занным группам соответствуют определенные марки стали и категории качества, предусмотренные стандартами на сталь. Так, по ГОСТ 27772-88* группе I соответ­ ствует сталь С235, группе II - стали С255 и С285, стали С345 и С375 категории 1 и 3, сталь С590, группе III - стали С345 и С375 категории 2 и 4, сталь С590К.

Все температуры испытаний в табл. 1.4 (как и в ГОСТ 27772-88*) указаны для условий определения ударной вязкости KCU на стандартных образцах с полукруг­ лым надрезом (радиус 1 мм) типа I по ГОСТ 9454-78*, вырезаемых из листов и широкой полосы в направлении поперек направления прокатки, а из фасонных профилей и сортовой стали - вдоль направления прокатки. Вместе с тем в послед­ нее время остро ставится вопрос о переходе при аттестации стали к более жестким условиям определения ударной вязкости KCV на образцах с острым треугольным надрезом (радиус 0,25 мм) типа II по ГОСТ 9454-78*. Использование этих образ­ цов соответствует международной практике.

Согласно имеющимся методическим исследованиям, единый переход от норм KCU к нормам KCV, общий для всех металлоизделий, отсутствует и необходимо учитывать индивидуальные особенности, включающие в себя как вид металлопро­ ката, так и качество стали. Все же общим для такого перехода является необходи­ мость повышения температуры испытания, которая для металлопроката строитель­ ной стали эквивалентной хладостойкости при прочих равных условиях (то же на­ правление вырезки образцов, та же метрологически обоснованная величина удар­ ной вязкости 0,3 мДж/м2) составляет примерно 40 °С. Таким образом нормам KCU, при минус 40 °С и минус 70 °С будут близко соответствовать нормы KCV при 0 °С и минус 30 °С.

Под влиянием колебания содержания элементов в интервале марочного соста­ ва, неоднородности слитка и условий прокатки прочностные характеристики стали каждой марки варьируются в широких пределах. Стремление более полно исполь­ зовать фактическую прочность проката в конструкциях привело к идее селектив­ ного разделения на металлургических заводах всей совокупности металлопродук­ ции данной марки на отдельные группы прочности, отличающиеся гарантируемы­ ми значениями предела текучести и временного сопротивления разрыву.

В нашей стране такое разделение на группы прочности осуществлено для строительных углеродистых и низколегированных марок стали первого, второго и третьего классов прочности [26] и нашло отражение в ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 27772-88*. По этим нормам каждая марка углеродистой и низколегированной ста­ ли разделена на две группы прочности, причем для второй группы гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления на 10-40 МПа выше, чем для первой. Высокая надежность соблюдения норм прочности и пластичности (с вероятностью не ниже 95 %) обеспечивается специальными статистическими про­ цедурами приемки и контроля. Металлопрокат, поставляемый по этим нормам, получил название сталь с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности.

1.3. Сталь углеродистая обыкновенного качества

Прокат из углеродистой стали обыкновенного качества является материалом, наиболее широко применяемым в строительных металлоконструкциях. По имею­ щимся данным [27] относительное количество этого проката составляет около 80 % по массе всего проката, используемого в сварных конструкциях и в ближайшие 10-15 лет может уменьшиться лишь незначительно. Марки и общие технические требования к углеродистым сталям содержатся в ранее действовавшем ГОСТ 38071**, новых действующих ГОСТ 380-88* и ГОСТ 27772-88* и ТУ 14-1-3023-80. Сталь изготовляется горячекатаной: сортовой, фасонной, толстолистовой, тонко­

32

листовой, широкополосной и холоднокатаной - тонколистовой. Из стали изготов­ ляются также трубы, поковки и штамповки, лента, проволока и метизы. Сталь вы­ плавляется, как правило, в мартеновских печах или кислородных конвертерах с различной степенью раскисления, в зависимости от которой она может быть кипящей, спокойной или полуспокойной.

