Главная  >  Справочник  >  Сталь конструкционная низколегированная 15ГФД

Сталь конструкционная низколегированная марки 15ГФД: описание, свойства и применение

Сталь 15ГФД относится к классу конструкционных низколегированных сталей. Это означает, что она разработана для применения в различных инженерных конструкциях и машиностроении, где требуется сочетание прочности, пластичности, свариваемости и устойчивости к хрупкому разрушению. Низкое содержание легирующих элементов обеспечивает стали 15ГФД хорошую свариваемость и относительно невысокую стоимость по сравнению с высоколегированными сталями. Эта сталь занимает важное место в промышленности благодаря своей универсальности и сбалансированным характеристикам.

 

Основные характеристики и преимущества стали 15ГФД:

• Высокая прочность: Обеспечивает надежность и долговечность конструкций, работающих под нагрузкой.
• Хорошая свариваемость: Позволяет создавать сложные конструкции с использованием различных методов сварки без риска образования трещин и других дефектов.
• Хладостойкость: Обеспечивает работоспособность в условиях низких температур, что делает сталь пригодной для использования в северных регионах и в криогенной технике.
• Устойчивость к отпускной хрупкости: Сохраняет пластичность и вязкость после сварки и термообработки.
• Оптимальное соотношение цены и качества: Низкое содержание легирующих элементов делает сталь экономически выгодной при сохранении высоких эксплуатационных характеристик.
• Универсальность: Применяется в широком спектре отраслей, включая машиностроение, строительство, судостроение и нефтегазовую промышленность.

 

Области применения стали 15ГФД:

Сталь 15ГФД широко используется для изготовления:

• Сварных металлоконструкций: Мосты, эстакады, каркасы зданий и сооружений, резервуары, трубопроводы.
• Деталей машин и механизмов: Валы, шестерни, оси, рычаги, крепежные элементы, работающие при статических и динамических нагрузках.
• Корпусов и деталей судов: Обеспечивает прочность и надежность в морских условиях.
• Элементов нефтегазового оборудования: Трубы, фитинги, емкости, работающие под давлением и при низких температурах.
• Сельскохозяйственной техники: Рамы, корпуса, рабочие органы машин.
• Горно-шахтного оборудования: Элементы крепи, вагонетки, конвейеры.
• Других сварных конструкций и деталей: Различные металлоконструкции, детали машин и механизмов, требующие высокой прочности и свариваемости.

 

Химический состав стали 15ГФД (ГОСТ 19281-2014):

Элемент	Массовая доля, %
Углерод (C)	0.12 - 0.18
Кремний (Si)	0.40 - 0.70
Марганец (Mn)	1.30 - 1.70
Хром (Cr)	≤ 0.30
Никель (Ni)	≤ 0.30
Медь (Cu)	≤ 0.30
Ванадий (V)	0.05 - 0.12
Титан (Ti)	≤ 0.03
Алюминий (Al)	≤ 0.05
Фосфор (P)	≤ 0.035
Сера (S)	≤ 0.040
Азот (N)	≤ 0.012
Железо (Fe)	Остальное

 

Расшифровка химического состава:

• 15: Указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента (0.15%).
• Г: Обозначает наличие марганца (Mn) в качестве легирующего элемента.
• Ф: Обозначает наличие ванадия (V) в качестве легирующего элемента.
• Д: Обозначает наличие меди (Cu) в качестве легирующего элемента.

 

Роль легирующих элементов:

• Углерод (C): Основной элемент, определяющий прочность стали. Увеличение содержания углерода повышает прочность и твердость, но снижает пластичность и свариваемость.
• Марганец (Mn): Улучшает прокаливаемость, повышает прочность и износостойкость, связывает серу, предотвращая образование вредной сернистой хрупкости.
• Кремний (Si): Раскисляет сталь, повышает прочность и упругость, улучшает свариваемость.
• Ванадий (V): Измельчает зерно, повышает прочность, ударную вязкость и сопротивление ползучести.
• Медь (Cu): Повышает коррозионную стойкость, особенно в атмосферных условиях.

