Низколегированных сталей для строительных конструкций

Термическую обработку сварных соединений из низколегированных сталей для строительных конструкций в ряде случаев проводят не только в целях снятия остаточных сварочных напряжений, но и для устранения последствий влияния сварочного нагрева на фазовое состояние и структуру ЗТВ, а в некоторых случаях и улучшения структуры металла шва.

По тем изменениям структуры и свойств, которые могут происходить в ЗТВ, низколегированные стали можно разделить на три группы:

1 Стали, у которых при сварке в ЗТВ может произойти образование элементов неравновесных структур (бейнита и мартенсита), обусловливающих некоторое упрочнение этих участков и снижение их пластичности, ударной вязкости и хладостойкости.

2 Стали, у которых достигнутый комплекс свойств связан с упрочнением дисперсной фазой (карбидами, нитридами).

3 Стали, у которых свойства определяются очень мелкозернистым строением и наличием дисперсной упрочняющей фазы.

К первой группе относятся стали, легированные 1, 3…1, 8 % Мn, а иногда и до 0, 9 % Сг. Несмотря на низкое содержание углерода (0, 12…0, 18 %), в участках ЗТВ таких сталей, нагревавшихся выше 1000 ⁰С с последующим относительно быстрым охлаждением, в результате теплоотвода в холодный основной металл происходит образование элементов неравновесных структур. Об образовании элементов неравновесных структур свидетельствует более высокая твердость ЗТВ (НВ 220…240) по сравнению с ЗТВ нелегированных сталей (до НВ 180) даже с более высоким содержанием углерода.

К этой группе относятся стали 10Г2, 09Г2С, 09Г2С1, 10ХСНД, 15ХСНД, 17Г1С, 14ХГС и др. Назначение термической обработки сварных соединений (табл. 12) – создание условий для распада элементов неравновесных структур и восстановление свойств в ЗТВ свариваемой стали. Такой обработкой является высокий отпуск, который может быть полезен с той же целью и для металла шва, если он выполнен электродами или проволоками, дающими металл с повышенным содержанием марганца (более 0, 9 %), например УОНИ-13/65, хрома (более 0, 6 %) и молибдена (0, 15 %), например проволока Св-08ХМ, Св-08МХ. В определенной мере необходимость термической обработки сварных соединений рассматриваемых сталей связана с толщиной свариваемого металла, условиями сварки и условиями эксплуатации сварной конструкции – рабочей температурой и наличием сред, способных вызвать коррозионное растрескивание (см. табл. 12).

Таблица 12 – Режимы термической обработки сварных соединений

низколегированных низкоуглеродистых сталей

для сварных строительных конструкций

Комплекс свойств сталей второй группы достигается выделением дисперсной упрочняющей фазы карбидов или карбонитридов. К этой группе относятся стали 15Г2АФ, 17Г2САФ, 12Г2ФАЮ и др. Дисперсная упрочняющая карбидонитридная фаза, обусловливающая повышение прочности в результате влияния на ограничение роста зерна, приводит также к повышению вязкости и хладостойкости.

Высокий комплекс свойств сталей третьей группы – малоперлитных и бейнитных (и те и другие – с регулируемой прокаткой) достигается за счет эффекта термомеханического упрочнения, обеспечивающего очень мелкозернистую структуру, и эффекта упрочнения дисперсной карбидной, а возможно, и интерметаллидной фазой.

В ЗТВ всех этих сталей должны происходить укрупнение зерна и коагуляция, а вблизи шва – и растворение упрочняющей фазы. Такие изменения строения в фазовом состоянии сопровождаются изменением свойств – снижением прочности и ударной вязкости ЗТВ. Однако изменение свойств ЗТВ этих сталей при сварке можно свести к минимуму, снижая погонную энергию и увеличивая скорость охлаждения после сварки. Дело в том, что кратковременный нагрев при сварке сталей третьей группы не приводит к существенному растворению упрочняющей фазы, содержащей ванадий, ниобий и молибден (стойких карбидов или карбонитридов), или к их коагуляции.

Сохраняющаяся дисперсная фаза препятствует росту зерна в участках нагрева ЗТВ. Термическая обработка сварных соединений сталей этой группы не производится. Некоторое улучшение свойств сварных соединений, и то только сталей 15Г2АФ, 17Г2САФ, 12Г2АФЮ, может быть достигнуто при нормализации, но только для всего изделия. При локальном нагреве зоны сварного соединения может произойти существенное ухудшение свойств в участках перехода от нагретой зоны к холодному металлу за счет коагуляции карбидной фазы при длительном нагреве в процессе нормализации.

Для сталей типа 15Г2АФ имеет смысл проводить локальный высокий отпуск при температуре 500 ⁰С, так как в ЗТВ этих сталей могут образовываться элементы неравновесных структур. Температура отпуска должна быть ограничена указанным значением, потому что при более высоком нагреве может произойти коагуляция дисперсной упрочняющей фазы.

Для повышения эффективности использования металла применяют некоторые низколегированные строительные стали в термически улучшенном состоянии – после закалки и высокого отпуска.

Это позволяет примерно на 15 % повысить прочность стали и, соответственно, уменьшить металлоемкость конструкций. Такой обработке подвергают стали 17Г1С, 16ГС, 30ХГСА, 30ХГСНА и др. При сварке этих сталей нагрев металла в околошовной зоне приводит к разупрочнению участка, подвергавшегося нагреву выше температуры 550 ⁰С. Послесварочной термической обработкой, восстанавливающей свойства ЗТВ таких сварных соединений, может быть только полная термическая обработка – закалка с высоким отпуском. Режим должен быть аналогичен режиму ранее проводившейся термической обработки свариваемой стали. Высокий отпуск сварных соединений в рассматриваемом случае не может привести к восстановлению свойств разупрочненного участка ЗТВ. Высокий отпуск сварных соединений термоупрочненных сталей может быть целесообразен только в целях снижения уровня остаточных напряжений (например, при сварке изделий большой толщины) и распада неравновесных структур в участке ЗТВ, нагревавшемся при сварке выше 900 ⁰С (особенно при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов: 30ХГСНА, 30ХГСА, 20ХГСА и др.). Температура высокого отпуска сварных соединений не должна быть выше температуры отпуска при термической обработке свариваемой стали.

При сварке термоулучшенных сталей большое значение имеет скорость сварки. Размер разупрочненного участка будет уменьшаться с увеличением скорости сварки. При этом, в зависимости от свойств свариваемой стали и сечения свариваемого изделия, размеры разупрочненного участка меньше определенной величины не будут приводить к понижению прочности сварного соединения вследствие эффекта контактного упрочнения прилежащими участками металла с повышенной прочностью.

Существенное влияние на уменьшение размеров зоны и степени разупрочнения может оказать регулирование термического цикла сварки за счет сопутствующего охлаждения.