Сталь 09Г2С

Содержание:

Сталь 09Г2С – один из массово применяемых видов продукции черной металлургии, отличающийся от других распространенных марок сталей рядом особенных свойств. Пользуется спросом благодаря отличным показателям свариваемости, а также увеличенным интервалом рабочих температур от -70 оС до +425 оС. Имеет известные аналоги среди продукции зарубежных производителей.

Общая характеристика стали 09Г2С

Металл данной марки классифицируется согласно норм ГОСТ 19281-2014 как низколегированная кремниймарганцовистая сталь. Относится к классу конструкционных сплавов, широко применяется в строительстве и изготовлении ответственных металлоконструкций. Отличается высокой прочностью, которая позволяет создавать более легкие изделия за счет экономии на толщине металла. Сталь сохраняет работоспособность при низких температурах окружающей среды, поэтому активно используется при работах в условиях Крайнего Севера на объектах нефте- и газодобычи (буровые установки, газлифты), при прокладке трубопроводов. Особенности двухфазной структуры металла при правильной термообработке допускают ее применение при изготовлении изделий методами глубокой вытяжки или прессования.

Преимущества материала

Конструкционная сталь 09Г2С обладает высокой способностью сохранять свои характеристики при работе под давлением в широком температурном интервале, долговечна, устойчива к нагрузкам с переменным вектором силы, а также подвергается термической обработке, которая оказывает значительное влияние на показатели механических показателей.

Расшифровка маркировки 09Г2С

Обозначение 09Г2С указывает на основные показатели состава стали:

  • 09 – массовая доля содержания углерода в сотых долях процента, так как цифры расположены перед буквенной частью обозначения (0,09%);
  • Г2 – литера «Г» означает марганец, цифра после нее указывает на ориентировочную массовую долю элемента до 2% (точная величина этой доли в стали от 1,3 до 2%);
  • С – этой литерой указывается кремний, при этом отсутствие цифрового значения после буквы говорит о его доле меньше 1%.

Из маркировки также можно сделать вывод об общем содержании легирующих примесей. Так как их сумма не превышает 2,5%, то данный тип стали относится к группе низколегированных.

Возможно дополнительное указание категории продукции после основного обозначения марки через тире (например, 09Г2С–12), которая указывает виды характеристик, для которых проведены испытания проката.

Химический состав 09Г2С

Базовое содержание химических элементов в стали 09Г2С нормируется требованиями ГОСТ 19281-2014 (в массовых процентах):

  • углерод С – до 0,12%;
  • кремний Si – от 0,50 до 0,80%;
  • марганец Mn – от 1,30 до 1,70%;
  • никель Ni – менее 0,3%;
  • хром Cr – менее 0,3%;
  • сера S – не более 0,035%;
  • фосфор P – не более 0,03%;
  • хром Cr – менее 0,3%;
  • ванадий V – менее 0,12%;
  • медь Cu – менее 0,3%;
  • азот N – менее 0,008%;
  • мышьяк As – менее 0,08%;
  • железо Fe – основа (около 96 – 97%).

Кроме указанного химического состава для стали 09Г2С общего назначения, документацией на отдельные виды проката могут устанавливаться массовые доли отдельных элементов, отличные от стандарта ГОСТ 19282-2014.

Сводные данные о таких изменениях химического состава отражены в таблице:

Норматив

C

S

P

Mn

Cr

V

Ti

Si

Ni

Nb

N

Cu

As

Al

ГОСТ 5520-79, ГОСТ 19281-89

≤0,12

≤0,040

≤0,035

1,30-1,70

≤0,30

-

≤0,030

0,50-0,80

≤0,30

-

≤0,008

≤0,30

≤0,080

≤0,050

ТУ 14-159-1128-2008

≤0,12

≤0,025

≤0,030

1,30-1,70

≤0,30

-

≤0,030

0,50-0,80

≤0,30

-

≤0,008

≤0,30

≤0,080

≤0,050

ТУ 14-158-146-2004

≤0,12

≤0,015

≤0,020

1,30-1,70

-

-

-

≤0,60

-

-

≤0,012

-

-

-

ГОСТ 17066-94

≤0,12

≤0,040

≤0,035

1,30-1,60

≤0,30

≤0,10

≤0,030

0,50-0,80

≤0,30

≤0,020

≤0,008

≤0,30

≤0,080

≤0,030

ТУ 14-3-1573-96

≤0,12

≤0,035

≤0,035

1,30-1,70

≤0,30

-

-

0,50-0,80

≤0,30

-

≤0,012

≤0,30

-

-

ТУ 302.02.122-91

≤0,12

≤0,010

≤0,012

1,30-1,70

≤0,30

-

-

0,50-0,80

≤0,30

-

-

≤0,30

-

-

ТУ 14-3Р-1128-2007

≤0,12

≤0,020

≤0,025

1,30-1,70

≤0,30

-

≤0,030

0,50-0,80

≤0,30

-

≤0,012

≤0,30

-

≤0,050

Примечания:

По ГОСТ 17066-94 допускается массовая доля мышьяка до 0,015 %, при этом массовая доля фосфора должна быть не более 0,030 %.

По ГОСТ 19282-73 допускается модифицирование стали кальцием и редкоземельными элементами из расчета введения в металл не более 0,02 % кальция и 0,05 % редкоземельных элементов.

По ГОСТ 19281-89 и ГОСТ 19282-73 допускается допускается добавка алюминия и титана из расчета получения массовой доли в прокате алюминия - не более 0,050 %, титана - не более 0,030 %.

По ГОСТ 5520-79 при выплавке стали из керченских руд допускается массовая доля мышьяка до 0,15 %, при этом массовая доля фосфора должна быть не более 0,030 %. По требованию потребителя массовая доля серы не должна превышать 0,025, 0,030 или 0,035 %, а фосфора 0,030 или 0,035 %. При выплавке стали в электропечах массовая доля азота должна быть ≤ 0,012 %.

По ТУ 302.02.122-91 химический состав приведен для стали марок 09Г2СА и 09Г2С-Ш. Суммарное содержание серы и фосфора должно быть не более 0,020 %. Сталь марки 09Г2С по ТУ 302.02.122-91 отличается массовой долей следующих элементов: серы ≤ 0,030 %, фосфора ≤ 0,035 %, при этом суммарная массовая доля серы и фосфора должна быть не более 0,060 %.

По ТУ 14-3-1573-96 углеродный эквивалент Сэ ≤ 0,46 %.

По ТУ 14-158-146-2004 химический состав приведен по ковшевой пробе для 1-го уровня качества труб. Для труб 2-го уровня качества в ковшевой пробе массовая доля серы ≤ 0,010 %, фосфора ≤ 0,015 %, азота ≤ 0,010 %.

Механические свойства стали 09Г2С

Характеристики стали в значительной степени определяются температурным режимом эксплуатации, состоянием металла и проведенной термообработкой. Сводные данные по наиболее значимым для потребителей параметрам приведены в таблицах.

ГОСТ

Состояние поставки

Сечение, мм

σ0,2, МПа)

σВ, МПа)

δ5 , %

19281-73

Сортовой и фасонный прокат

до 10

345

490

21

19282-73

Листы и полосы (Образцы поперечные)

от 10 до 20 вкл.

от 20 до 32 вкл.

от 32 до 60 вкл.

от 60 до 80 вкл.

от 80 до 160 вкл.

325

305

285

275

265

470

460

450

440

430

21

21

21

21

21

19282-73

Листы после закалки, отпуска (Образцы поперечные)

от 10 до 32 вкл.

от 32 до 60 вкл.

365

315

490

450

19

21

17066-80

Листы горячекатаные

От 2 до 3,9

490

17

Ударная вязкость KCU (Дж/см3) при низких температурах °С

ГОСТ

Состояние поставки

Сечение, мм

KCU при +20 оС

KCU при -40 оС

KCU при -40 оС

19281-73

Сортовой и фасонный прокат

от 5 до 10

от 10 до 20 вкл.