 

Физико-механические свойства стали 15ГФД:

Физико-механические свойства стали 15ГФД зависят от состояния поставки (после горячей прокатки, нормализации, отпуска и т.д.), толщины проката и других факторов. Приведем типичные значения для стали 15ГФД после нормализации:

Свойство	Значение	Единица измерения
Предел текучести (σт)	≥ 345	МПа
Предел прочности (σв)	490 - 630	МПа
Относительное удлинение (δ5)	≥ 21	%
Относительное сужение (ψ)	≥ 50	%
Ударная вязкость (KCU) при 20°С	≥ 78	Дж/см2
Ударная вязкость (KCU) при -40°С	≥ 29	Дж/см2
Модуль упругости первого рода (E)	2.068 x 105	МПа
Плотность (ρ)	7850	кг/м3
Коэффициент линейного расширения (α)	11.7 x 10-6 (20-100°C)	1/°C
Теплопроводность (λ)	46	Вт/(м·°С)
Удельная теплоемкость (c)	480	Дж/(кг·°С)
Температура ковки	850 - 1200	°С
Температура начала критических точек Ac1	725	°С
Температура конца критических точек Ac3	840	°С

 

Расшифровка значений физико-механических свойств:

• Предел текучести (σ_т): Напряжение, при котором сталь начинает деформироваться без заметного увеличения нагрузки. Характеризует сопротивление материала пластической деформации. Чем выше предел текучести, тем большую нагрузку может выдержать деталь без остаточной деформации.
• Предел прочности (σ_в): Напряжение, при котором происходит разрушение материала. Характеризует сопротивление материала разрушению. Чем выше предел прочности, тем большую нагрузку может выдержать деталь до разрушения.
• Относительное удлинение (δ₅): Процентное увеличение длины образца после разрыва по сравнению с первоначальной длиной. Характеризует пластичность материала. Чем выше относительное удлинение, тем более пластичным является материал.
• Относительное сужение (ψ): Процентное уменьшение площади поперечного сечения образца в месте разрыва по сравнению с первоначальной площадью. Также характеризует пластичность материала.
• Ударная вязкость (KCU): Мера сопротивления материала хрупкому разрушению при ударных нагрузках. Определяется количеством энергии, необходимой для разрушения образца с надрезом. Чем выше ударная вязкость, тем более устойчив материал к хрупкому разрушению, особенно при низких температурах. Значения ударной вязкости приводятся для разных температур, чтобы оценить хладостойкость стали.
• Модуль упругости первого рода (E): Характеризует жесткость материала, то есть его сопротивление упругой деформации. Чем выше модуль упругости, тем меньше деформируется деталь под нагрузкой.
• Плотность (ρ): Масса единицы объема материала.
• Коэффициент линейного расширения (α): Относительное изменение длины материала при изменении температуры на 1 градус Цельсия. Учитывается при проектировании конструкций, работающих в условиях переменной температуры.
• Теплопроводность (λ): Способность материала проводить тепло.
• Удельная теплоемкость (c): Количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы материала на 1 градус Цельсия.
• Температура ковки: Диапазон температур, в котором сталь обладает оптимальной пластичностью для обработки давлением (ковка, штамповка).
• Температура начала и конца критических точек Ac1 и Ac3: Температуры, при которых происходят фазовые превращения в стали при нагреве. Важны для определения режимов термообработки.

 

Термическая обработка стали 15ГФД:

Сталь 15ГФД может подвергаться различным видам термической обработки для улучшения ее свойств:

• Нормализация: Нагрев до температуры на 30-50°С выше Ac3 (примерно 870-890°С) с последующим охлаждением на воздухе. Улучшает структуру стали, повышает прочность и ударную вязкость. Часто применяется как предварительная термообработка перед сваркой или другими операциями.
• Отпуск: Нагрев после нормализации или закалки до температуры ниже Ac1 (обычно 550-650°С) с последующим охлаждением на воздухе или в воде. Снимает внутренние напряжения, повышает пластичность и вязкость.
• Закалка: Нагрев до температуры выше Ac3 с последующим быстрым охлаждением в воде или масле. Повышает твердость и прочность, но снижает пластичность. Применяется редко из-за склонности к образованию трещин. После закалки обязательно необходим отпуск.

 

Свариваемость стали 15ГФД:

Сталь 15ГФД обладает хорошей свариваемостью. Могут применяться различные методы сварки, такие как ручная дуговая сварка (РДС), автоматическая сварка под флюсом (АСФ), полуавтоматическая сварка в защитных газах (MIG/MAG) и другие.

