МК_Справочник_том_1

в виде многокомпонентных композиций типа марок ДС, НЛ-2, 15ХСНД, 10ХСНД, затем в виде более простых по составу и экономичных кремнемарганцовых сталей марок 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1.

В этих обозначениях (кроме ДС и НЛ-2) цифры и буквы означают: двухзнач- ные цифры слева – примерное среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры: Г – марганец, С – кремний, Х – õðîì: Í – никель, Д – медь; используют также буквы М – молибден, Ф – ванадий, Ю – алюминий, В – ниобий, А – àçîò, Ï – фосфор, Р – бор; цифры после букв – примерное содержание соответствующего элемента в целых единицах процентов.

Для получения стали этого вида используют легирующие элементы, упрочняющие в основном твердый раствор, α-железа и в меньшей степени образующие специальные карбиды или нитриды: кремний, марганец, медь, никель, хром, реже молибден. Прокат из стали поставляется как правило в состоянии непосредственно после горячей прокатки и имеет феррито-перлитную микроструктуру, хотя возможна поставка и в состоянии после термической обработки – нормализации или термического улучшения.

Предел текучести и временное сопротивление в прокате большинства марок низколегированной стали повышенной прочности обычно не превышает 350 и 500 МПа соответственно. Этот уровень обусловлен ограниченностью легирования, которое сдерживается, как указывалось, тремя факторами: ухудшением свариваемости, снижением сопротивления хрупкому разрушению и экономической эффективностью (см.п.1.1).

Ранее отмечалось, что при упрочнении строительной стали для сохранения или повышения сопротивления хрупкому разрушению необходимо одновременное существенное измельчение ее микроструктуры. Величина зерна феррита в прокате горячекатаной низколегированной стали зависит от его толщины. Она минимальна для тонкого проката, остывающего с наибольшей скоростью и возрастает с увели- чением толщины. Все же в широком диапазоне употребляемых толщин зерно феррита в прокате низколегированной стали большинства марок остается более мелким, чем в прокате углеродистой стали. Именно этим обусловлена более значи- тельная хладостойкость низколегированной стали, несмотря на ее повышенную прочность в сравнении с углеродистой.

Экономическая эффективность низколегированной стали зависит от ее оптовой цены, которая повышается с увеличением содержания легирующих элементов, особенно таких дорогих и дефицитных, как никель, медь, молибден.

В табл.1.14 и 1.16 приводится химический состав, а в табл.1.15 – механические свойства по ГОСТ 19282-73* отечественной низколегированной стали девяти марок. Механические свойства приводятся только для листового проката, так как для фасонного проката (ГОСТ 19281-89*) при соответствующей толщине они имеют близкие значения.

Стали, для которых обозначение марки условно дано с буквой Д в скобках, по требованию потребителей могут быть дополнительно легированы медью для повышения коррозионной стойкости. В этом случае буква Д, означающая медь, вводится в марочное обозначение. При отсутствии меди буква Д в марочное обозна- чение не вводится.

Приведенный в табл.1.14 химический состав относится к результатам плавочного контроля (ковшовая проба при разливке стали). Для химического состава в готовом прокате по ГОСТ 19282-73* допускаются отклонения, приведенные в табл.1.16.

41

Таблица 1.14. Химический состав низколегированных сталей повышенной прочности

П р и м е ч а н и я : 1. По требованию потребителя для стали по ГОСТ 19282-73* массовая доля фосфора должна быть не более 0,03%, серы – не более 0,035%, а для стали по ГОСТ 6713-91 – не более 0,025% и 0,03% соответственно. 2. Допускается добавка алюминия и титана из расчета получения массовой доли в прокате алюминия – не более 0,05%, титана – не более 0,03%. 3. Массовая доля остаточного азота в стали не должна превышать 0,008%.

Таблица 1.15. Механические свойства низколегированной стали повышенной прочности

42

Продолжение табл.1.15

*Для стали марки 17Ã1Ñ–У* гарантируется также ударная вязкость KCV при 0°С не менее 39 Дж/см2 и доля волокна в изломе образцов ДВТТ при 0°С не менее 55%.

