Черная сталь 09Г2С для крайнего Севера. Химический состав и механические свойства

22 декабря 2022, 12:34

Для того, чтобы грамотно подобрать материал для конкретной детали, нужно знать не только условия эксплуатации и особенности среды, но и хорошо разбираться в свойствах сталей и сплавов. Большую роль в 21-м веке играет черная сталь. В рамках этой статьи разберем конструкционную низколегированную сталь 09Г2С. Оценим условия работы деталей трубопровода из черной стали 09Г2С, определим перечень механических и физических свойств, химический состав и виды поставки.

Характеристика стали 09Г2С

➤ Температура

Свойства сплава высоко ценятся для северных регионов с холодным климатом. Сталь 09Г2С выдерживает широкий диапазон рабочей температуры: от -70°С до +425°С. Высокая механическая прочность позволяет использовать сталь этой марки в нефтяной промышленности и сельском хозяйстве. С такой сталью можно работать при условии высоких температур, изделия ставят на паровые котлы, парогенераторы. Сталь 09Г2С обеспечивает долговечную службу изделий, а применение в условиях крайнего севера позволяет решать задачи монтажа сварных конструкций в суровых климатических условиях. Не деформируется при эксплуатации, обладает хорошей свариваемостью. Сталь 09Г2С позволяет делать конструкции с более тонкими элементами. 

➤ Маркировка

В основе маркировки лежит буквенно-цифровая система. Каждому легирующему элементу соответствует буква русского алфавита. В начале маркировки указывают количество углерода в сотых долях процента.

 

• 09 - сталь содержит 0,09% углерода, 
• Г2 - 2% марганца
• С - кремний, количество которого не превышает 1%.

 

Общий состав легирующих добавок не должен превышать 2% - поэтому металл называют низколегированным.

Химический состав 09Г2С

Химический состав может отличаться в зависимости от видов сортамента, нормативных документов или требований заказчика, рассмотрим каждый ГОСТ отдельно.

➤ Химические элементы стали по ГОСТ 19281-2014 и ГОСТ 5520-17

Химический состав стали базового исполнения по анализу ковшовой пробы должен соответствовать нормам, приведенным в таблице 1.

 

Таблица 1. Сравнение химического состава 09Г2С по ГОСТ 19281 и ГОСТ 5520

Стандарт	C (углерод)	Si (кремний)	Mn (марганец)	P (фосфор)	S (сера)	Cr (хром)	Ni (никель)	Cu (медь)	V (ванадий)	Mo (молибден)
ГОСТ 19281	не более 0,12%	0,50-0,80%	1,30-1,70%	не более 0,030%	не более 0,035%	не более 0,30%	не более 0,30%	не более 0,30%	не более 0,12%	-
ГОСТ 5520	не более 0,12%	0,50-0,80%	1,30-1,70%	не более 0,035%	не более 0,025%	не более 0,30%	не более 0,30%	не более 0,30%	0,05%	0,08%

В качестве раскислителей (восстановителей железа) используют марганец и кремний. Незначительное содержание хрома повышает прокаливаемость. Обратите внимание, что сталь марки 09Г2С может быть раскислена AI алюминием не более 0,05%. Фактическая массовая доля AI алюминия, контролируемая в ковшовой пробе, указывается в документе о качестве. Присадки алюминия в металл позволяют полностью успокоить сталь и избежать возникновения пористости. Сера и фосфор – вредные добавки, ухудшающие качество материала. Однако в данном сплаве их количество минимально и не оказывает заметного влияния на свойства сплава.

Главный фланцевый ГОСТ не просто выделяет сталь 09Г2С, как одну из рекомендуемых марок стали для производства, но и прописывает рекомендации для заготовок - мы продублировали требования в таблице.

