Технологические и эксплуатационные свойства и опыт применения строительной стали повышенной и высокой прочности

Как известно и многократно подчеркивалось в настоящей монографии, термическое упрочнение стали улучшает ее исходные свойства, повышает <тв и сгт, снижает критическую температуру хладноломкости стали и склонность к старению.

Однако при сварке термически упрочненных сталей сталкиваются с ее разупрочнением, вызванным местным отпуском в результате воздействия термического цикла сварки. Все термически упрочненные стали независимо от их химического состава склонны к разупрочнению, которое оценивается степенью разупрочнения и шириной охватываемого им участка.

В наших работах было показано, что при увеличении толщины проката элементов сварных соединений и увеличении тепловложений при сварке в соответствии с требованиями технологии зона структурных превращений сужается или остается постоянной. Это обстоятельство подтверждает неодинаковое распределение температур при сварке проката большой и малой толщины.

В прокате большой толщины при точечном источнике нагрева распространение тепла может быть описано по схеме полубесконечного тела, а в тонком (толщина 5... 10 мм) — по схеме плоского слоя. Распространение тепла в плоском слое затруднено, поэтому пребывание металла при критических температурах дольше, чем в полубесконечном. Поэтому в ЗТВ пластин малой толщины интенсивность разупрочнения может повышаться.

Склонность к разупрочнению в ЗТВ уменьшается при снижении тепловложений, использовании сопутствующего охлаждения при сварке или специальном легировании стали, например сильными карбонитридо-образующими элементами. Возможность применения такой стали в сварных конструкциях определяется ее способностью сохранять свойства, полученные после термического упрочнения в ЗТВ.

Исследования показали, что кристаллизационные и холодные трещины при сварке на рациональных режимах не образуются, при этом обеспечивается высокая ударная вязкость и равно-прочность сварного соединения и основного металла. Закалочные структуры в ЗТВ не образуются и твердость не превышает НУ 220-250.

Склонность к разупрочнению в ЗТВ сварных соединений оценивали при испытаниях крупномасштабных образцов, сваренных на форсированном режиме и в условиях теплоотвода, близкого к реальному. Измерения твердости ЗТВ проводили послойно. Установлено, что незначительное снижение твердости металла ЗТВ (менее 15%) локализуется на небольших участках глубиной до 1,5-2 мм, расположенных у прокатных поверхностей листа, и не влияет на агрегатную прочность сварных соединений. Испытанные на статический разрыв сварные образцы всегда разрушались по основному металлу вдали от шва при напряжениях, равных пределу прочности металла на растяжение.

Хладостойкость сварных соединений оценивали на крупногабаритных образцах с искусственным надрезом.

Установлено, что стойкость к атмосферной коррозии сварных соединений термоупрочненного проката находится на уровне проката в горячекатаном состоянии из сталей аналогичного химического состава.

Сопротивление усталости сварных соединений исследовали по критерию начальной стадии развития трещин, имеющему предельный уровень остаточных напряжений на образцах толщиной 24 мм с угловыми стыковыми швами. Установлено, что сопротивление усталости практически не зависит от марки стали и предшествующей термообработки основного металла. Сварные соединения термоупрочненной стали СтЗпс по сопротивлению усталости равноценны соединениям стали 09Г2С.

При изготовлении сварных конструкций из обсуждаемых сталей было предложено применять следующие способы сварки и сварочные материалы.

Тепловложения при сварке изменяли от 2,4 до 18,6 кДж/см, что соответствовало практике производства. Тепловложения изменяли, используя различную разделку кромок, разное число слоев сварки, а также разные способы сварки.

Соединения со стыковыми швами испытывали на растяжение. Все соединения разрушались вдали от сварного шва, т. е. швы оказались переупрочненными по всей ширине уголков. Прочность соединений во всех случаях оказались равной прочности основного металла. Более высокая прочность в зоне пера объясняется краевым эффектом закалки, обычным при технологии упрочнения фасонных профилей методом прерванной закалки.

Наконец, при дюрометрическом анализе околошовной зоны установлено, что максимальная твердость в ЗТВ не превышает НУ 320, что исключает появление при сварке холодных трещин. Таким образом, рассматриваемые упрочненные в потоке стана стали хорошо свариваются и не разупрочняются при сварке.

Необычно высокая агрегатная прочность, наблюдаемая неразупрочняемость рассматриваемого проката обусловлены, прежде всего, многослойной структурой, приводящей к образованию неразвитой мягкой прослойки специфической формы. А внешний твердый слой проката оказывает защитное влияние на агрегатную прочность стыковых сварных соединений.

Подтверждением сказанному могут служить результаты оценки агрегатной прочности соединений, выполненных контактной стыковой сваркой оплавлением. Как известно, такая сварка, применяемая для удлинения стержней, сопряжена со значительным разогревом свариваемых кромок и соответственно более существенным разупрочнением околошовной зоны. Однако при контактной стыковой сварке уголков с толщиной полок 12 мм и ат — 400 Н/мм² на «жестких» режимах, характеризуемых максимальным сварочным током и минимальной продолжительностью осадки под ним, прочность соединений оказалась на уровне основного металла. И в данном случае расчетные сопротивления соединения можнс принимать равными расчетным сопротивлениям основного металла.

Наиболее распространенные типы сварных соединений в строительных металлоконструкциях — нахлесточные с лобовыми или фланговыми швами. Мягкая прослойка в ЗТВ каждого из этих соединений работает в специфических условиях и определенным образом влияет на прочность соединения.

Аналогичные результаты получили при исследовании прочностных характеристик сварных соединений рулонной стали даже на прокате малой толщины — 5 мм.