43

Таблица 1.16. Отклонения по химическому составу в готовом прокате низколегированных сталей по ГОСТ 19282-73*

Собственно для сварных строительных конструкций при проектировании регламентировано использование только стали марок 09Г2(Д), 09Г2С(Д), 14Г2, 10Г2С1(Д), 15ХСНД и 10ХСНД. Сталь марок 17ГС и 17Г1С применяется для электросварных труб нефте- и газопроводного сортамента. Однако из-за большого количества производимого в стране штрипса (листовых заготовок для труб) прокат из этих сталей часто предлагается в качестве замены листового проката низколегированной стали других марок. Применение стали марок 17ГС и 17Г1С в наиболее ответственных конструкциях (подвергающихся динамическому или переменному нагружению, эксплуатируемых при низких расчетных температурах – «северное исполнение» и т.п.) вследствие повышенного содержания углерода и обусловленного этим пониженного сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений, так же как и сталь марки 10Г2С1 из-за высокого содержания кремния, не рекомендуется.

Индустриализация капитального строительства требует всемерной унификации материалов и, в частности, сокращения количества применяемых марок низколегированной стали. Поэтому основным материалом данного класса прочности С345 в связи с оптимальным сочетанием характеристик свариваемости, хладостойкости и технико-экономической эффективности признана сталь марки 09Г2С. Ее применение рекомендовано для строительных металлоконструкций всех видов.

Недостаток этой стали состоит в существенном снижении показателей прочности – предела текучести и временного сопротивления разрыву с увеличением толщины проката. Эта особенность служит также причиной частого несоответствия указанных характеристик заданным нормам при сдаточных механических испытаниях на металлургических заводах. Для устранения этого недостатка рядом организаций поставщиков и потребителей исследуется возможность корректировки хими- ческого состава стали путем небольшого увеличения содержания углерода, которому соответствует марочное обозначение 12Г2С.

Это требование всемерной унификации марочного сортамента стали нашло отражение в новом стандарте на прокат для строительных стальных конструкций ГОСТ 27772-88*, в котором предусмотрены лишь два варианта низколегированной стали повышенной и высокой прочности с химическим составом, соответствующим маркам 09Г2С и 12Г2С. Нормы химического состава и механических свойств для этих сталей, включенных в стандарт с наименованием С345 и С375, приведены в табл.1.17 и 1.18.

Таблица 1.17. Химический состав (плавочный анализ ковшовой пробы) низколегированной стали повышенной прочности по ГОСТ 27772-88*

П р и м е ч а н и я : 1. Допускается добавка алюминия и титана из расчета получения в прокате массовой доли титана 0,01–0,03%. 2. По требованию потребителя массовая доля фосфора должна быть не более 0,03%, серы – не более 0,035%.

44

Таблица 1.18. Механические свойства низколегированной стали повышенной прочности по ГОСТ 27772-88*

Фасонный прокат

45

Сталь изготовляют четырех категорий (1-4) в зависимости от требований по испытаниям на ударный изгиб. Нормируемые показатели ударной вязкости для проката разных категорий приведены в табл.1.19.

Таблица 1.19. Нормируемые показатели ударной вязкости для проката из стали марок С345 и С375 разных категорий по ГОСТ 27772-88*

Ï ð è ì å ÷ à í è å . Çíàê «+» означает, что показатель нормируется, знак «–» не нормируется.

Для элементов металлоконструкций автодорожных и железнодорожных мостов таким основным материалом является низколегированная сталь марки 10ХСНД по ГОСТ 6713-91. Ее применение обусловлено повышенным сопротивлением атмосферной коррозии, связанным с многокомпонентным легированием (подробнее об этом см. п.1.8).

В зависимости от требований по ударной вязкости низколегированные стали по ГОСТ 19282-73* поставляются 15-и категорий, причем для строительных металлоконструкций применяются стали четырех категорий: 6-й, 12-й, 9-й и 15-й. При этом для стали 6-й и 12-й категорий ударная вязкость KCU гарантируется при температуре минус 40 °C, а для стали 9-й и 15-й категорий – при температуре минус 70 °C. Кроме того, для стали 12-й и 15-й категорий гарантируется еще и ударная вязкость при плюс 20 °C после механического старения.

