Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

4.ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

Кклассу высокопрочных сталей относятся низколегированные бейнитно-мартенситные и среднелегированные стали мартен- ситно-бейнитные с содержанием углерода от 0,12 до 0,45 %. Для большинства этих сталей характерно комплексное легирование (содержание легирующих элементов от 2,5 до 10 %), позволяющее получить стали с более высокими механическими свойствами. Необходимый комплекс служебных и технологических свойств

сталей с пределом текучести σ0,2 = 580…2000 МПа обеспечивается определенным легированием в сочетании с термической обработкой. Структура сталей формируется в процессе мартенситного и бейнитного превращений. Марки этих сталей изготавливают

восновном по техническим условиям.

Вданных сталях сочетаются высокие прочностные и пластические свойства с высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние. Это и определяет их широкое применение для конструкций, работающих при ударных и знакопеременных нагрузках, при низких и высоких температурах, при высоких давлениях, в агрессивных средах и т.п.

Высокопрочные стали применяются также для создания облегченных сварных конструкций. Однако не все эти стали имеют хорошую или удовлетворительную свариваемость: чем больше содержание легирующих элементов в стали, включая углерод, тем хуже свариваемость. Это связано с увеличением вероятности обра-

зования хрупкой структуры мартенсита в сварном соединении в результате термических циклов сварки.

Как правило, при содержании углерода более 0,3 % повышается склонность стали к перегреву, закалке, образованию холодных и горячих трещин в сварном соединении и образованию пор в сварном шве. Для предупреждения этих явлений необходимы усложняющие технологический процесс специальные приемы, поэтому

71

в ряде случаев при выборе марки высокопрочной стали для изготовления сварных конструкций более целесообразно выбрать менее прочную сталь, с меньшим содержанием углерода, но более технологичную при сварке, с учетом надежности и долговечности сварного соединения.

Все марки высокопрочных сталей можно разделить на три основные группы: низколегированные бейнитно-мартенситные стали, среднелегированные мартенситно-бейнитные стали и низкоуглеродистые мартенситные стали.

4.1. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ БЕЙНИТНО-МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ

4.1.1.Состав и свойства сталей

Книзколегированным бейнитно-мартенситным относят ста-

ли, имеющие предел текучести σ0,2 = 580…780 МПа. Данные стали выплавляют мартеновским, кислородно-конвекторным или индукционным способом. В ряде случаев осуществляется дополнительная обработка жидкого металла синтетическими шлаками, обдувкой аргоном или его электрошлаковый переплав, что позволяет ограничить содержание в стали вредных примесей. Основные марки низкоуглеродистых бейнитно-мартенситных сталей, их химический состав указаны в табл. 4.1.

Оптимальные механические свойства и достаточно высокая стойкость против хрупкого разрушения при отрицательных температурах приобретаются после термической обработки: закалки или нормализации и последующего высокого отпуска. Механические свойства сталей приведены в табл. 4.2.

Хорошее сочетание свойств имеют стали, содержащие 0,4–0,6 % молибдена и 0,002–0,006 % бора в сочетании с добавками других ле-

гирующих элементов. При соответствующей термической обработке обеспечивается получение стабильной бейнитной или мартенситной структурывлистовомпрокатедо100 мм. Куказаннымсталямотносятся

72

Таблица 4 . 2 Механические свойства бейнитно-мартенситных сталей

стали марок 13ХГМРБ, 14Х2ГМРБ и др. Для сварных конструкций чаще всего применяются безникелевые стали с содержанием молибдена

0,15–0,5 %, бора 0,002–0,005 %. Например, сталь 12Г2СМФАЮ, обла-

дая высокими прочностными свойствами и достаточной пластичностью, несколькоуступаютстали14Х2ГМРБпохладостойкости.

Эффективно введение в высокопрочную низколегированную сталь небольших количеств азота (0,002–0,03 %) и нитридообразующих элементов – алюминия, ванадия и ниобия. Наличие мелкодисперсных нитридов в стали способствует уменьшению склонности к росту аустенитного зерна при сварке. По механическим свойствам и хладостойкости нитридосодержащие высокопрочные стали превосходят стали такого же химического состава, изготовленные по обычной технологии. На практике хорошо себя зарекомендовала нитридосодержащая высокопрочная сталь марки 12ГН2МФАЮ.