По ГОСТ 380-71* в зависимости от назначения стали разделяются на три груп­ пы (А, Б, В), семь марок ( СтО - Стб) с возрастанием содержания углерода от 0,06- 0,12 - в стали марки Ст1 до 0,38-0,49 % - в стали марки Стб. Поставляются они шести категорий качества - в зависимости от количества гарантируемых характе­ ристик химического состава и механических свойств, трех степеней раскисленности: кипящая, полуспокойная и спокойная (условные обозначения кп, пс и сп). Из них для строительных металлоконструкций согласно строительным нормам и пра­ вилам (СНиП П-23-81*) используются исключительно только стали, поставляемые по группе В марки СтЗ: ВСтЗкп, ВстЗпс, ВСтЗГпс и ВСтЗсп. При этом в целях унификации кипящая сталь используется только категории 2, полуспокойная - только категории 6, спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца - только категории 5; им соответствуют марочные обозначения ВСтЗкп2, ВСтЗпсб, ВСтЗсп5, ВСтЗГпс5 и ВСтЗГсп5.

Для всех этих вариантов нормируемыми показателями являются химический состав, механические свойства при растяжении и изгибе в холодном состоянии. Кроме того, для стали марки ВСтЗпсб нормируется ударная вязкость при плюс 20 °С после механического старения, а для сталей ВСтЗсп5, ВСтЗГпс5 и ВСтЗГсп5 еще и ударная вязкость при минус 20 °С. В табл. 1.5 и 1.6 приведены нормы их химического состава при плавочном контроле и в готовом прокате, а в табл. 1.7 и 1.8 - требования по механическим свойствам.

Таблица 1.5. Химический состав (плавочный анализ ковшовой пробы)

доля мышьяка до 0,15%, фосфора — до 0,05%. 2. При раскислении полуспокойной стали алюминием, титаном или другими раскислителями, не содержащими кремний, а также не­ сколькими раскислителями (ферросилицием и алюминием, феросилицием и титаном и др.) массовая доля кремния в стали допускается менее 0,05%. Раскисление титаном, алюминием и другими раскислителями, не содержащими кремния, указывается в сертификате. 3. Для проката из стали всех степеней раскисления толщиной до 1 2 мм включительно допускается снижение массовой доли марганца до 0,10%. 4. Массовая доля азота в готовом прокате, а также в слитках, блюмсах, слябах, сутунках и заготовках, предназначенных для дальнейшей прокатки из кислородно-конвертерной и мартеновской стали должна бьтгь не более 0,008%. 5. Для кипящей химически закупоренной стали в готовом прокате допускается массовая доля кремния до 0,15%, за исключением случаев, когда сталь предназначена для холодной высадки и вытяжки или штамповки, что должно бьтгь оговорено в заказе.

33

Таблица 1.6. Допускаемые отклонения по химическому составу в готовом прокате углеродистых сталей группы В по ГОСТ 380-71**

П р и м е ч а н и я : 1. Отклонение от нижнего предела массовой доли углерода (см.табл.1.5) не является браковочным признаком. В готовом прокате плюсовые отклонения по углероду от норм, указанных в табл. 1.5, для стали марки ВСтЗ всех степеней раскисленности и для стали марки ВСтЗГ (сп, пс) не допускаются. 2. В готовом прокате стали, выплавленной на базе керченских руд, массовая доля фосфора не должна превышать 0,045% для категории 4—6 и 0,055 —для категории 1—3; серы не более 0,055% для всех категорий.

Таблица 1.7. Механические свойства при растяжении и условия испытания на изгиб проката углеродистых сталей по ГОСТ 380-71**, используемых в сварных строительных металлоконструкциях

согласии заказчика —без ограничения верхнего предела. 2. Для листов универсальной стали всех толщин и фасонной св. 20 мм значение предела текучести допускается на 10 М Па ниже по сравнению с указанным. 3. Для листовой стали толщиной 8—4 мм допускается снижение относительного удлинения на 1% абс. на каждый миллиметр уменьшения толщины. Нормы относительного удлинения для листов толщиной менее 4 мм устанавливаются соответствую­ щими стандартами. 4. Допускается снижение относительного удлинения для листовой, уни­ версальной и фасонной стали всех толщин на 1% абс. 5. Сталь марки СтЗГсп предназначена для листового проката толщиной 21—40 мм группы В категории 4—6.

