Свойства типичных кремнемарганцовистых строительных сталей

Это позволило наиболее отчетливо проследить влияние кремния на склонность к хрупкому разрушению кремнемарганцовистой стали с низким содержанием углерода.

Ударная вязкость стали 09Г2С находится на достаточно высоком уровне. Для стали 10Г2С1 были получены более низкие результаты. После механического старения ударная вязкость и другие характеристики этих сталей снижаются во всем исследованном температурном интервале. Сталь 10Г2С1 оказалась чувствительнее стали 09Г2С к механическому старению.

Склонность сталей и сварных соединений к хрупкому разрушению при статическом нагружении исследовали растяжением при отрицательных температурах надрезанных Образцов шириной 140 мм. С понижением температуры испытания разрушающее напряжение приближается к пределу текучести стали. Эта тенденция наиболее отчетливо проявляется устали с повышенным содержанием кремния — 10Г2С1.

Установленное при сериальных испытаниях на ударный изгиб различие в склонности к хрупкому разрушению сталей 09Г2С и 10Г2С1 проявилось также и при испытании на статическое растяжение образцов с надрезами и гладких образцов.

Хрупкое разрушение сварных соединений воспроизводили на образцах Шеверницкого. Пластины вырезали из листов толщиной 20 мм. Концентраторами напряжений, необходимыми для получения хрупкого разрушения, являются окончания фланговых швов приваренных накладок. Такие концентраторы, в отличие от надрезов, не ослабляют сечение образцов. С понижением температуры вязкое разрушение сменяется хрупким, которое возникает у фланговых швов и протекает почти без пластической деформации. Относительное сужение при этом резко снижается. Количественным критерием склонности стали к хрупкому разрушению в сварном соединении служит температура перехода. Поэтому по аналогии с оценкой результатов сериальных испытаний на ударный изгиб определили границы интервала переходных температур.

Для стали 09Г2С нижней границей этого интервала является температура -50° С, а для стали 10Г2С1 -20° С. Таким образом, сварные образцы из стали 09Г2С хорошо сопротивляются хрупкому разрушению при статической нагрузке, а из стали 10Г2С1 обладают повышенной склонностью к хрупкому разрушению.

Низкая ударная вязкость стали 10Г2С1 объясняется повышенным содержанием кремния в исследованных плавках. Для подтверждения этого было проведено дополнительное исследование листов толщиной 20 мм из этой стали с различным содержанием кремния, которое изменяли от 0,95 до 1,13%. Полученные результаты подтвердили вывод об отрицательном влиянии повышенного содержания кремния в стали 10Г2С1 на ее ударную вязкость. Высокая ударная вязкость была установлена только при содержании в стали около 1,0% Si. Для стали с более высоким содержанием кремния, как и раньше, были получены неудовлетворительные результаты. Аналогичные результаты были получены при определении границ критического интервала хрупкости и условных порогов хладноломкости.

На основании проведенных исследований основной сталью для производства проката повышенной прочности, используемого в строительных конструкциях, была признана сталь 09Г2С. Прокат из этой стали вошел в утвержденный Госстроем «Сокращенный сортамент металлопроката для применения в строительных сварных конструкциях» как прокат с пределом текучести 325—345 Н/мм². Предпочтение, отданное этой стали, объясняется принятыми для нее более высокими по сравнению с другими марганцовистыми и кремнемарганцовистыми сталями нормативными и расчетными сопротивлениями, удовлетворительными показателями пластичности, хладостойкости и свариваемости.

Однако большие объемы производства и поставок стали 09Г2С по ГОСТ 19281 показали, что доля кондиционного металла по прочностным характеристикам составляет 70-90 %. Это потребовало проведения статистической обработки большого массива экспериментальных данных. Результаты этой обработки были положены в основу создания стали 12Г2С, уверенно обеспечивающей нормы прочностных характеристик проката, поставляемого по двум группам прочности с пределами текучести 325-345 Н/мм² и 355-375 Н/мм². Сталь 12Г2С была введена в ГОСТ 27772.

Ниже приведены результаты изучения свойств в основном горячекатаного проката и сварных соединений стали 12Г2С. Материал исследования: лист толщиной 9-50 мм и фасонный прокат с толщиной полок 4-20 мм. Исследовали плавки с содержанием углерода, марганца и кремния близким к среднему и верхнему уровням химического состава. Предполагали, что такое содержание элементов в стали позволит получить прокат из-нее с пределом текучести не менее 355-375 Н/мм². Практически весь прокат удовлетворял требованиям ГОСТ 27772.

