20

Среди конструкционных углеродистых качественных стальных сплавов наиболее видное место занимает Ст. 20. Она отличается простым составом, низкой себестоимостью в сочетании с хорошей свариваемостью, востребованными эксплуатационными характеристиками. Процесс производства изучен, отработан, оптимизирован. Поэтому материал находит применение в различных сферах человеческой деятельности, занимает лидирующее положение на рынке металлов чёрного проката.

Расшифровка стали 20

В маркировке отображаются значимые элементы, их количества, влияющие в большей степени на свойства. Обозначение Ст. 20 расшифровывается как сталь с содержанием углерода в среднем 0.2%. Остальные входящие элементы не играют значимой роли.

Характеристики 20

К преимуществам металла относят беспроблемную сварку разными способами, кроме деталей ранее подвергшихся химической или термической обработке. Марка ст 20 не подвержена хрупким разрушениям при отпуске, внутреннему растрескиванию, хорошо обрабатывается давлением, резанием. Температурные границы эксплуатации: от -40°C до+450°C. Удельный вес составляет 7.85 г/см3. Масса изделий из стали 20 рассчитывается исходя из её плотности. К минусам относят устойчивость к воздействию химических реагентов. Поэтому применение во влажных, агрессивных средах реализуют только при нанесении на поверхность защитного покрытия. Сплав недорогой, с небольшим вхождением легирующих элементов. 

Химический состав стали 20

Основной компонент сплава ‒ это железо, около 98%.  Состав остальных вхождений приведён в процентах, например, в ГОСТ 1050-88:

• основной компонент углерод: 0.17 ‒ 0.24, чем его больше, тем выше прочность и ниже пластичность;

• кремний, который необходим для увеличения стойкости к образованию окалины, жаростойкости, для снижения пористости: 0.17‒ 0.37;

• марганец, способствующий формированию аустенита и уменьшающий склонность к растрескиванию: 0.35 ‒ 0.65;

• нежелательные добавки фосфора (повышает хладноломкость)и серы (увеличивает красноломкость), не более, соответственно: 0.03, 0.035;

• хром, повышающий твёрдость, износостойкость, коррозионную стойкость ‒ до 0.025; 

• никель, снижающий склонность к коррозии, и медь, положительно влияющая на пластичность, ‒ менее 0.03.

Состав зависит назначения материала и приводится в конкретных нормативных документах (ГОСТ 1050-88, ТУ 14-3р-55-2001. т.д).

Назначение и применение

Материал сталь 20 широко применяется в различных отраслях народного хозяйства:

• нефтегазовый сектор ‒ монтаж магистральных, технологических нефтепроводов, обустройство месторождений углеводородов;

• строительство ‒ возведение строительных металлоконструкций разного назначения;

• энергетика ‒ оснащение котельных, тепловых, атомных электростанций;

• машиностроение ‒ изготовление деталей машин, механизмов;

• коммунальное хозяйство ‒ прокладка водопроводов, теплосетей;

• различные отрасли промышленности ‒ монтаж технологических трубопроводов для подачи жидкостей, газов, отведение промышленных сбросов.

Из металла производят различные металлоизделия в соответствии с регламентом Государственных стандартов:

• трубный металлопрокат сварной прямошовный, спиралешовный, горячекатанный, холоднодеформированный ГОСТ 10704, 10706, 32528, 8734, 550, т.д. общего и специального назначения;

• прутки ГОСТ 2590 прочие;

• листовой прокат ГОСТ 14637, 16523, другие;

• проволока ГОСТ 3282, т.д.;

• прочие виды сортового, фасонного проката.

Термообработка

Стальной сплав представляет смесь феррита и перлита. Термическая обработка изменяет структуру до пакетного мартенсита. При этом материал становиться более прочным, но менее пластичным, что позволяет его использовать для изготовления метизов.

Режим термической обработки: закалка при 800 ‒ 820°C, отпуск при 180 ‒ 200 °C, охлаждение водяное или на воздухе.

Температура критических точек

Температурный режим закалки зависит от критических точек, показателей при которых начинают изменяться свойства металла:

• Ac3(Acm)

• выделяется феррит в аустенит с выделением цементита ‒‒ Ar3(Arcm), завершение этого процесса ‒‒ Ac3(Acm);

• аустенит превращается в перлит ‒‒ Ar1, обратное превращение ‒‒ Ac1.