По ТУ 14-1-3023-80 прокат с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности, изготовляется из углеродистой стали марок ВСтЗкп, ВСтЗпс, ВСтЗсп и ВСтЗГпс всех категорий в соответствии с ГОСТ 380-71**. При этом прокат из стали марок ВСтЗпс, ВСтЗсп и ВСтЗГпс поставляется двух групп прочности с дифференцированными по группам значениями продела

34

текучести и временного сопротивления (табл. 1.9). Прочие требования - по ГОСТ 380-71** и в зависимости от категории стали. В марочном обозначении стали группа прочности указывается цифрой в конце: ВСтЗкп2-1, ВСтЗпсб-I, ВСтЗпсб-2 и т.д.

Таблица 1.8. Ударная вязкость проката углеродистых сталей по ГОСТ 380-71**, используемых в сварных строительных металлоконструкциях

листовой и универсальной стали толщиной 5; 7,5 и 10 мм, прокатанной с отклонением на минусовый допуск, определяют на образцах толщиной, равной толщине стали. 3. Определе­ ние ударной вязкости стали круглого сечения производится с диаметра 1 2 мм, квадратного

— начиная со стороны квадрата 1 1 мм, фасонной стали - с толщин, из которых может бьтгь вырезан образец для испытаний в соответствии с ГОСТ 9454-78*. 4. При испытании стали на ударную вязкость допускается снижение ударной вязкости на одном образце на 1 0 Дж/см2 при плюс 20°С и на 5 Дж/см2 при минус 20°С и после механического старения, при этом среднее значение не должно быть ниже норм, указанных в этой табл.

Таблица 1.9. Механические свойства проката углеродистой стали по ТУ 14-1-3023-80 (с изменениями №6)

35

По ГОСТ 27772-88* требования к прокату углеродистых сталей для строитель­ ных металлоконструкций по-существу повторяют с некоторыми изменениями нормы химического состава и механических свойств, предусмотренными ГОСТ 380-71** и ТУ 14-1-3023-80. Введены новые обозначения марок стали (наименова­ ние стали), отражающие в соответствии с международной практикой уровень га­ рантируемого предела текучести: С235, С245, С255, С275 и С285. Устранены нор­ мы нижнего предела содержания химических элементов. В табл. 1.10-1.12 приведе­ ны требования к прокату углеродистой стали по новому стандарту. В табл. 1.13 ука­ зывается, каким маркам стали по ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 380-71** соответствуют стали по ГОСТ 27772-88*.

Таблица 1.10. Химический состав (плавочный анализ ковшовой пробы) углеродистой стали по ГОСТ 27772-88* для строительных стальных конструкций

П р и м е ч а н и е . В стали марок С245, С275, С255 и С285 допускается увеличение массовой доли марганца до 0,85 %.

36

Таблица 1.11. Механические свойства фасонного проката углеродистых сталей по ГОСТ 27772-88* для строительных стальных конструкций

Таблица 1.12. Механические свойства листового и широкополосного универсального проката по ГОСТ 27772-88* для строительных

стальных конструкций

37

Продолжение табл. 1.12

нения уменьшается на 2 % абс. 2. Нормы ударной вязкости приведены для проката толщи­ ной 5 мм и более. 3. Допускается снижение ударной вязкости на одном образце на 30%. При этом среднее значение результатов испытаний должно быть не ниже норм, приведен­ ных в табл. 1 .1 2 .

Таблица 1.13. Марки стали по ГОСТ 380-71** и ТУ 14-1-3023-80, которым соответствует прокат углеродистой стали по ГОСТ 27772-88*

38

Сварка углеродистой стали с химическим составом по табл. 1.5, 1.6 и 1.10, бла­ годаря умеренному углеродному эквиваленту, обычно не вызывает затруднения и может производиться всеми общепринятыми способами. Однако необходимо учи­ тывать степень раскисленности стали.