4.1.2. Свариваемость низкоуглеродистых бейнитно-мартенситных сталей

Основными показателями свариваемости низкоуглеродистых бейнитно-мартенситных сталей являются:

–сопротивляемость сварных соединений холодным трещинам;

–сопротивляемостьсварныхсоединенийхрупкомуразрушению;

74

– механические свойства зоны термического влияния, которые связаны с фазовыми превращениями и структурными изменениями в стали при сварке.

На основе этих показателей определяют технологические и конструктивные условия получения сварных соединений, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям к сварной конструкции. Оценку характера структурных превращений в стали при воздействии термического сварочного цикла производят по термокинетическим (анизотермическим) диаграммам непрерывного распада аустенита. Обычно ориентируются по скорости охлаждения в диапазоне температур 600–500 °С (W6/5) и времени охлаждения от 800 до 500 °С.

На рис. 4.1 приведены термокинетические диаграммы для некоторых низкоуглеродистых бейнитно-мартенситных сталей.

Так, например, для стали 14Х2ГМР оптимальным считается диапазон скоростей охлаждения W6/5 = 35…0,5 град/с, когда превращение аустенита происходит в мартенситной и бейнитной областях (рис. 4.1, а). При увеличении скорости охлаждения W6/5 > 18 град/с образуется низкоуглеродистый мартенсит с твердостью HV 3800 МПа. Уменьшение скорости охлаждения приводит к развитию бейнитного превращения, повышению температуры его начала и снижению твердости. При замедленных скоростях охлаждения (W6/5 ≈ 0,8 град/с) повышается температура бейнитного превращения и увеличиваются размеры ферритных игл.

По приведенным термокинетическим диаграммам хорошо видны отличия в фазовых превращениях при термических циклах сварки различных сталей.

Скорость охлаждения (рис. 4.1, в, 4.2) заметно влияет на величину временных напряжений в температурной области фазового γ→α-превращения (см. рис. 4.2). Различие в кинетике структурных превращений приводит также к изменению величины остаточных растягивающих напряжений в образцах. Например, с повышением скорости охлаждения W6/5 в интервале 0,6–50 град/с у стали 14ХГН2МДАФБ они уменьшаются от 240 до 150 МПа.

75

плавленном металле не превышает 3,5–4,0 мл/100г. Более высокая концентрация водорода приводит к снижению сопротивляемости соединений образованию холодных трещин.

Для предотвращения образования холодных трещин при сварке различных сталей рекомендуется скорости охлаждения зоны термического влияния в интервале температур минимальной устойчивости аустенита600–500 °Свыдерживатьв следующихдиапазонах:

1)W6/5 = 13…18 град/с – 14Х2ГМР, 13ХГМРБ, 14ХГ2САФД, 12ГН2МФАЮ;

2)W6/5 = 7…12 град/с – 14ХГНМДАФБРТ и 14ХГН2МДАФБ;

3)W6/5 = 4 … 6 град/с – 12ХГН2МФБДАЮ.

Для предотвращения образования холодных трещин при сварке металла большой толщины рекомендуется предварительный подогрев:

–при толщине более 20 мм до температуры 80–100 °С;

–при толщине более 40 мм до температуры 100–150 °С.

Температуру предварительного подогрева можно снизить до 80–100 °С, если незамедлительно после сварки производить нагрев сварных соединений до температуры в интервале 150–200 °С (отдых). Времянагреваназначаетсяизрасчета1,5–2 минна1 ммтолщины соединения.

При температуре окружающего воздуха менее 0 °С температура предварительного подогрева повышается на 20–50 °С. Подогрев сварных соединений наиболее эффективен, если его осуществлять равномерно по всей длине с двух сторон от разделки кромок на расстоянии не менее 100 мм. В табл. 4.3 и 4.4 приведены рекомендуемые температура предварительного подогрева и погонная энергия сварки сталей 14Х2ГМР и 12ХГН2МФБДАЮ соответственно.

Предварительный подогрев замедляет скорость остывания при температуре ниже 300 °С и способствует более полному удалению водорода из наплавленного металла. При этом возрастает стойкость соединений против образования холодных трещин.

78