Отечественные низколегированные стали повышенной и высокой прочности

С учетом условий изготовления и эксплуатации конструкций, а также экономических соображений выработалось предпочтительное отношение различных отраслей строительного комплекса к тем или другим маркам стали. Так, изготовители строительных конструкций в основном используют сталь марок 09Г2С и 12Г2С (С345 ГОСТ 27772-88) при нулевом или минусовом отклонении по содержанию углерода в готовом прокате; в мостостроении в основном применяются стали марок 15ХСНД, 10ХСНД, 14Г2АФД с повышенным сопротивлением атмосферной коррозии; в вагоностроении — сталь 09Г2Д; в котлостроении — сталь 16ГС; для трубопроводов большого диаметра — стали 17ГС, 17Г1С и типа 08-12Г2ФБ.

Ниже приводятся основные свойства типичных отечественных низколегированных сталей феррито-перлитного класса, широко применяемых в различных отраслях промышленности и строительстве. В основном представлены результаты исследований, выполненных авторами.

Марганцовистые стали

Марганец является традиционным и наиболее широко используемым элементом в низколегированных сталях. Распространение, которое получили марганецсодержащие низколегированные стали, объясняется весьма благоприятным влиянием марганца на ряд свойств стали. Марганцевые стали являются почти единственным типом стали одинарного легирования.

Сталь марки 09Г2 является одной из наиболее распространенных. Созданная вначале как сталь для судостроения (хорошая свариваемость, высокая пластичность, вязкость и т.д.), она нашла широкое применение в ряде других отраслей, в первую очередь в вагоностроении. Из стали 09Г2 изготавливают листовой и профильный прокат в широком диапазоне толщин с пределом текучести σ_Т > 300 Н/мм².

Сталь 09Г2 выплавляют как в мартеновских печах различного тоннажа, так и в конвертерах. Низкое содержание углерода при высоком содержании марганца вызывает необходимость при легировании стали использовать в основном силикомарганец, вводя его в ковш. Наиболее распространенный метод раскисления и легирования этой стали заключается в предварительном раскислении металла в печи доменным ферромарганцем (6-8 кг/т) и вводе в ковш под струю необходимого по расчету количества силикомарганца (22-25 кг/т). Сталь в ковше раскисляют алюминием (0,7-0,8 кг/т) и ферротитаном из расчета ввода в металл (без учета угара) 0,04 % Ti. Наряду с этим практикой отдельных заводов установлено, что стали типа 09Г2 можно выпускать без предварительного раскисления металла в печи, вводя все ферросплавы в ковш.

При вводе в печь сравнительно небольшого количества ферромарганца ванна энергично закипает, и весь углерод, содержащийся в ферромарганце, за период раскисления и выпуска плавки окисляется. Температура металла при этом интенсивно повышается. Такая добавка также благоприятно влияет на степень десульфурации металла.

Значительное влияние на свойства листовой стали 09Г2 оказывает толщина листов, с увеличением которой все показатели механических свойств понижаются. Горячекатаные листы толщиной свыше 15 мм, по данным работы, имели значительную отсортировку по механическим свойствам.

Для повышения уровня механических свойств листов толщиной 15-20 мм приходится прибегать к нормализации. Нормализация (930° С, темп нагрева 2 мин/мм, охлаждение на рольганге) позволила значительно повысить механические свойства таких листов благодаря измельчению зерна и большей однородности структуры.

Были проведены сравнительные исследования сталей 09Г2 (лист 11 мм) и 14Г2 (лист 12 мм). Закалка с последующим отпуском стали 09Г2 позволяет заметно повысить характеристики значительном повышении в то же время и ударной вязкости.

Сталь 09Г2 относительно малочувствительна к концентрации напряжений и механическому старение.

Нормализация оказывает положительное влияние на ударную вязкость стали 09Г2 после деформационного старения. Исследование влияния температуры нормализации на хладостойкость и механические свойства стали 09Г2 показало, что максимальные значения KCU+2° получаются при температуре нормализации 925-950° С.

Одним из основных преимуществ стали 09Г2 является ее хорошая свариваемость. Низкое содержание углерода обеспечивает малую вероятность возникновения трещин в зоне термического влияния сварки. Сварные соединения стали 09Г2, выполненные автоматической сваркой, характеризуются высокой ударной вязкостью.

Микроструктура стали 09Г2 в горячекатаном состоянии состоит из феррита и тон ко пластинчато го перлита. Размер действительного зерна оценивается баллом 6-8.

В настоящее время объемы применения стали 09Г2 сокращаются из-за относительно невысокой ее прочности и дефицитности марганца.

Сталь 14Г2 характеризуется более высоким содержанием углерода при более низком содержании марганца, чем сталь 09Г2. Этим обусловливается лучшая ее технологичность при выплавке — возможность начинать раскисление при несколько более высоком содержании углерода и применять доменный ферромарганец наряду с силикомарганцем. Как правило, предварительное раскисление и легирование стали 14Г2 марганцем производят в печи ферромарганцем и силикомарганцем приблизительно в отношении 1:1. Дополнительное раскисление стали в ковше производят алюминием (0,5-0,6 кг/т) и феррогитаном (0,025-0,03 % Ti). Уровень прочности стали 14Г2 выше, чем стали 09Г2 (на 30-40 Н/мм²), при несколько более низкой пластичности и вязкости. Сталь 14Г2 относится к хорошо свариваемым сталям. Она является одной из самых дешевых и несложных в производстве низколегированных сталей.

С увеличением толщины листа и особенно универсальной полосы существенно снижаются характеристики прочности и пластичности. В связи с этим содержание отдельных элементов строго регламентируется в зависимости от толщины проката; принимают и технологические меры (например, обдув полосы, дополнительное раскисление стали титаном, силикокальцием и т.д.). Влияние толщины на ударную вязкость сказывается в несколько меньшей степени.

Нормализованные листы из стали 14Г2 обладают высокой пластичностью и вязкостью, в том числе после механического старения.

В работе определяли склонность стали к хрупкому разрушению по виду диаграмм статического изгиба образцов с полукруглым надрезом. Наибольшую сопротивляемость развитию трещин и хрупкому разрушению в интервале температур от +20 до —70° С из исследованных в работе сталей имеет сталь 09Г2, а наименьшую — сталь 14Г2 (с 0,20% С). Термическое улучшение стали 14Г2 дает возможность заметно повысить характеристики прочности этой стали. Сталь после улучшения также обладает пониженной склонностью к хладноломкости и меньшей чувствительностью к старению.

Исследуя свариваемость стали 14Г2, установили, что она чувствительна к термическому циклу сварки. Однако соответствующим подбором режима сварки можно заметно повысить свойства основного металла в околошовной зоне. Сварные соединения обладают хорошей деформационной способностью и практически обеспечивают равнопроч-ность сварного шва и основного металла. Сварные швы на стали 14Г2, а также на стали 09Г2 обладают высокой стойкостью против образования кристаллизационных трещин.

Сталь 14Г2 по всем основным показателям должна быть отнесена к удовлетворительно сваривающимся. Необходимым условием хорошей свариваемости стали 14Г2 является правильная методика ее раскисления.

Как указывается в работе, по основным показателям свариваемости сталь 14Г2 равноценна стали 15ХСНД. Наилучшее сочетание свойств сварных соединений стали 14Г2 обеспечивается при использовании электродов типа Э50А.

В связи с относительно низкой прочностью и дефицитностью марганца сталь 14Г2 в настоящее время применяется ограниченно.