Выше отмечалось, что для кипящей углеродистой стали характерна существен­ ная неоднородность в содержании углерода, серы и фосфора как от листа к листу и от профиля к профилю в партии проката, так и по сечению проката в пределах одного листа или профиля. Неоднородность химического состава сопровождается неоднородностью микроструктуры и механических свойств. Кроме того, кипящая сталь характеризуется пониженными показателями прочности и, главное, малым сопротивлением хрупкому разрушению. Вследствие этого кипящая сталь постав­ ляется без гарантии хладостойкости, выражаемой значениями ударной вязкости при отрицательной температуре и после механического старения. Поэтому в свар­ ных строительных металлоконструкциях кипящую сталь применяют только в наи­ менее ответственных элементах (связях, прогонах, фахверках), а также в элемен­ тах, испытывающих при эксплуатации преимущественное сжатие, при котором хрупкое разрушение менее вероятно, например в колоннах промышленных и гра­ жданских зданий. Другая возможная область применения кипящих сталей - эле­ менты конструкции из проката малой толщины - менее 5 мм, так как с уменьше­ нием толщины вероятность хрупкого разрушения резко снижается.

Отмечалось также, что важное преимущество спокойной стали заключается в ее однородности. Углерод и вредные примеси - сера и фосфор распределены в ней более равномерно. Прочностные свойства и, что особенно важно, сопротивление хрупкому разрушению в более однородном и мелкозернистом прокате спокойной стали выше, чем в прокате кипящей. Сталь поставляется с гарантированными зна­ чениями ударной вязкости при отрицательной температуре и после механического старения. Трещины при сварке в соединениях спокойной стали обычно не обра­ зуются, так как сера распределяется равномерно. Поэтому выбор электродов для сварки спокойных сталей значительно проще, чем для сварки кипящих сталей: пригодны электроды с рутиловым, руднокислым и фтористокальциевым покрыти­ ем. Менее привлекательной особенностью спокойной стали является ее более вы­ сокая цена, обусловленная дополнительными затратами в металлургическом про­ изводстве.

Спокойная сталь применяется в ответственных элементах сварных металлокон­ струкций, подвергающихся при эксплуатации динамическим и переменным сило­ вым воздействиям (подкрановые балки, элементы мостов и эстакад, балки рабочих площадок металлургических цехов) или находящихся в сложном напряженном со­ стоянии (узловые фасонки стропильных и подстропильных ферм).

Наиболее широко в сварных строительных металлоконструкциях применяется полуспокойная сталь. Выгодно отличаясь от спокойной стали более высокими тех- нико-экономическими показателями, полуспокойная сталь лишь немного уступает ей в однородности химического состава и механических свойств. По сопротивле­ нию хрупкому разрушению и показателям прочности полуспокойная сталь занима­ ет промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. Вместе с том прокат полуспокойной стали поставляется с гарантией ударной вязкости при отри­ цательной температуре и после механического старения.

Уровень механических свойств углеродистых спокойной, полуспокойной и ки­ пящей сталей в различных профилях проката в большой мере определяется тол­ щиной проката: с уменьшением толщины и, следовательно, с увеличением степени

39

обжатия, снижением температуры конца прокатки и повышением скорости охлаж­ дения измельчается зерно феррита горячекатаной стали всех трех степеней раскис­ ления. Это существенно повышает предел текучести и особенно ударную вязкость при отрицательных температурах и после механического старения.

Действующими строительными нормами и правилами СНиП П-23-81* приме­ нение проката углеродистой полуспокойной стали регламентировано для широкой области элементов сварных строительных металлоконструкций (стропильные и подстропильные фермы покрытий, балки и ригели рамных конструкций и др.), эксплуатируемых в обычном диапазоне климатических температур (расчетная тем­ пература не ниже минус 40 °С.)

Еще более высокое качество проката углеродистой полуспокойной стали, не ус­ тупающей по основным показателям качеству проката спокойной стали, удается получить при дополнительном легировании полуспокойной стали марганцем. Производство этих сталей, так же как и углеродистых полуспокойных сталей с обычным содержанием марганца, обеспечивает более высокий (на 8-10 %) выход годного проката из слитков по сравнению с производством спокойных углероди­ стых сталей. Вместе с тем однородность химического состава, размер действитель­ ного зерна, полосчатость микроструктуры, загрязненность неметаллическими включениями в прокате аналогичных профилей полуспокойной стали марки СтЗГпс и спокойной стали марки СтЗсп практически одинаковы. Характеристики прочности, пластичности и сопротивления хрупкому разрушению полуспокойной стали марки СтЗГпс не ниже аналогичных характеристик спокойной стали марки СтЗсп и даже их превышают.