Механические свойства

Обозначения:

• σВ ‒предел прочности при растяжении;

• ψ ‒ относительное сужение;

• HB ‒ твёрдость по Бринеллю;

• δ5 ‒ относительное удлинение после разрыва;

• σ0.2 ‒ условный предел текучести;

• KCU ‒ ударная вязкость.

Механические свойства при повышенных температурах

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска 

Термообработка состоит из нескольких этапов. Последующая стадия после закладки перед охлаждением реализуется при конкретной температуре. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений, отрицательно сказывающихся на свойствах металлоизделия. При повышении его температурного режима происходит увеличение пластичности, ударной вязкости, но при этом снижается предельная прочность при растяжении, твёрдость.

Так, температура 600 ‒ 650°C подойдёт для стальных изделий, подвергающихся динамической нагрузке, 180 ‒ 200°C сделает детали более твёрдыми и износостойкими.

Механические свойства при испытании на длительную прочность 

Показатель	Расшифровка	Единица измерения	Значения
предел текучести, σ0.2	находит границу, после которой появляется остаточная деформация	МПа	не менее 245
временное сопротивление разрыву, σВ	определяет наибольшее напряжение, после которого образце разрывается;	МПа	410
относительное удлинение,δ, сужение,ψ	характеризует пластичность	%	25 55
ударная вязкость, KCU	оценивает сопротивление к разрушению при ударах	Дж/см2	780

Механические показатели позволяют производить прочные металлоизделия из стали 20 как тонкостенные, так и со значительной толщиной стенки.

Физические свойства материала сталь 20 

Характеристики металла определяют при проведении испытаний в промышленно-лабораторных условиях. Стальные образцы растягивают, сжимают, скручивают в регламентированном режиме.

Ударная вязкость KCU

Таблица наглядно показывает, что вне зависимости от вида металлоизделий из ст. 20, их размеров при понижении температуры от положительных значений до отрицательных происходит снижение показателя ударной вязкости. Пластическая деформация под действием ударных нагрузок характеризует хрупкий тип разрушения, который чаще всего провоцирует возникновение аварийных ситуаций.

Твердость материала 20

Показатель по Бринеллю составляет в среднем от 127 до 207 МПа.  В таблице ниже приведены цифры для разной металлопродукции.

Технологические свойства

• Свариваемость: сварка любым способом (дуговая ручная и автоматическая, контактная); ограничения распространяются только химически и термически обработанные детали;

• режим ковки: начало при Т=1280°C, окончание при Т=750°C с воздушным охлаждением;

• образование флокенов: не образуются;

• склонность к отпускной хрупкости: отсутствует.

Марка относится к категории высокотехнологичных, хорошо обрабатывается ковкой, резанием, штамповкой в горячекатаном состоянии с сохранением высокой плотности. При проведении цементации (поверхностное насыщение углеродом при нагреве в пределах от 920 до 950 градусов Цельсия) верхний слой становится твёрже сердцевины в 3 раза.

Коррозионная стойкость 

Ст. 20 неустойчива к действию щелочей, кислот, влаги. Для повышения сопротивляемости материал хромируют, цинкуют, никелируют. При применении металла при добыче и переработке нефти приходится сталкиваться с разрушающим воздействием Н2S. Рассмотрим некоторые аспекты.

Наименование показателя	Значение
скорость общей коррозии	менее 0.5 мм/год
стойкость к водородному растрескиванию	CLR менее 3%, CTR не более 6%
устойчивость к появлению сульфидных трещин под нагрузкой	75% от σ0,2

Сварка стали 20

Одно из преимуществ этой марки ‒ хорошая свариваемость без ограничений. Исключение составляют металлоизделия после химико-термической обработки. Их сваривают при помощи следующих видов сварки: ручной дуговой, аргонодуговой под защитой, контактной точечной. 

Аналоги стали 20 

Заменяют сплав на аналог с близким составом, с приближенными эксплуатационными характеристиками. Похожие варианты производят во многих странах мира. Маркировка зависит от производителя. В таблице приведены зарубежные заменители российского сплава.

Отечественные заменители с близким содержанием углерода: ст.15, ст. 25, 20А.