О хладостойкости проката из стали 12Г2С судили по результатам испытаний на ударный изгиб, которые проводили на образцах с U- и F-образными надрезами при температурах от +20° С до —70° С.

Было установлено, что в горячекатаном прокате из стали 12Г2С обеспечиваются гарантии по ударной вязкости при температуре -40° С; гарантии при —70° С, как и у стали 09Г2С, надежно обеспечиваются, лишь после специальных мероприятий: микролегирования, нормализации, термического улучшения и некоторых других видов термической обработки.

Исследованные партии проката из стали 09Г2С и 12Г2С имели высокую ударную вязкость при нормальной температуре после деформационного старения по стандартным режимам, т. е. эти стали практически всегда обеспечивают требования по ударной вязкости после механического старения.

Как показали специально выполненные исследования на сутунке толщиной 20 мм, металлографическим признаком гарантий KCU^-40 ≥34 Дж/см² стали 12Г2С при содержании легирующих элементов на верхнем уровне является размер зерна не более 30 мкм при полосчатости перлита не выше балла 3. Невыполнение требований по ударной вязкости для проката толщиной 10 мм и выше обычно связано с серьезными нарушениями технологии, прежде всего с завышенными температурами конца прокатки, после чего в прокате появляются промежуточные структуры, охрупчивающие материал. В прокате толщиной менее 10 мм KCU^-40 более 39 Дж/см² может быть и при наличии промежуточных структур, как показывают результаты испытаний швеллера производства Белорусского метзавода. После нормализации стали с такими структурами нетрудно получить КСu^-40 не менее 34 Дж/см², а при термическом улучшении KCU^-70 не менее 29 Дж/см². В последнем случае в прокате формируется высокодисперсная феррито-карбидная смесь с глобулированным цементитом.

Гарантии KCU^-70 29 Дж/см² в сталях 12Г2С обеспечиваются при размере зерна не более 15 мкм. Такое зерно получается в горячекатаном прокате небольших толщин (лист толщиной 10 мм производства Кузнецкого меткомбината, уголок 180 х 9 мм производства меткомбината «Азовсталь») или после нормализации (листы толщиной 18-20 мм производства меткомбината «Азовсталь»),
Другие технологические приемы, например микролегирование, могут повысить ударную вязкость проката из стали 12Г2С при отрицательных температурах при измельчении зерна. Эффективное измельчение феррито-перлитной структуры кремнемарганцовистых сталей позволяет увеличить предел текучести на 30-40 Н/мм² при одновременном снижении критических температур примерно на 30° С. Переход с дисперсной феррито-цементитной смеси, например путем термического улучшения, позволяет увеличить предел текучести на 70-100 Н/мм² при снижении температур вязкохрупкого перехода примерно на 50° С.

Неметаллические включения и вредные примеси влияют на сталь 12Г2С так же, как и на сталь 09Г2С. Снижение содержания серы в стали 12Г2С до 0,015% не приводит к повышению ударной вязкости, если в прокате имеются структуры промежуточного типа. Говорить о целесообразности повышения чистоты стали 12Г2С имеет смысл лишь при наличии в про кате достаточно измельченной и равномерной микроструктуры (с диаметром зерна не более 15 мкм). В последнем случае повышение чистоты металла обеспечивает ряд важнейших свойств проката, в первую очередь высокие свойства проката по толщине (z-свойства). Так, после нормализации листов толщиной 20—40 мм из стали 12Г2С с содержанием серы 0,012% относительное сужение Ψ_z было не ниже 15%. Наблюдаемый уровень z-свойств в прокате из стали 12Г2С такой же, как и в прокате из стали 09Г2С. Зависимость этого уровня от содержания в стали кремния (в пределах марочного состава) обнаружить не удалось.

Проведенное исследование свариваемости проката из стали 12Г2С с содержанием химических элементов на верхнем уровне марочного состава позволило оценить допустимость повышения массовой доли углерода на 0,03 % в ней по сравнению со сталью марки 09Г2С. Влияние термического цикла сварки на свойства проката изучали на пластинах размером 300 х 215, толщиной 20 и 14 мм с наплавками. Наплавки выполняли автоматической сваркой под флюсом АН-348А проволокой 08ГА диам. 4 мм на трех режимах тепловложения q/v, кДж/см: 6,3; 18,9; 35,7. Скорость охлаждения и выбранные тепловложения соответствовали сварке с катетами швов соответственно 4-5 мм; 7-8 мм и 10-12 мм. Оценивали изменение микроструктуры в зоне сварного шва, изменение твердости по Виккерсу, ударную вязкость в зоне термического влияния сварки.

