Сталь поставляют в двух состояниях — после нормализации и после термического улучшения. Структура нормализованного проката — мелкозернистая — феррито-перлитная смесь с зерном размером 15 мкм, улучшенного — бейнитная. Такие структуры служат надежной основой для обеспечения хладостойкости проката.
У сталей обычного качества, упрочненных по рациональным режимам, выполняются требования по ударной вязкости, предусмотренные ГОСТ 27772. Следует отметить, что даже у сталей, упрочненных по нерациональным режимам и имеющих низкое сопротивление хрупким разрушениям. Эти результаты подтверждают, что такие нормы, вполне достаточные для сталей повышенной прочности, являются недостаточными для сталей высокой прочности.
Испытания проката вели на образцах натурных толщин. Для определения вязкости разрушения проката толщиной 30 и 50 мм испытывали на внецентренное растяжение компактные образцы. С повышением толщины проката трещиностойкость, естественно, падает из-за затрудненного развития пластических деформаций (сравнить толщины 30 и 50 мм).
Аналогичные результаты получены при определении динамической вязкости разрушения при испытаниях на ударный изгиб образцов 55 х 10 х 10 мм с боковыми канавками и концентратором напряжений в виде усталостной трещины. Разрушающая нагрузка определялась по записанной на осциллографе диаграмме разрушения.
При оценке свариваемости рассматриваемых сталей установлено, что их склонность к образованию холодных трещин прежде всего зависит от химического состава стали; при углеродном эквиваленте Сэ > 0,46 не исключена опасность образования в сварных швах холодных трещин, чистота стали по сере в данном случае не имеет большого значения. Оценка по результатам испытаний крестовой пробы склонности сварных соединений к образованию холодных трещин в зависимости от катета шва, Сэ и толщины свариваемых элементов показала, что у стали рассматриваемого типа максимальная твердость по Виккерсу равна НУ 400 при Сэ = 0,41.
Прокат из стали 14Г2АФ, особенно повышенной чистоты по вредным примесям, может удовлетворять самым высоким требованиям. Вместе с тем в настоящее время эту сталь обычно не применяют в прокате толщиной свыше 20 мм из-за имевших место случаев образования трещин в сварных соединениях при изготовлении конструкций на заводах металлических конструкций и монтажных площадках. Прежде всего это происходит из-за отрицательной влияния свободного азота (как горофильного элемента) на сопротивление хрупким разрушениям в ЗТВ. Подобная сталь известна в Германии как сталь Union 45.
Изучали возможность достижения высокой прочности и хладостойкости толстолистового проката из микролегированной многокомпонентной стали типа 10ХСНД с меньшим содержанием никеля (0,3-0,5%) непосредственно после горячей прокатки или нормализации.
Исследовали структуру и механические свойства листов в горячекатаном состоянии, после нормализации и термического улучшения. На растяжение по ГОСТ 1497 испытывали плоские поперечные образцы сечением t х 30 мм (где t — полная толщина проката), на боковых поверхностях образцов сохраняли прокатную корку.
Хладостойкость проката оценивали по результатам испытаний на ударный изгиб поперечных образцов типов 1 и 11 по ГОСТ 9454 с U-и F-образными надрезами в интервале температур от -70° С до комнатной. Определяли энергетические (ударную вязкость KCU и KCV) и деформационные (сужение у дна надреза и характеристики, а также долю волокнистой составляющей в изломе (В).
Поскольку исследованные стали легированы азотом, то испытывали на ударный изгиб образцы с F-образным надрезом также после деформационного старения (равномерная деформация на 10 %, отпуск при 250° С продолжительностью 1 ч).
Помимо перечисленных характеристик определяли свойства нормализованных и термически улучшенных листов толщиной 22 мм в направлении их толщины (z-свойства). Для испытаний на растяжение по ГОСТ 28870 вырезали в направлении нормальной плоскости проката (в z-направлении) цилиндрические образцы с резьбовыми головками диам. 6 мм и длиной 9 мм.
В горячекатаном состоянии исследованные листы имели довольно крупнозернистую феррито-перлитную структуру со слабовыраженной полосчатостью. Размер зерна феррита в листах толщиной 16 мм соответствовал баллу 6 (22 мкм) по ГОСТ 5639, а в листах толщиной 22 мм — баллу 7 (31 мкм, плавка 2) и баллу 6 (45 мкм, плавки 3 и 4). Более крупный размер зерна феррита в листах плавок 3 и 4 обусловлен, в первую очередь, высокой температурой (1020-1030° С) конца прокатки в чистовой клети. Перлит в структуре также располагался крупными колониями: среднее расстояние между цементитными пластинами было приблизительно 0,2 мкм. В структуре горячекатаных листов всех плавок наблюдались отдельные крупные частицы (до 1 мкм) нитридов титана и частицы средних размеров (до 0,2 мкм) карбонитридов титана, ванадия и нитридов алюминия. Дисперсных (10-20 нм) карбонитридных фаз не обнаружено.