 

Таблица 2. Рекомендуемые нормативные документы для фланцевых заготовок по ГОСТ 33259-15

Группа стали	Марка материала	Нормативные документы для заготовок
Низколегированная сталь	09Г2С	Поковки КП245 (КП25) по ГОСТ 8479
		Лист ГОСТ 5520 категории: 3, 5-9, 15
		Лист по ГОСТ 19281, категории: 3, 4, 7, 12, 15

Механические свойства 09Г2С

Износостойкая сталь подходит для транспортировки неагрессивной или слабоагрессивной среды (газ, нефть, вода, пар). К главным особенностям сплава 09Г2С относятся высокая прочность. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, пластичность, вязкость, твердость, способность противостоять действию различных сред. Механические свойства стали напрямую зависят от вида поставки, например: поковка или листовой прокат.

➤ Механические свойства по ГОСТ 5520-2017

Рассчитаны на листы толщиной от 4 до 160 мм. Норматив определяет категории проката от 1 до 24 в зависимости от нормируемых характеристик. Категория 1 распространяется на прокат, изготавливаемый без термической обработки (в горячекатаном состоянии). Категории 2-24 распространяются на прокат всех состояний поставки. Если обратиться к таблице 2, то мы видим, что для изготовления фланцев подходят категории 3, 5-9, 15. 

Таблица 3. Категории проката и нормируемые характеристики для стали 09Г2С по ГОСТ 5520

Знак “+” означает, что характеристика нормируется и контролируется.

Нормируемая характеристика	Категории проката
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
Химический состав	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Мех. св-ва при растяжении и испытание на изгиб при t° 20 (+15/-10) °С		+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Ударная вязкость KCU при t° испыт. 20 (+15/-10) °С			+							+								+					+	+
Ударная вязкость KCU после мех. старения при t° испыт. 20 (+15/-10) °С				+						+	+	+	+	+	+			+						+
Ударная вязкость KCU при t° испыт.					+						+
-20 °С
-40 °С						+						+
-50 °С							+						+
-60 °С								+						+
-70 °С									+						+
Предел текучести при повышенной температуре испытания																+		+					+	+
Предел текучести при повышенной t° испыт.; ударная вязкость KCU при одной из минусовых температур и после мех. старения																	+
Ударная вязкость KCU при t° испыт. 20 (+15/-10) °С																			+					+
0 °С																				+
-20 °С																					+
-40 °С																						+

Таблица 4. Нормы ударной вязкости KCV для проката категорий 19-22, 24 стали 09Г2С по ГОСТ 5520

Марка стали	Толщина проката, мм	Ударная вязкость KCV, Дж/см², не менее, при температуре испытания, °С
		плюс 20	0	-20	-40
09Г2С, прокат категории 19-22	от 5 до 80 включ	39	29	29	29
	свыше 80 до 160	29	плюс	29	29

Таблица 5. Предел текучести для проката категорий 16-18, 23 и 24 стали 09Г2С по ГОСТ 5520

Марка стали	Предел текучести, Н/мм², не менее, при при t°
	200	250	300	320	350	400	450	500
09Г2С	-	225	196	-	176	157	-	-

Знак “-” означает, что данная характеристика не нормируется и не контролируется.

➤ Механические свойства по ГОСТ 19281-2014

Рассчитаны на 20 категорий. Продукция выпускается с испытанием на ударный изгиб. В ГОСТ 33259-15 прописано рекомендуемое требование при изготовлении фланцев использовать листы 09Г2С категорий 3, 4, 7, 12, 15. Также ГОСТ выделяет 5 классов прочности: 265, 295, 325, 345, 375.

Таблица 6. Категории проката и нормируемые характеристики для стали 09Г2С по ГОСТ 19281.