Низколегированные стали по ГОСТ 6713-91 для мостостроения поставляются трех категории: 1–3. При этом для стали 1-й категории гарантируется ударная вязкость KCU при минус 40 °C è ïðè ïëþñ 20 °C после механического старения, 2-й категории – при минус 60 °C è ïðè ïëþñ 20 °C после механического старения, 3-й категории – при минус 70 °C и при минус 20 °C после механического старения. Нормы ударной вязкости при отрицательных температурах и после механического старения приведены в табл.1.15.

Как уже указывалось, подавляющая масса металлопроката низколегированных сталей повышенной прочности поставляется в состоянии непосредственно после горячей прокатки. Однако возможна также поставка части листового проката в состоянии после термической обработки: нормализации (нагрев до 890–950 °C и остывание на воздухе) или термического улучшения (после нагрева закалка в воде с последующим высоким отпуском при 620–680 °C). Нормализация несколько измельчает микроструктуру и способствует ее большей однородности по сечению. Она применяется обычно для повышения ударной вязкости при низких отрицательных температурах. Радикальным средством для достижения этого является термическое улучшение. Листы из стали марок 09Г2(Д) и 10Г2С1(Д) толщиной более 20 мм поставляются в нормализованном или термоулучшенном состояниях, а сталь марки 10ХСНД толщиной более 15 мм – преимущественно в термоулуч- шенном состоянии.

46

В табл.1.20 приводится химический состав, а в табл.1.21 механические свойства по ГОСТ 19282-73* для трех марок отечественной листовой высокопрочной феррито-перлитной стали с карбонитридным упрочнением, используемой в металлоконструкциях.

Таблица 1.20. Химический состав1 феррито-перлитных сталей с карбонитридным упрочнением

1Массовая доля фосфора в стали должна быть не более 0,035%, серы – не более 0,04%; по требованию потребителя массовая доля фосфора должна быть не более 0,03%, серы – не более 0,035%.

2Стали, для которых марка условно обозначена с буквой Д в скобках, по требованию потребителя дополнительно легируются медью; в этом случае буква Д вводится в марочное обозначение.

3В готовом прокате допускаются отклонения по химическому составу, указанные в табл.1.17

48

Таблица 1.21. Механические свойства феррито-перлитных сталей с карбонитридным упрочнением в листовом прокате

П р и м е ч а н и е . По требованию потребителя значения временного сопротивления разрыву не должны превышать 690 МПа для стали марок 14Г2АФ(Д) и 15Г2АФДпс и 780 МПа для стали марки 16Г2АФ(Д).

49

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 °C, а для сталей 9-й и 15-й категорий – при минус 70 °C. 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. При этом температурный режим горячего деформирования (температура нагрева и скорость охлаждения) должен по-возможности соответствовать принятому режиму нормализации1 . В этом случае удается совместить горячее деформирование с заключительной термической обработкой. Превышение температуры нагрева, принятой для нормализации, или увеличение скорости охлаждения повышает прочность, но снижает пластичность, вязкость и хладостойкость вследствие образования неблагоприятной микроструктуры.

При изготовлении конструкций или в процессе эксплуатации сталь может подвергаться длительным или кратковременным нагревам в субкритической температурной области. Дополнительный отпуск при 550–650 °C в течение 3–5 ч нормализованной стали типа 16Г2АФ практически не влияет ни на прочность, ни на ударную вязкость при комнатной и пониженной температурах. Выдержка до 1000 ч при 400–500 °C также мало влияет на ее механические свойства, что объясняется большой стабильностью феррито-перлитной микроструктуры.

При 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. При умеренном содержании углерода и легирующих элементов в стали твердость в околошовной зоне даже при значительных скоростях охлаждения (³ 50 °C/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 механиче- ские свойства достигаются при скорости охлаждения 10–20 град/с. Приемлемыми следует считать режимы, обеспечивающие мгновенную скорость охлаждения металла околошовной зоны при 600 °C не менее 3–5 град/с и не более 30 град/с.

Сталь марок 14Г2АФ(Д), 15Г2АФДпс и 16Г2АФ при соответствующем техникоэкономическом 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 быть ограниченным и не превышать двух- четырех во избежание появления локальных участков с крупнозернистой микроструктурой.

50