Наибольшие значения твердости металла в околошовной зоне наблюдаются при минимальных тепловложениях. Даже в наиболее неблагоприятном случае из рассмотренных распределений твердости разница между основным металлом и ЗТВ незначительна — менее НУ 150. Наблюдаемые максимальные значения твердости (НУ 300) гарантируют от возникновения холодных трещин в сварных соединениях. Исследования показали, что зависимость твердости от тепловложения носит естественный, характер: с повышением тепловложения HV металла околошовной зоны снижается.

Склонность к хрупкому разрушению металла ЗТВ сварки оценивали при испытаниях на ударный изгиб. Образцы, надрез в которых располагается параллельно плоскости проката, вырезали из наиболее хрупких участков ЗТВ: граничной зоны между литым металлом и участком крупного зерна (граница сплавления), а также участка неполной перекристаллизации. Ударная вязкость металла ЗТВ достаточно велика и понижается одновременно с понижением тепловложений, т. е. с увеличением скорости охлаждения.

Снижение ударной вязкости при малых тепловложениях на участке неполной перекристаллизации обусловлено увеличением содержания второй фазы, а на границе сплавления — формированием на участке перегрева структуры мартенсита отпуска вместо структур верхнего бейнита или игольчатого феррита.

В целом металл ЗТВ стали 12Г2С имеет высокое сопротивление хрупким разрушениям. В то же время при сварке проката толщиной около 20 мм швом С катетом 4-5 мм могут возникнуть определенные трудности, как и в стали марки 09Г2С, для которой при данной толщине проката сварка швами с малыми катетами не рекомендуется. В этом случае сталь 12Г2С является полным аналогом стали 09Г2С.

Стойкость сварных соединений против хрупких разрушений оценивали при испытании крупных образцов Кинцеля натурных толщин в интервале температур от -70 до +20° С. При испытании таких образцов действуют все основные факторы, способствующие охрупчиванию соединения: острый надрез, остаточные растягивающие напряжения под наплавленным валиком, неблагоприятные влияния сварочных циклов на структуру, масштабный фактор, отрицательная температура. Основным критерием оценки хрупкости при этих испытаниях является критическая температура Ту, при которой относительное сужение образца у дна надреза Ψ ≥ 1 %, т. е. температура нулевой пластичности. Кроме того, определяли температуру перехода в хрупкое состояние по условиям: разрушающее напряжение σ_p < σ_T, Т_кр⁵⁰ и т.п. Прочность при хрупком разрушении сварных соединений из стали 12Г2С достаточно высока и не уступает стали 09Г2С.

Резюмируя полученные результаты, можно констатировать, что из стали 12Г2С можно изготавливать прокат классов прочности С 345 и С 375. Можно специально отметить, что рассматриваемая сталь сваривается достаточно хорошо. Полученные результаты послужили основанием для включения в ГОСТ 27772-88 сталей С 345 и С 375, соответствующих стали 12Г2С.

Таким образом, представляется рациональным следующий химический состав крем немарганцовистых сталей: 0,15 % С, 1,5 % Mn, 0,8% Si, т.е.; Mn : Si = 2 : 1.

Аналогичные зарубежные стали поставляются по европейскому стандарту DIN EN 10025 (немецкая редакция EN 10025). Для проката толщиной до 40 мм применяется сталь с пределом текучести 345-355 Н/мм² в зависимости от толщины: при толщине 16 мм и менее σ_T = 355 Н/мм²; более 16 мм и до 40 мм сгт = 345 Н/мм² — глубоко раскисленная (по отечественной терминологии — микролегированная), обозначаемая S 355. Сталь S355 практически является аналогом стали 17Г1С по ГОСТ 19281-89. Несколько большее допустимое содержание углерода в зарубежных сталях для строительных конструкций, по-видимому, объясняется более качественными сварочными материалами, применяемыми в передовых странах. Очевидно в зарубежных сталях этого типа содержание углерода не имеет столь большого значения, как в отечественных, так в сталях S355 в прокате толщиной свыше 40 мм допускаемое содержание углерода составляет 0,24%, что в отечественных сталях в подавляющем большинстве исключено.