Нормируемая характеристика	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Ударная вязкость KCU при t° испыт., °С:
-20	+									+
-30		+									+
-40			+									+				+
-50				+									+
-60					+									+			+		+
-70						+									+			+
Ударная вязкость KCV, при t° испыт., °С:
0							+
-5 (для толстолистового, широкополосного универсального проката и гнутых профилей)																+			+
-20								+									+
-40									+									+
-60																				+
Ударная вязкость KCU после механического старения при t° испыт., °С:
20 (+15/-10)										+	+	+	+	+	+	+	+	+	+

Исходя из классов прочности и видов сортамента, механические свойства зависят от размера проката по сечению в диапазоне до 250,0 мм включительно. По ГОСТ 19281-2014 вид поставок продукции для заготовок из стали 09Г2С может быть как сортовым, фасонным, толстолистовым и широкополосным универсальным прокатом, так и гнутым профилем. Таким образом, предел текучести, временное сопротивление и относительное удлинение по показателям находятся в прямой зависимости от класса прочности, вида продукции и толщины сортамента. 

Таблица 7. Классы прочности и размеры проката по сечению в мм в зависимости вида продукции стали 09Г2С по ГОСТ 19281.

Вид продукции	Класс прочности	Размеры проката по сечению, мм	Предел текучести σт, Н/мм²	Временное сопротивление σв, Н/мм²	Относительное удлинение δ5, %
Сортовой (круглый, квадратный, шестигранный и полосовой) и фасонный прокат	265	до 250,0 включ.	265	430	21
	295	до 32,0 включ.	295	430
	325	до 20,0 включ.	325	450
	345	до 140,0 включ.	345	480
	375	до 50 включ.	375	510
Толстолистовой, широкополосный универсальный прокат и гнутые профили	265	до 160,0 включ.	265	430	21
	295	свыше 20,0 до 32,0 включ.	295	430
	315	свыше 20,0 до 60,0 включ.	315	450
	325	свыше 10,0 до 20,0 включ	325	450
	345	до 50 включ.	345	490
	355	до 50 включ.	355	490	20
	375	свыше 10,0 до 32,0 включ.	375	510

Ударная вязкость (KCU, KCV и KCU после механического старения +20 (+15/-10) °С) для всех видов продукции зависит от класса прочности, размеров проката по сечению и температуры испытаний.

Таблица 8. Ударная вязкость сортового, фасонного, толстолистового, широкополосного универсального проката и гнутых профилей с учетом класса прочности, температурных условий и размеров проката по сечению. Использованы данные по ГОСТ 19281.