 

Рекомендации по сварке:

• Предварительный подогрев может потребоваться при сварке толстостенных конструкций или при низких температурах окружающей среды (ниже 0°С). Температура подогрева обычно составляет 100-200°С.
• Для сварки следует использовать электроды или проволоку, предназначенные для сварки низколегированных сталей.
• После сварки рекомендуется проводить отпуск для снятия внутренних напряжений и улучшения свойств сварного соединения.

 

ГОСТы, регламентирующие сталь 15ГФД:

• ГОСТ 19281-2014: Прокат толстый и широкополосный из конструкционной низколегированной стали. Общие технические условия. Этот ГОСТ является основным нормативным документом, определяющим требования к стали 15ГФД.
• ГОСТ 19903-2015: Прокат листовой горячекатаный. Сортамент. Определяет размеры и предельные отклонения для листового проката из стали 15ГФД.
• ГОСТ 19904-90: Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент. Определяет размеры и предельные отклонения для холоднокатаного листового проката.
• ГОСТ 27772-2015: Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия. Может распространяться на сталь 15ГФД, используемую в строительных конструкциях.
• ГОСТ 34233.1-2017: Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. Применяется при проектировании и изготовлении сосудов и аппаратов, работающих под давлением, из стали 15ГФД.

 

Операции в цеху со сталью 15ГФД:

В зависимости от назначения стали 15ГФД, в цехах могут выполняться следующие операции:

1. Входной контроль: Проверка соответствия металла требованиям ГОСТ 19281-2014 по химическому составу, механическим свойствам и размерам.
2. Разметка: Нанесение контуров будущих деталей на металл.
3. Резка: Разделение металла на заготовки требуемых размеров. Используются различные методы резки:
   • Газовая резка: Экономичный способ резки толстого металла.
   • Плазменная резка: Обеспечивает более высокую скорость и точность резки по сравнению с газовой резкой.
   • Лазерная резка: Обеспечивает высокую точность и качество резки, но более дорогостоящая.
   • Механическая резка: Резка с использованием гильотинных ножниц, ленточнопильных станков и т.д.
4. Гибка: Придание заготовкам требуемой формы.
5. Сварка: Соединение деталей в единую конструкцию.
6. Механическая обработка: Обработка деталей на металлорежущих станках (токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных и т.д.) для получения точных размеров и требуемой шероховатости поверхности.
7. Термическая обработка: Нормализация, отпуск или другие виды термообработки для улучшения свойств стали.
8. Контроль качества: Проверка размеров, формы, качества сварных швов и других параметров деталей. Используются различные методы контроля:
   • Визуальный контроль: Осмотр деталей на наличие дефектов.
   • Ультразвуковой контроль: Выявление внутренних дефектов.
   • Радиографический контроль: Выявление внутренних дефектов с помощью рентгеновского или гамма-излучения.
   • Магнитопорошковый контроль: Выявление поверхностных дефектов.
   • Капиллярный контроль: Выявление поверхностных дефектов.
9. Окраска: Нанесение защитного покрытия для предотвращения коррозии.
10. Сборка: Сборка отдельных деталей в готовое изделие.
11. Испытания: Проведение испытаний готовых изделий для проверки их соответствия требованиям технических условий.

 

Альтернативы стали 15ГФД:

В зависимости от конкретных требований к конструкции, сталь 15ГФД может быть заменена другими марками стали, например:

• 17Г1С: Более прочная сталь, но с несколько худшей свариваемостью.
• 10ХСНД: Коррозионностойкая сталь, применяемая в конструкциях, работающих в агрессивных средах.
• 09Г2С: Широко распространенная конструкционная сталь, обладающая хорошей свариваемостью и хладостойкостью.

Выбор конкретной марки стали зависит от требований к прочности, свариваемости, хладостойкости, коррозионной стойкости и стоимости.

 

 

Сталь 15ГФД является универсальной конструкционной низколегированной сталью, сочетающей в себе высокую прочность, хорошую свариваемость и хладостойкость. Широко применяется в различных отраслях промышленности для изготовления сварных металлоконструкций, деталей машин и механизмов, элементов нефтегазового оборудования и других изделий. Правильный выбор режимов термообработки и сварки позволяет получить оптимальные свойства стали для конкретных условий эксплуатации.

Внимание! Приведенные данные носят информационный характер. Для точного определения свойств и применения стали 15ГФД необходимо руководствоваться действующими ГОСТами и технической документацией.