Высокопрочные стали с карбонитридным упрочнением по ГОСТ 19282-73* так же, как и низколегированные стали повышенной прочности, в зависимости от требований по ударной вязкости поставляются 15-и категорий, из которых для строительных металлоконструкций используются четыре: 6-я, 12-я, 9-я и 15-я. Для сталей 6-й и 12-й категорий ударная вязкость гарантируется при минус 40 °С, а для сталей 9-й и 15-й категорий - при минус 70 °С. Кроме того, для сталей 12-й и 15-й категорий гарантируется еще и ударная вязкость после механического старения.
По ГОСТ 27772-88* для строительных стальных конструкций также предусмотрена поставка стали трех вариантов с карбонитридным упрочнением с наименованием С390, С390К и С440. Сталь с наименованием С390 и С440 поставляется в листах толщиной 4-50 мм, с наименованием С390К - в листах толщиной 4-30 мм. Нормы химического состава и механических свойств сталей С390, С390К и С440 близко соответствуют нормам ГОСТ 19282-73* (см. табл. 1.22 и 1.23) для аналогичных сталей марок 14Г2АФ, 15Г2АФДпс и 16Г2АФ категории 9.
Низколегированную сталь с карбонитридным упрочнением, как и другие варианты стали с феррито-перлитной микроструктурой, можно подвергать горячей вальцовке, штамповке и т.д. Нри этом температурный режим горячего деформирования (температура нагрева и скорость охлаждения) должен по-возможности соответствовать принятому режиму нормализации! g этом случае удается совместить горячее деформирование с заключительной термической обработкой. Нревышение температуры нагрева, принятой для нормализации, или увеличение скорости охлаждения повышает прочность, но снижает пластичность, вязкость и хладостойкость вследствие образования неблагоприятной микроструктуры.
Нри изготовлении конструкций или в процессе эксплуатации сталь может подвергаться длительным или кратковременным нагревам в субкритической температурной области. Дополнительный отпуск при 550-650 °С в течение 3-5 ч нормализованной стали типа 16Г2АФ практически не влияет ни на прочность, ни на ударную вязкость при комнатной и пониженной температурах. Вьщержка до 1000 ч при 400-500 °С также мало влияет на ее механические свойства, что объясняется большой стабильностью феррито-перлитной микроструктуры.
Нри соответствующем подборе присадочных материалов, флюсов и электродных покрытий и соблюдении основных технологических требований сварку стали марок 14Г2АФ(Д), 16Г2АФ и 15Г2АФДпс можно производить любыми способами, принятыми при изготовлении и монтаже строительных металлоконструкций. Нри умеренном содержании углерода и легирующих элементов в стали твердость в околошовной зоне даже при значительных скоростях охлаждения (> 50 °С/с) не превышает 300 HV и ударная вязкость сохраняется высокой в широком диапазоне режимов (рис. 1.7) [7]. Увеличение содержания углерода и марганца до уровня, близкого к верхнему пределу марочного состава, усиливает зависимость максимальной твердости и ударной вязкости в околошовной зоне от скорости охлаждения, однако и здесь максимальная твердость не превышает 350 HV. Оптимальные механические свойства достигаются при скорости охлаждения 10-20 град/с. Приемлемыми следует считать режимы, обеспечивающие мгновенную скорость охлаждения металла околошовной зоны при 600 °С не менее 3-5 град/с и не более 30 град/с.
Сталь марок 14Г2АФ(Д), 15Г2АФДпс и 16Г2АФ при соответствующем технико-экономическом обосновании пригодна для конструкций, эксплуатируемых как в обычных условиях, так и для наиболее ответственных конструкций, подвергающихся переменному и динамическому нагружению, в том числе при низкой кли-
1 Все же количество таких нагревов должно бьггь ограниченным и не превышать двух-четырех во избежание появления локальных участков с крупнозернистой микроструктурой.
матической температуре (расчетная температура ниже -40 °С «северное исполнение»). В последнем случае к стали предъявляются требования по ударной вязкости не менее 30 Дж/см при минус 70 °С.