Вид продукции	Класс прочности	Размеры проката по сечению, мм	минус 20	минус 30	минус 40	минус 50	минус 60	минус 70	ноль	минус 5	минус 20	минус 40	минус 60	После механического старения
			KCU						KCV					KCU
Сортовой (круглый, квадратный, шестигранный и полосовой) и фасонный прокат	265	до 20,0 включ	34*	34*	29	29	29	29	34*	-	34*	29*	-	29
		свыше 20,0 до 32,0 включ	34**	34**	29	29	29	29	34*	-	34*	29*	-
		свыше 32,0 до 100,0 включ.	34**	34**	29	29	29	29	34*	-	34*	29*	-
		свыше 100,0 до 160,0 включ	34**	34**	29	29	29	29*	34*	-	34*	29*	-
	295	менее 10,0	39	39	39	29	29	29	34*	-	34*	29	-	29
		от 10,0 до 20,0 включ	34**	34**	29	29	29	29	34*	-	34*	29	-
		свыше 20,0 до 32,0 включ	34**	34**	29	29	29	29	34*	-	34*	29	-
	325	до 10,0 включ.	39	34	34	34	34	34	34	-	34	29	-	29
		свыше 10,0 до 20,0 включ	39	34**	29	34**	34**	29	34	-	34	29	-
	345	до 10,0 включ.	39	39	39	34**	34**	29	39	-	39	29	-
		свыше 10,0 до 20,0 включ	34**	34**	29	29	29	29	34*	-	34*	29	-	29
		свыше 20,0 до 140,0 включ	34**	34**	29	29	29	29	34*	-	34*	29	-
	375	до 10,0 включ.	39	39	39	+	+	+	+	-	+	+	-	29
		свыше 10,0 до 20,0 включ	34**	34**	29	+	+	+	+	-	+	+	-
		свыше 20,0 до 50,0 включ.	+	+	+	+	+	+	+	-	+	+	-
Толстолистовой, широкополосный универсальный прокат и гнутые профили	265	менее 5,0	+	+	+	+	+	+	34	34*	34**	29	+	29
		от 5,0 до 10,0	+	+	+	+	+	+	34	34*	34**	29	+
		свыше 10,0 до 20,0 включ	+	+	+	+	+	+	34	34*	34**	29	+
		свыше 20,0 до 160,0 включ	34**	34**	34**	34**	34**	29	+	+	+	29	+
	295	свыше 20,0 до 32,0 включ	39	34**	34**	34**	34**	29	34	34*	34**	29	+	29
	315	свыше 20,0 до 60,0 включит	39	34**	34**	34**	34**	29	34	34*	34**	29	+	29
	325	свыше 10,0 до 20,0 включ	34	34	34	34**	34**	29	34	34*	34**	29	+	29
	345	до 12,0 включ.	39	39	39	34**	34**	29	+	34	34	29	+	29
		свыше 12,0 до 50,0 включ	39	34**	34**	34**	34**	29	39	39	39	+	-
	355	менее 5,0	34*	34*	34*	34**	34**	29	34	34*	34**	+	+	29
		от 5,0 до 10,0 включ	34*	34*	34*	34**	34**	29	34	34*	34**	+	+
		свыше 10,0 до 50,0 включ	39	34**	34**	34**	34**	29	34	34*	34**	+	-
	375	свыше 10,0 до 32,0 включ	39	39	39	34**	34**	29	+	34*	34**	+	+	29

Знак “+” означает, что определение ударной вязкости в соответствии с заказанной категорией, проводят для набора статистических данных, результаты испытаний указывают в документе о качестве. Знак “-” означает, что ударную вязкость не нормируют и не контролируют.

➤ Механические свойства по ГОСТ 8479

Рассчитаны на 16 категорий прочности (КП 175, КП 195, КП 215, КП 245, КП 275, КП 315, КП 345, КП 395, КП 440, КП 490, КП 540, КП 590, КП 640, КП 685, КП 735, КП 785). Фланцевый ГОСТ в качестве заготовок для фланцев рекомендует использовать поковки КП 245 (КП 25). Рассмотрим механические свойства КП 245.

Таблица 9. Механические свойства стали 09Г2С в виде поковок КП 245 по ГОСТ 8479.

Категория прочности	Предел текучести, σ0,2	Временное сопротивление, σв	Относительное удлинение, δ5 в %				Относительное сужение, ψ, в %				Ударная вязкость, KCU, Дж/см² х 10⁴ (кгс • м/см²)
	МПА (кгс/мм²)		до 100	свыше 100 до 300	свыше 300 до 500	свыше 500 до 800	до 1000	свыше 100 до 300	свыше 300 до 500	свыше 500 до 800	до 100	свыше 100 до 300	свыше 300 до 500	свыше 500 до 800
КП 245 (25)	245	470 (48)	22	19	17	15	48	42	35	30	49 (5,0)	39 (4,0)	34 (3,5)	34 (3,5)

Рубрика «Стальные нервы» на YouTube-канале компании ОНИКС

Чтобы заказать соединительные детали трубопровода, направьте запрос по электронной почте или позвоните менеджерам отдела продаж.

➥ 8 (499) 673-38-38 Москва
➥ 8 (343) 384-38-38 Екатеринбург
➥ 8 (812) 328-38-38 Санкт-Петербург
➥ 8 (800) 555-38-83 Бесплатно по РФ

— Осколкова Анастасия, контент-менеджер «ОНИКС»

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