По показателям свариваемости сталь марки ВСтЗГпс мало отличается от спо­ койной стали ВСтЗсп [23, 28], поэтому сварку полуспокойной стали марки ВСтЗГпс следует производить, применяя те же режимы и сварочные материалы, что и для сварки стали марки ВСтЗсп.

Строительными нормами и правилами СНиП П-23-81* применение проката уг­ леродистой полуспокойной стали с повышенным содержанием марганца марки ВСтЗГпс5 предусмотрено в тех же конструкциях и при тех же расчетных темпера­ турах, что и проката углеродистой спокойной стали марки ВСтЗсп5 (соответствую­ щее наименование стали по ГОСТ 27772-88*: С255 и С285).

Значительное повышение предела текучести и временного сопротивления раз­ рыву проката углеродистых сталей, являющееся резервом снижения металлоемко­ сти и стоимости конструкции, при сохранении и даже улучшении других служеб­ ных свойств, может быть достигнуто термическим (термомеханическим) упроч­ нением или контролируемой прокаткой. Более подробно эти возможности рас­ сматриваются в п. 1.6.

1.4. Н изколегированные стали повы ш енной прочности

До сравнительно недавнего времени основным материалом для изготовления строительных металлоконструкций служила «мягкая» углеродистая сталь, которая за длительный период своего существования до настоящего времени почти не пре­ терпела изменений (см.п. 1.3) и по своим механическим характеристикам весьма близка к железу технической чистоты.

Стремление к повышению эффективности металлоконструкций привело к раз­ работке свариваемых низколегированных сталей повышенной прочности. В нашей стране они появились в конце первой половины текущего столетия, первоначально

40

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

В этих обозначениях (кроме ДС и HJI-2) цифры и буквы означают: двухзнач­ ные цифры слева - примерное среднее содержание углерода в сотых долях процен­ та; буквы справа от цифры: Г - марганец, С - кремний, X - хром: Н - никель, Д - медь; используют также буквы М - молибден, Ф - ванадий, Ю - алюминий, В - ниобий, А - азот, П - фосфор, Р - бор; цифры после букв - примерное содержа­ ние соответствующего элемента в целых единицах процентов.

Для получения стали этого вида используют легирующие элементы, упрочняю­ щие в основном твердый раствор, a -железа и в меньшей степени образующие спе­ циальные 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 воз­ можна 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, ко­ торое сдерживается, как указывалось, тремя факторами: ухудшением свариваемо­ сти, снижением сопротивления хрупкому разрушению и экономической эффек­ тивностью (см.п. 1.1).

Ранее отмечалось, что при упрочнении строительной стали для сохранения или повышения сопротивления хрупкому разрушению необходимо одновременное су­ щественное 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 фер­ рита в прокате низколегированной стали большинства марок остается более мел­ ким, 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 ма­ рок. 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 по­ вышения коррозионной стойкости. В этом случае буква Д, означающая медь, вво­ дится 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 бьтгь 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

42

Продолжение табл. 1.15

*Для стали марки 17Г1С-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 рег­ ламентировано 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 ко­ личества производимого в стране штрипса (листовых заготовок для труб) прокат из этих сталей часто предлагается в качестве замены листового проката низколегиро­ ванной 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 низколе­ гированной 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 приме­ нение рекомендовано для строительных металлоконструкций всех видов.

Недостаток этой стали состоит в существенном снижении показателей прочно­ сти - предела текучести и временного сопротивления разрыву с увеличением тол­ щины проката. Эта особенность служит также причиной частого несоответствия указанных характеристик заданным нормам при сдаточных механических испыта­ ниях на металлургических заводах. Для устранения этого недостатка рядом органи­ заций поставщиков и потребителей исследуется возможность корректировки хими­ ческого состава стали путем небольшого увеличения содержания углерода, которо­ му соответствует марочное обозначение 12Г2С.

Это требование всемерной унификации марочного сортамента стали нашло от­ ражение 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, соответ­ ствующим 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 бьтгь не более 0,03%, серы - не более 0,035%.