от 20 до 100 вкл.

64

59

59

39

34

34

34

29

19282-73

Листы и полосы

от 5 до 10

от 10 до 60 вкл.

64

59

39

34

34

29

Листы после закалки, отпуска (Образцы поперечные)

от 10 до 60 вкл.

49

29

Механические свойства 09Г2С при повышенных температурах

Темп. испытания, °С

σ0,2, МПа

σВ, МПа

δ5, %

ψ, %

Нормализация 930-950 °С

20 °С

300

460

31

63

300 °С

220

420

25

56

475 °С

180

360

34

67

Механические свойства в зависимости от темп. °С отпуска

Темп. отпуска, °С

σ0,2(МПа)

σВ (МПа)

δ5 (%)

ψ (%)

Листы толщиной 34 мм в состоянии поставки HB 112-127 (образцы поперечные)

20 °С

295

405

30

66

100 °С

270

415

29

68

200 °С

265

430

300 °С

220

435

400 °С

205

410

27

63

500 °С

185

315

63

Обозначения в таблицах:

σ0,2 – условный предел текучести по ГОСТ 5520-79, МПа;

σв –предел прочности при растяжении, МПа;

δ5 – относительное удлинение после разрыва, %;

ψ – относительное сужение, %;

KCU – ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами вида U, Дж/см2.

Технологические свойства стали 09Г2С

Удельный вес стали

7,85 г/см3

Температура ковки

Возможна обработка горячей деформацией (ковка) в диапазоне от 1250 оС до 850 оС. Охлаждение естественное.

Свариваемость

Сваривается без ограничений. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Для ручной дуговой сварки используются электроды УОНИ13/55; для автоматической под флюсом - проволока Cв-08ГA или Св-10Г2 с флюсом АН-348А; для сварки в защитных газах Ar и CO2 - сварочная проволока Св-08Г2С.

Обрабатываемость резанием

В нормализованном отпущенном состоянии δB = 520 МПа; Кυ б.ст = 1,0; К υ тв. спл = 1,6*

Отпускная способность

Не склонна

Флокеночувствительность

Отсутствует

Обозначения (*):

δB – временное сопротивление разрыву, МПа;

Kυ тв.спл – коэффициент обрабатываемости для твердосплавных резцов Т5К10;

Kυ б.ст – коэффициент обрабатываемости для резцов из быстрорежущей стали Р18.

Критические точки диаграммы фазовых состояний

Для стали 09Г2С характерны следующие температурные точки фазовых превращений на диаграмме состояний:

  • Ac1 = 732 оС – переход аустенитной фазы в перлит при охлаждении сплава;
  • Ac3(Acm) = 870 оС - температура окончания растворения цементита (литера «с» – от французского chauffage/нагрев);
  • Ar3(Arcm) = 854 оС – начало образования Fe3C (от англ. refroidissement – охлаждение);
  • Ar1 = 680 оС – критическая точка доэвтектоидного сплава, соответствует выделению ферритной фазы.

Указанные величины используют при определении режимов термической обработки металла.

Сварка 09Г2с. Данная марка стали широко используется для создания сварных конструкций благодаря важному преимуществу перед другими типами недорогих конструкционных сталей. Материал не подвержен негативным влияниям перегрева локальной области высоких температур при сваривании. В таких зонах не происходит перекристаллизация металла с повышением зернистости и образованием дефектов решетки. Это позволяет избежать появления ослабленных участков с уменьшенными характеристиками прочности и пластичности стали, влияющими на общие показатели сварной конструкции.

Также в процессе отпуска при естественном охлаждении металла после сварки отсутствуют эффекты отпускной хрупкости. Вязкость металла сохраняется на требуемом уровне.

Минимальное содержание углерода и легирующих присадок в стали 09Г2С делает процесс сварки простым и предсказуемым, в отличие от высоколегированных углеродистых сталей, которые могут терять потребительские качества из-за изменений структуры в области перегрева.

