требования к прокату и трубам из низколегированных сталей — в библиотеке стандартов: ГОСТ 19281, ГОСТ 8731, ГОСТ 20295.
Связанные термины
- Углеродистые сталиСтали без специального легирования (Mn до 1 %, Si до 0,4 %); по углероду делятся на низко-, средне- и высокоуглеродистые.
- Легированные сталиСтали с суммой легирующих выше 2,5 %: жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие — для особых условий работы.
- Хладостойкость и категории по температуреСпособность стали не переходить в хрупкое состояние на морозе; задаётся ударной вязкостью при отрицательных температурах и категорией поставки.
- Группы и классы прочности (К, API)Классы прочности маркируют сталь трубы по её механике: российский «К» — временное сопротивление в кгс/мм², API (J55, N80, L80) — предел текучести в ksi.
- Маркировка сталей: как читать маркуРоссийская марка кодирует состав: цифры впереди — углерод в сотых, буквы — легирующие элементы, цифры после букв — их проценты.