книги из ГПНТБ / Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование)

единений из стали СтЗсп. Сваривать сталь 18Гпс можно теми же сварочными материалами и режимами сварки, что и сталь СтЗсп.

Сказанное выше позволяет рекомендовать полуспокойную сталь 18Гпс для применения в сварных металлических конструк­ циях вместо спокойной стали СтЗсп. Это дает возможность уве­ личить выход годного металла из слитка, упрощает технологию изготовления стали и снижает стоимость готового проката (це­ на проката из стали 18Гпс на 2 руб. ниже, чем проката из стали СтЗсп).

Сталь 18Гпс выпускается по ЧМУТУ 1—47—67. По механиче­ ским свойствам сталь соответствует нормам для спокойной стали СтЗсп. Химический состав стали 18Гпс, проц.:

§ 3. Низколегированные стали (повышенной прочности) .

Советская металлургическая промышленность выпускает низ­ колегированные стали по ГОСТ 5058—65 * «Сталь низколегиро­ ванная конструкционная. Марки и общие технические требова­ ния». Кроме указанных в ГОСТе некоторые низколегированные стали находятся, в опытном производстве и выплавляются по раз­ личным техническим указаниям.

Низколегированные стали имеют достаточно высокую проч­ ность, которая обеспечивается введением в сталь легирующих элементов — марганца, кремния, хрома, никеля, ванадия, меди

идр. Указанные стали легко обрабатываются, они характеризу­ ются хорошей пластичностью, малой склонностью к хрупкому разрушению, пониженным порогом хладноломкости, повышенной ударной вязкостью, удовлетворительной свариваемостью. Эти ка­ чества дают возможность использовать низколегированные стали

вразличных несущих металлических конструкциях сооружений

иоборудования.

Наиболее качественные стали получаются на базе довольно сложного комплексного легирования с обязательным условием минимального содержания углерода, отрицательно влияющего на свариваемость стали (обычно углерод содержится в количе­ стве 0,1—0,18%). Такие стали значительно облегчают конструк­ ции и снижают затраты металла. Однако по стоимости они не всегда экономичны.

Низколегированные стали могут выпускаться в термически об­ работанном состоянии (см. главу II).

Так как не все из имеющихся низколегированных сталей в одинаковой мере пригодны для изготовления сварных металли­ ческих конструкций, рассмотрим характеристики и общие ка­ чества наиболее употребительных низколегированных сталей.

20

Т а б л и ц а I. 7

Не менее

П р и м е ч а н и е . 1. Механические свойства сталей, отмеченные звездоч­ кой, относятся к образцам в термоупрочненном состоянии.

2. d, а — соответственно толщина оправки и проката.

Гос. пубя'-’.чная 21

научно-тохн:; -_еокая Сіііспмотсча (V СР

ѲКЗ£Р?ПЛГ.Р

22

плавка стали 09Г2ДТ (с добавлением меди и титана), весьма пригодной для работы в условиях повышенной коррозионной среды.

Сталь 14Г2 (класс С46/33) имеет высокий предел текучести (От=34 кг/мм2) при хорошем относительном удлинении и удов­ летворительной ударной вязкости. Сталь дешева, сваривается удовлетворительно и может быть рекомендована для широкого применения в металлических конструкциях.

вых сталей, по механическим свойствам близка к стали 15ХСНД. Предел текучести в тонких листах составляет 38 кг/мм2; а в ли­ стах толщиной 21—32 м м —-35 кг/'мм2, относительное удлинение 21%. Характерным для этой стали является низкий порог хлад­ ноломкости— 60°С, а также высокое значение ударной вязкости. Поданным [4] при —40°С среднее значение а„ = 7,6 кгм/см2, что, по-видимому, объясняется малым содержанием углерода в стали. Исследования, проведенные в ЦНИИСК им. Кучеренко показали повышение температуры хладноломкости у низколегированных сталей при увеличении в них содержания углерода. Кроме все­ го, сталь 10Г2С1 имеет сравнительно меньшую чувствительность к концентраторам напряжений, хорошую свариваемость, а по­ этому широко используется в сварных металлических конструк­ циях. Вместе с тем при низких температурах за последнее время наблюдались случаи разрушения элементов конструкций из ста­ ли 10Г2СІ. Это говорит о необходимости контрольных испытаний проката в случае его применения в конструкциях, предназначен-, ■і-щіх для работы при отрицательных температурах. При добавле­ нии около 0,30% меди сталь 10Г2СІ становится более стойкой в условиях повышенной коррозии. Вследствие'наличия. меди, прак­ тическое использование" стали 10Г2СД должно быть соответству­ ющим образом обосновано.

Сталь 09Г2С имеет сравнительно высокую прочность — 35 кг/мм2 в листах толщиной 4—10 мм, при увеличении толщин проката прочность ее падает. Поэтому сталь 09Г2С можно от­ нести к различным классам прочности, а именно: при толщине 4—20 мм — к классу С46/33; 21—60— к С44/29 и при 61 — 160 мм к классу С38/23. Как и 09Г2, сталь 09Г2С хорошо рабо­ тает при низких температурах.