Возможна сварка изделий из 09Г2С как без предварительной подготовки, так и с прогревом заготовок до температур 100 – 120 оС. Разделка кромок при толщине листового проката до 40,0 мм не нужна. Используют любые типы электродов, рассчитанных на работу с малоуглеродистыми нелегированными сталями. Рекомендуемый тип: Э42А, Э50А.

Для исключения перегрева металла применяется каскадная сварка многослойных изделий током от 40 до 50 А на 1 мм электрода. По завершении работ предпочтительна нормализующая термообработка с целью устранения локальных дефектов структуры и повышения твердости сварного шва. Для этого изделие нагревают до 650 оС, выдерживают при этой температуре около одного часа, затем выполняют охлаждение естественное воздушное или в водяной ванне.

Производство стали 09Г2С

Металлопрокат данной марки представлен в ассортименте крупнейших отечественных производителей продукции черной металлургии:

  • Северсталь – по ГОСТ 17066-94, ГОСТ 19903-2015;
  • Челябинский металлургический комбинат (ЧМК) – по ГОСТ 19281-89, ГОСТ 19903-74;
  • Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) – по ГОСТ 5520-79, ГОСТ 19903-2015, ГОСТ 19281-2014, ГОСТ 19903-74, ГОСТ 19281-14, ГОСТ 19903-15;
  • Ашинский метзавод – по ГОСТ 19281-14, ГОСТ 19903-15.

При этом применяются отработанные десятилетиями технологии крупнотоннажной выплавки сталей:

  • Мартеновская;
  • Кислородно-конверторная;
  • Электротермическая (плавка в электропечах).

В качестве сырья применяют доменный чугун, а также вторичные металлы (лом).

Виды поставки материала 09Г2С

Товарная группа

Вид продукции

Стандарты

В22

Сортовой и фасонный прокат

ГОСТ 8281-80

ГОСТ 2591-2006

ГОСТ 26020-83

ГОСТ 8509-93

ГОСТ 8510-86

ГОСТ 8239-89

ГОСТ 8240-97

ГОСТ 8278-83

ГОСТ 8283-93

ГОСТ 2590-2006

ГОСТ 21026-75

ГОСТ 25577-83

ГОСТ 11474-76

ГОСТ 14635-93

ГОСТ 13229-78

ГОСТ 19425-74

ГОСТ 19771-93

ГОСТ 19772-93

ГОСТ 9234-74

ГОСТ 8282-83

В23

Листы и полосы

ГОСТ 103-2006

ГОСТ 17066-94

ГОСТ 19903-74

ГОСТ 5520-79

ГОСТ 82-70

В33

Листы и полосы

ГОСТ 19282-73

ГОСТ 10885-85

В62

Трубы стальные и соединительные части к ним

ГОСТ 9567-75

ГОСТ 24950-81

ГОСТ 10705-80

ГОСТ 30564-98

ГОСТ 30563-98

ГОСТ 20295-85

ГОСТ 8731-87

ГОСТ 8732-78

ГОСТ 53383-2009

Применение

Продукция из выпускаемого промышленностью проката 09Г2С широко востребована в значительном числе отраслей хозяйства. Наиболее значимые из них, потребляющие значительную долю металла:

  • При производстве крупногабаритных сварных конструкций из листовой стали, работающей с повышенными требованиями к прочности: корпуса в судостроении, реакторы и технологические емкости в химической и нефтеперерабатывающей промышленности;
  • Для монтажа тепловых агрегатов и паровых котлов, эксплуатируемых при повышенном давлении в диапазоне температур от -70 до +450 оС;
  • При выпуске труб и комплектующих для трубопроводов, включая системы перекачки нефти, газа и нефтепродуктов диаметрами до 530 мм и требованиями по группе прочности К50, в том числе прямошовных электросварных и бесшовных горячедеформированных труб, фланцев, переходов, фитингов и иной соединительной или запорной арматуры;
  • Как листовой основы при производстве двухслойного проката горячим способом;
  • Для изготовления стандартных большегрузных контейнеров, обшивки подвижного состава на железной дороге, в сельскохозяйственном машиностроении.