Оценку склонности стали к разупрочнению проводили по результатам измерения твердости по Виккерсу (HV) и при испытаниях стыковых сварных соединений на растяжение. Для создания благоприятных условий для разупрочнения, а также для выявления склонности стали к перегреву наплавку и сварку проводили с наиболее высокими тепловложениями, применяемыми при сварке соединений малой толщины в производственных условиях. Результаты дюрометрического исследования не выявили в ЗТВ наличие разупрочненного участка (мягкой прослойки).

С полученными результатами согласуются данные испытаний на растяжение стыковых соединений: разрушение образцов происходило по Основному металлу вдали от ЗТВ при напряжениях, соответствующих временному сопротивлению основного металла.

По трещиностойкости металл околошовной зоны превосходит горячекатаные стали даже низколегированные.

Приведенные результаты показывают, что сварные конструкции изтермически упрочненного проката обладают высокой хладостойкостью, их можно эксплуатировать в северных условиях вплоть до температуры -65° С.

Ниже приведены некоторые результаты изучения хладостойкости деформационно-термически упрочненных рулонных полос толщиной 4—10 мм. Для оценки хладостойкости металла ЗТВ из сварных пластин изготавливали образцы для испытаний на ударный изгиб с U-и V-образными надрезами. Вершины надрезов располагали на выявленных металлографическим и дюрометрическим методами участках ЗТВ: околошовном, неполной перекристаллизации и деформационного старения. Было установлено, что хладостой кость металла ЗТВ практически идентична или мало уступает основному металлу. Кроме того, были образцы, которые при температурах испытаний не разрушались. Тот же результат получен при оценке волокна в изломах ударных образцов.

Анализ микроструктуры ЗТВ подтвердил, что сталь в малой степени склонна к перегреву, так как даже при сварке с повышенными тепловложениями наблюдаются лишь отдельные участки видманштеттова феррита вблизи поверхности проката и у корня шва. Участок неполной перекристаллизации имеет типичную для термически упрочненной стали дисперсную структуру, которая и обеспечивает достаточно высокую хладостой кость металла.

Поскольку одна из перспективных областей применения рассматриваемого проката — гнутосварные профили, важно было оценить сопротивление хрупкому разрушению пластически деформированного проката рассматриваемого вида. С этой целью проводили наплавку на пластину, предварительно растянутую до величины 10% остаточной деформации. Наплавку проводили автоматической сваркой в среде СO₂ проволокой Св-08Г2С диам. 2 мм с погонной энергией, в наибольшей степени способствующей развитию процессов деформационного старения. Дюрометрическим анализом были выявлены участки деформационного старения (нагрев на 250-350° С) и мягкой прослойки (нагрев на 720-920° С). Из пластины вырезали образцы для испытаний на ударный изгиб с надрезами на участках деформационного старения и мягкой прослойки. Результаты испытаний показали, что ударная вязкость на участке мягкой прослойки находится на уровне основного металла, а на участке деформационного старения ударная вязкость остается достаточно высокой, что свидетельствует о том, что рассматриваемый прокат не склонен к деформационному старению.
Проведенными исследованиями установлено, что деформационно-термически упрочненная рулонная полоса 345 Н/мм² из малоуглеродистых сталей типа СтЗсп равноценна аналогичной из низколегированных сталей с гарантиями по ударной вязкости при —70° С. Такой прокат также рекомендуется использовать в несущих металлических конструкциях, в том числе в наиболее ответственных конструкциях, например в многогранных сварных опорах воздушных линий электропередач при расчетных температурах -65° С включительно.

При изготовлении сварных конструкций следует применять те же способы сварки и сварочные материалы, что и при сварке листов из низколегированных сталей повышенной прочности (например марки 09Г2С): ручная дуговая сварка электродами типа Э50А для несущих конструкций; полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа проволокой Св-08Г2С и ПП-АН8; автоматическая сварка под флюсом проволокой Св-10ГА.

Наконец, рассмотрим хладостойкость сварных соединений толстых листов из сталей, упрочненных в условиях стана 3600 «Азовстапи» со свойствами С285, С345 и С375 и гарантиями по ударной вязкости при —70° С. Исследовали листы в толщинах 12-30 мм. Тепловложения при наплавке валиков соответствовали реальным режимам сварки. При минимальных тепловложениях 5,34 кДж/см, например для стыковых швов листов толщиной 16 мм, изучали опасность возникновения хрупких структур закалки, при максимальных 23,7 кДж/см для угловых швов листов 16 мм — опасность развития процессов перегрева. Сварку вели по технологии, принятой при выполнении соединений из сталей повышенной прочности. Так как в рассматриваемых случаях твердость невелика, то появление холодных трещин в зоне сварного шва исключено.

Ударная вязкость металла околошовной зоны весьма высока, особенно при сварке листов из стали С375. Прокат со свойствами С285 в определенной степени склонен к деформационному старению, что объясняется его феррито-перлитной структурой. В прокате же со структурой сорбита (оптимальной) для рассмотренной схемы упрючнения такой склонности не наблюдается.

Оценку сопротивления хрупким разрушениям сварного соединения в целом проводили на специальных образцах типа Кинцеля, имитирующих работу сварных соединений с концентраторами напряжения. Испытания таких образцов натурных толщин позволяют оценить влияние основных факторов, охрупчивающих сварные соединения: неблагоприятное температурное влияние сварочного цикла, остаточные напряжения, неоднородность структуры в соединении, а также воздействие отрицательной температуры.

Наплавку на образцы вели по тем же принципам и режимам, что в случае, рассмотренном выше.