В структуре практически отсутствовали также строчечные сульфиды, что можно объяснить высокой чистотой плавок по сере и формированием недеформируемых сульфидов глобулярной формы, модифицированных титаном. После нормализации феррито-перлитная структура в листах значительно измельчалась до балла 11 (8 мкм) в толщине 16 мм и до балла 9-10 (15-10 мкм) в толщине 22 мм. При этом внутри ферритных и отдельных перлитных зерен наблюдались, кроме карбонитридных частиц средних размеров (0,1-0,2 мкм), дисперсные частицы (до 20 нм) карбонитридов ванадия и нитридов алюминия. Такое сильное измельчение зерна после нормализации объясняется известным эффективным действием дисперсных частиц карбонитридных фаз. После термического улучшения прокат приобретает характерную структуру с рекристаллизо-ванным ферритным зерном и слабыми следами игольчатой структуры, образующейся непосредственно после охлаждения проката водой. Как показали результаты испытаний, горячекатаные и нормализованные листы всех плавок соответствуют требованиям ГОСТ 27772 к прокату из стали С390, а термически улучшенные листы плавок 3 и 4 — прокату из стали С440.
Листы от всех плавок в изученных состояниях имели достаточно высокую ударную вязкость после деформационного старения; это свидетельствовало о том, что азот в стали связан в нитриды и карбонитриды.
В соответствии с рекомендациями строительных норм и правил СНиП 11-23-81 «Строительные металлические конструкции. Нормы проектирования», сварку вели швами с минимальным катетом (в этом случае увеличивается возможность подкалки металла ЗТВ). Максимальная твердость в ЗТВ сварных соединений нормализованного проката толщиной 16 мм (плавка 1) и 22 мм (плавка 2) составила НУ 375 и НУ 355 (характеристики угловых швов при сварке соответственно: катет шва 6 и 7 мм, скорость сварки 0,23 и 0,17 см/с, погонная энергия дуги 10,8 и 13,9 кДж/см, скорость охлаждения при 500° С — 75 и 55° С/с). Разница в максимальной твердости объясняется большей скоростью охлаждения при сварке проката толщинрй 16 мм. При сварке листов толщиной 16 мм наблюдалась твердость НУ 375, что достаточно близко к максимально допустимой.
Полученные результаты согласуются с данными анализа микроструктуры околошовного участка ЗТВ, в котором наблюдается максимальная твердость. Действительно, на непосредственно примыкающем к сварному шву участке или участке перегрева с крупным зерном в сталях с нитридами титана и алюминия формируется крупное зерно аустенита. Вследствие этого, при превращении y —α образуется относительно твердый нижний бейнит, возможно с участками мартенсита отпуска. Микролегирование ванадием, как известно, способствует измельчению аустенитного зерна на околошовном участке, что подтверждается металлографическими данными, при этом уменьшается устойчивость аустенита и в металле формируется структура верхнего бейнита с относительно невысокой твердостью (НУ 310—320), т.е. микродобавки ванадия существенно улучшают свариваемость рассматриваемых сталей.
Нормализованный и термически улучшенный листовой прокат из стали С390К исследованных плавок использован при строительстве ответственных несущих сварных конструкций ангаров и некоторых других аэродромных сооружений. Согласно рекомендациям, применение нормализованного или термически улучшенного проката из обсуждаемых сталей по СНиП 11-23-81 допускается в наиболее ответственных сварных конструкциях, которые могут эксплуатироваться при любых климатических температурах вплоть до температуры -65° С без ограничений.
Расчетные сопротивления проката сварных и болтовых соединений принимаются, как в случае стали С390 по ГОСТ 27772: например, расчетные сопротивления по пределу текучести Ry = 380 Н/мм2, по временному сопротивлению Ru = 530 Н/мм2. При изготовлении конструкций можно использовать ту же технологию и те же материалы при сварке проката, что и для проката из сталей С390 и С440 по ГОСТ 27772.
В современных сталях со свойствами С390 прежде всего обращают внимание на устранение азота из твердого раствора по следующим причинам.
Положительное влияние азота связывали с возможностью получения дисперсной фазы нитридов ванадия. Эта фаза при нормализации обеспечивает измельчение зерна при аустенитизации и усиливает упрочнение стали при выделении дисперсных частиц в процессе остывания металла на воздухе. Близко по механизму действие азота и в термически улучшенных сталях, с той лишь разницей, что выделение дисперсной фазы происходит при высокотемпературном отпуске проката. Отказ от этой идеи в практике производства стали происходит по следующей основной причине. Процесс формирования и выделения дисперсных нитридов является термодинамически неравновесным, поэтому в твердом растворе сохраняется относительно высокое содержание азота. Азот в твердом растворе снижает пластичность и сопротивление хрупким разрушениям, скапливаясь на плоскостях (100), способствует образованию промежуточных хрупких структур и росту зерна в околошовной зоне, что увеличивает склонность к образованию холодных и ламеллярных трещин.
Видно, что данный прокат отвечает самым высоким требованиям, предъявляемым к стали С390.