44

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

45

Сталь изготовляют четырех категорий (1-4) в зависимости от требований по ис­ пытаниям на ударный изгиб. Нормируемые показатели ударной вязкости для про­ ката 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*

П р и м е ч а н и е . Знак «+» 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 атмо­ сферной 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 металло­ конструкций 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 °С, а для стали 9-й и 15-й категорий - при температуре ми­ нус 70 °С. Кроме того, для стали 12-й и 15-й категорий гарантируется еще и удар­ ная вязкость при плюс 20 °С 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 вяз­ кость KCU при минус 40 °С и при плюс 20 °С после механического старения, 2-й категории - при минус 60 °С и при плюс 20 °С после механического старения, 3-й категории - при минус 70 °С и при минус 20 °С 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 °С и остывание на воздухе) или термического улучшения (после нагрева закалка в воде с последующим высоким отпуском при 620-680 °С). Нормализация несколько из­ мельчает микроструктуру и способствует ее большей однородности по сечению. Она применяется обычно для повышения ударной вязкости при низких отрица­ тельных 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

1.5.Вы сокопрочны е стали с карбонитридны м упрочнением

СФЕРРИТО-ПЕРЛИТНОЙ МИКРОСТРУКТУРОЙ

Возможность повышения прочности строительной стали, связанная с измель­ чением ее микроструктуры, появилась в связи с применением на металлургических заводах новых термодеформационных режимов горячей прокатки и освоением термической обработки готового проката. Разработаны три основных способа уп­ рочнения с одновременным измельчением микроструктуры: горячая обработка давлением с большими обжатиями при пониженных температурах - контролируе­ мая прокатка; термическая обработка с ускоренным охлаждением от высоких тем­ ператур - закалка, часто с последующим отпуском; специальное микролегирование в сочетании с термической обработкой - карбонитридное упрочнение. Известны также комбинации этих основных способов.

В нашей стране для производства высокопрочной стали нашли применение все три способа. Однако наибольшее распространение получил способ карбонитридного упрочнения [29, 30]. В этом способе, основанном на введении в сталь не­ больших добавок сильных карбидо- и нитридообразующих элементов с обязатель­ ной термической обработкой, упрочнение за счет образования дисперсных выде­ лений карбонитридов удачно совмещается с сильным измельчением зерна стали, что позволяет при значительном возрастании механической прочности сохранить и даже существенно повысить сопротивление хрупкому разрушению. Способ эконо­ мичен и не ухудшает свариваемости, так как повышение прочности и хладостойко­ сти достигается при весьма ограниченных добавках карбидо- и нитридообразую­ щих элементов, в сумме не превышающих 0,2 % по массе.

Согласно результатам некоторых работ для упрочнения низколегированной феррито-перлитной строительной стали могут быть использованы карбиды и нит­ риды ряда элементов: алюминия, ванадия, ниобия, тантала, берилия, лантана, мо­ либдена и вольфрама. Однако из экономических и технологических соображений в России для этой цели были использованы карбонитриды ванадия и нитриды алю­ миния. При этом небольшие добавки карбидо- и нитридообразующих элементов: ванадия, алюминия и азота вводятся при выплавке в рядовую низколегированную сталь типа 14Г2, содержащую до 1,2-1,7 % марганца.

Готовый прокат подвергают термической обработке - нормализации, вклю­ чающей нагрев до 890-950 °С, при котором в стали формируются дисперсные час­

47

Рис. 1.5. Зависимость предела текучести от величины зерна феррита толстолистовой стали разных марок

1 - СтЗкп; 2 - СтЗпс; 3 - СтЗсп; 4 - 09Г2С и 10Г2С1; 5 - 16Г2АФ из литых слябов НЛМЗ; 6 - 16Г2АФ из катанных слябов КМЗ; 7 - 16Г2АФ производства ОХМК

Рис.1.6. Зависимости температуры хрупкости Тэд от величины зерна феррита толстолистовой стали разных марок

(обозначения те же, что и на рис.1.5.)

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

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

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

2Стали, для которых марка условно обозначена с буквой Д в скобках, по требованию по­ требителя 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 ферриго-перлитных сталей с карбонитридным упрочнением в листовом прокате

14Г2АФ(Д) и 15Г2АФДпс и 780 М Па 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 °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 предусмо­ трена поставка стали трех вариантов с карбонитридным упрочнением с наиме­ нованием 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 ана­ логичных сталей марок 14Г2АФ, 15Г2АФДпс и 16Г2АФ категории 9.