КСи, МДж/м2 а) 1,4
0,4 0,3 0,2
4-20°
-40°
б) 340
320 300 280 260 240 220
о
" 1
о 10 20 30 40 50 60 О 10 20 30
Скорость охлаждения при 600°С, °С/с
40 50 60
Рис.1.7. Влияние скорости охлаждения при сварке на ударную вязкость (а) и максимальную твердость (б) в околошовной зоне сталей 14Г2АФ и 16Г2АФ 1 - сталь содержит 0,14% С, 1,34% Мп, 0,47% Si, 0,14% V, 013% N; 2 - 0,19% С, 1,65% Мп, 0,57% Si, 0,11% V, 0,015% N
Стали указанных марок обычно поставляются металлургическими заводами преимущественно в виде листов толщиной 8-50 мм. Кроме того, освоено изготовление из стали марки 16Г2АФ электросварных труб диаметром 165-426 мм и с толщиной стенки 3-9 мм, а также горячекатаных бесшовных труб диаметром до 426 ММ и толщиной 20-40 мм.
1.6. Закаленно-отпущенные экономно-легированные стали высокой прочности
Для нормализованной высокопрочной стали с феррито-перлигной микроструктурой гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления разрыву не превышают 500 и 650 МПа соответственно. Более высокую прочность при сохранении необходимого уровня свариваемости и хладостойкости удается получить, подвергая сталь закалке и отпуску [7]. При этом возможны разнообразные вариации химического состава. Однако наиболее эффективными и здесь оказываются стали с карбонитридным упрочнением [30]. Сущность карбонигридного упрочнения при этом не изменяется. Особенность состоит лишь в том, что измельчение зерна аустенита нерастворившимися при нагреве для закалки дисперсными карбонитридами способствует измельчению микроструктуры продуктов закалки («пакетов» мартенсита и нижнего бейнига), а растворившиеся карбонитриды обеспечивают упрочнение, обусловленное дисперсионным твердением и торможением процессов возврата и рекристаллизации при отпуске.
Следует указать, что путем одной лишь закалки рядовой низколегированной стали типов 14Г2, 16ГС, 14ХГС и других употребляемых в прокате толщин (до 20 ММ включительно) достигается весьма высокое упрочение с пределом текучести Оо,2 750 и временным сопротивлением разрыву Og > 850 МПа при сохранении достаточной пластичности 65 > 12 % и \/>45 %. Однако под действием тепла сварочной дуги такая закаленная сталь разупрочняется на 15-30 %. Разупрочнение, обусловленное высоким отпуском и перекристаллизацией, достигает максимума на участке неполной перекристаллизации вблизи его внешней границы (рис. 1.8). От-
носительная величина разупрочнения и ширина охватываемого им участка тем больше, чем значительнее тепловложение сварки и чем выше упрочнилась сталь при закалке.
Рис.1.8. Распределение твердости в околошовной зоне сварных соединений толщиной 20 мм, закаленной душем низколегированной стали марки 14ХГС при сварке с разным тепловложением
Легирование молибденом, ванадием, а также некоторыми другими элементами, способствуя сохранению высокой прочности в состоянии после закалки и отпуска, позволяет существенно уменьшить степень разупрочнения и ширину разупрочнен-ной зоны (рис. 1.9). Из числа предложенных в России высокопрочных закаленно-
12Г2СМФ
12ГН2МФАЮ
12ХГН2МФАЮ
340 -
320 280 240 280
1 1
16 12 8 4 о о 4 8 12 16 1612 8 4 О О 4 8 12 16 16 12 Расстояние от границы плавления, мм
4 О О 4 8 1216
Рис.1.9. Распределение твердости в околошовной зоне сварных соединений толщиной 20 мм термоулучшенных высокопрочных сталей марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ и 12ХГН2МФБАЮ при автоматической сварке с разным
тепловложением
отпущенных сталей для различных сварных строительных конструкций может бьггь рекомендована сталь марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ, 14Х2ГМР и 12ХГН2МФБАЮ. Химический состав сталей и их гарантируемые механические свойства приведены в табл. 1.22 и 1.23.