Преимущества марки 09Г2С перед другими конструкционными сталями

Наиболее значимой особенностью стали 09Г2С в ряду недорогих конструкционных материалов, производимых в больших объемах, считается ее значительно большая прочность и устойчивость к нагрузкам. Количество циклов до усталостного разрушения при слабых знакопеременных нагрузках у 09Г2С примерно в 3 – 3,5 раза больше, чем у таких аналогов, как Ст20 или Ст3 спокойной плавки.

Объясняется такое преимущество особенностями состояния металла, который после необходимой обработки приобретает двухфазную структуру. Такой сплав маркируется сокращением ДФМС – двухфазная ферритно-мартенситная сталь. При упрочняющей обработке внутри ДФМС формируются участки мартенситной составляющей, разделенные массивом феррита. При этом для каждого процента мартенсита в структуре металла, независимо от формы и расположения его зерен, происходит повышение временному сопротивлению разрыву приблизительно на 10 МПа.

Сочетание высокой пластичности ферритной фазы с небольшими участками мартенсита создает предпочтительные условия для пластической деформации без характерного для других сталей участка текучести. Поэтому при аналогичных параметрах δобщ (общего) и δр (равномерного) удлинения сталь 09Г2С отличается от других конструкционных сталей обыкновенного и повышенного качества:

  • Соотношение σ0,2в у 09Г2С ниже, чем у аналогов (в пределах 0,4 – 0,6);
  • Показатели прочности выше;
  • Величина сопротивления малым деформациям σ0,2 ниже, чем у аналогичных ферритно-перлитных низколегированных сталей.

Описанные отличия проявляются в потребительских свойствах металла как улучшенные характеристики всех значимых показателей пластичности при обработке давлением. Поэтому сталь 09Г2С допускает значительно более высокие значения технологической пластичности в таких производственных операциях, как вытяжка, штамповка, прессование. Из данной стали удается выпускать детали со сложной конфигурацией без утраты механической прочности.

Сталь 09Г2С хорошо поддается соединению методом точечной сварки. Показатель предела выносливости сварного шва по отношению к основному металлу при изгибе переменного знака составляет 317 и 350 МПа. При значении для металла основы σв = 550 МПа эти величины составляют 50 и 60 % соответственно.

Несмотря на более высокую стоимость стали 09Г2С в сравнении с другими металлами аналогичных характеристик, ее применение часто бывает экономически оправданно. Причина в заметном снижении массы изделий на 20 – 25% за счет лучших прочностных показателей, что приводит к экономии металла. Также детали из 09Г2С не нуждаются в дополнительной термообработке для упрочнения после операции холодной высадки.

Отечественные и зарубежные аналоги

Производители России и стран бывшего СССР, использующие систему государственных стандартов советского периода, выпускают низколегированные конструкционные стали, аналогичные марке 09Г2С по химическому составу, структуре и механическим свойствам:

  • 09Г2;
  • 09Г2ДТ;
  • 09Г2Т;
  • 10Г2С;
  • 17Г1С.

Похожими показателями характеризуются также кремнемарганцовистые конструкционные строительные стали по ГОСТ 27772-2015: С345, С355, С355-1, С355К. У этих сплавов число после маркировки «С» (обозначает «строительная сталь») указывают на условное значение предела текучести (в Н/мм2).

Зарубежные заводы производят полные или частичные аналоги отечественной марки стали 09Г2С:

  • Германия (национальные стандарты DIN, WNr) – 13Mn6, 9MnSi5;
  • Япония (стандарт JIS) – SB49;
  • КНР (стандарт GB) – 12Mn;
  • Болгария (национальный стандарт BDS) – 09G2S;
  • Венгрия (национальный стандарт MSZ) – VH2;
  • Румыния (национальный стандарт STAS) – 9SiMn