Низколегированную сталь с карбонитридным упрочнением, как и другие вари­ анты стали с феррито-перлитной микроструктурой, можно подвергать горячей вальцовке, штамповке и т.д. При этом температурный режим горячего деформиро­ вания (температура нагрева и скорость охлаждения) должен по-возможности соот­ ветствовать принятому режиму нормализации1 . В этом случае удается совместить горячее деформирование с заключительной термической обработкой. Превышение температуры нагрева, принятой для нормализации, или увеличение скорости охла­ ждения повышает прочность, но снижает пластичность, вязкость и хладостойкость вследствие образования неблагоприятной микроструктуры.

При изготовлении конструкций или в процессе эксплуатации сталь может под­ вергаться длительным или кратковременным нагревам в субкритической темпера­ турной области. Дополнительный отпуск при 550-650 °С в течение 3-5 ч нормали­ зованной стали типа 16Г2АФ практически не влияет ни на прочность, ни на удар­ ную вязкость при комнатной и пониженной температурах. Выдержка до 1000 ч при 400-500 °С также мало влияет на ее механические свойства, что объясняется большой стабильностью феррито-перлитной микроструктуры.

При соответствующем подборе присадочных материалов, флюсов и электрод­ ных 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 око­ лошовной зоне даже при значительных скоростях охлаждения (> 50 °С/с) не пре­ вышает 300 HV и ударная вязкость сохраняется высокой в широком диапазоне ре­ жимов (рис. 1.7) [7]. Увеличение содержания углерода и марганца до уровня, близ­ кого к верхнему пределу марочного состава, усиливает зависимость максимальной твердости и ударной вязкости в околошовной зоне от скорости охлаждения, одна­ ко 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 ме­ талла 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, подвергаю­ щихся переменному и динамическому нагружению, в том числе при низкой кли­

1 Все же количество таких нагревов должно быть ограниченным и не превышать двухчетырех во избежание появления локальных участков с крупнозернистой микроструктурой.

50

матической температуре (расчетная температура ниже -40 °С «северное исполне­ ние»), В последнем случае к стали предъявляются требования по ударной вязкости не менее 30 Дж/см2 при минус 70 °С.

HV

а)

Скорость охлаждения при 600°С, °С/с

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 изготов­ ление 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-отпущ енны е экон ом н о -легированные стали

вы сок ой ПРОЧНОСТИ

Для нормализованной высокопрочной стали с феррито-перлитной микрострук­ турой 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 разнообраз­ ные вариации химического состава. Однако наиболее эффективными и здесь ока­ зываются стали с карбонитридным упрочнением [30]. Сущность карбонитридного упрочнения при этом не изменяется. Особенность состоит лишь в том, что из­ мельчение зерна аустенита нерастворившимися при нагреве для закалки дисперс­ ными карбонитридами способствует измельчению микроструктуры продуктов за­ калки («пакетов» мартенсита и нижнего бейнига), а растворившиеся карбонитриды обеспечивают упрочнение, обусловленное дисперсионным твердением и торможе­ нием 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 о0;2^ 750 и временным сопротивлением разрыву ов > 850 МПа при сохранении дос­ таточной пластичности 65 > 12 % и \|/>45 %. Однако под действием тепла свароч­ ной дуги такая закаленная сталь разупрочняется на 15-30 %. Разупрочнение, обу­ словленное высоким отпуском и перекристаллизацией, достигает максимума на участке неполной перекристаллизации вблизи его внешней границы (рис. 1.8). От­

51

носительная величина разупрочнения и ширина охватываемого им участка тем больше, чем значительнее тепловложение сварки и чем выше упрочнилась сталь при закалке.

400

360

320

280

240

200

160

Расстояние, мм

Рис.1.8. Распределение твердости в околошовной зоне сварных соединений тол­ щиной 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 разупрочненной зоны (рис. 1.9). Из числа предложенных в России высокопрочных закаленно-

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 быть рекомендована сталь марок 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ, 14Х2ГМР и 12ХГН2МФБАЮ. Химический состав сталей и их гарантируемые механические свойства приведены в табл. 1.22 и 1.23.

52

Таблица 1.22. Химический состав высокопрочных закаленно-отпущенных сталей