Марганцеванадиевая сталь 15ГФ широко применяется в свар­ ных металлических конструкциях, используемых в строительстве, машиностроении, вагоностроении и других отраслях промышлен­ ности. Институт электросварки им. Е. О. Патона, НИИмостов при ЛИИЖТ, Уралвагонозавод установили хорошую сваривае­ мость стали 15ГФ. Она имеет мелкозернистую структуру, повы­ шенный предел текучести и может быть отнесена к классу прочности не ниже С46/33. Фактические механические характе­

23

ристики мартеновской стали 15ГФ, представленные в табл. 1.9, значительно выше гарантируемых ГОСТ 5058—65 *.

Таблица 1.9

Предел выносливости стали 15ГФ выше, чем у сталей 15ХСНД

иСтЗ [8], а это свидетельствует о том, что ее можно применять

вконструкциях, работающих на динамические и вибрационные

нагрузки (табл. I. 10).

Конструкции, подвергающиеся повышенной коррозии, выпол­ няются из стали 15ГФД, представляющей собой сталь 15ГФ, до­ полнительно легированную медью в количестве 0,15—0,30%.

Сталь 15ГФ широко применяется в промышленности. Она была использована в стропильных фермах и подкрановых балках бло-. ка цехов сварных машиностроительных конструкций Уралмаша, в подкрановых балках завода НТКМ им. В. И. Ленина, ів под­ стропильных фермах на Ниже-Исетском заводе металлоконструк­ ций, а также на других предприятиях.

Хромокремненикелемедистые стали. Хромокремненикелемедистую сталь 15ХСНД (НЛ2) начали применять в нашей стране с 1947 г. Она обладает высокими механическими характеристика­ ми и сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогом хладноломкости и хорошей свариваемостью. По своим высоким качествам сталь 15ХСНД является одной из лучших отечествен­ ных низколегированных сталей и применяется в мостостроении,

24

каркасах большепролетных промышленных зданий, гидрострои­ тельстве и подъемшо-транспортном оборудовании. Свойства ее хорошо изучены. Гарантированные пределы текучести и проч­

15ХСНД мелкозерниста, порог хладноломкости ниже — 60°С. Аналогичными свойствами обладает и хромокремненикелеме-

дистая сталь 10ХСНД (СХЛ4), имеющая еще более высокие ме­ ханические характеристики. Предел текучести ее составляет 40 кг/мм2, предел прочности — 54 кг/мм2, относительное удлине­ ние— 19%, класс прочности С52/40. Необходимо подчеркнуть, что указанные механические характеристики для проката тол­ щиной свыше Гб мм гарантируются только в термоупрочненном состоянии.

Составной частью указанных сталей есть никель и медь — ред­ кие и дорогие металлы. В связи.с этим было введено ограниче­ ние на использование сталей 15ХСНД и 10ХСНД для строитель­ ных конструкций * и расширены исследования по замене стали 15ХСНД равнопрочной, но без содержания дефицитных никеля и меди. Вместе с тем для особо ответственных металлических конструкций, к которым, например, могут относиться несущие сварные конструкции крупных экскаваторов, транспортно-от­ вальных мостов и т. д., применение сталей 15ХСНД и 10ХСНД может быть рекомендовано и с выплавкой их не только из руд Орско-Халиловского месторождения.

Кроме упомянутых марок низколегированных сталей, ГОСТ 5058—65 * предусматривает применение в сварных металличе­ ских конструкциях таких сталей, как 14Г, 19Г и 12ГС. Последние по прочности близки к стали СтЗ и их применение в конструкци­ ях мало эффективно.

Сталь 14ХГС (хромансил) в горячекатанном состоянии в свя­ зи е повышенной чувствительностью к старению и большой склон­ ностью к хладноломкости для сварных несущих металлических конструкций рекомендована быть не может. Улучшить характе­ ристики этой стали можно путем термической обработки.

Сталь 14ХГС, предложенная ЦНИИЧМ для труб газопрово­ де®, в основном применяется \в машиностроении в нормализован­ ном состоянии.

2. Новые перспективные марки низколегированных сталей.

Отечественная металлургическая промышленность разработала новые марки низколегированных сталей, выплавляемых по раз­ личным техническим условиям. К их числу в первую очередь следует отнести стали с ванадием: 18Ф, 15Г2СФ, 15ХГ2СФР, 15Г2СМФР. В связи с организацией комплексной переработки

* Если они выплавлены не на базе природно-легированных руд Орско-Ха­ лиловского месторождения.

25

Качканарских руд и возможностью значительного увеличения производства ванадия в Советском Союзе стали, в состав которых входит ванадий, весьма перспективны [9].

Сталь 18Ф имеет повышенную прочность, по химическому со­ ставу она близка к стали СтЗпс. В последней серы п фосфора больше, ванадий отсутствует. По свариваемости сталь 18Ф не

отличается от стали СтЗ. Гарантированные механические свой­ ства в горячекатаном состоянии для листов толщиной 12—25 мм. следующие: предел текучести составляет 34 кг/мм2, предел проч­ ности— 46 кг/мм2, относительное удлинение — 21%, ударная вязкость при —40°С — 3 кгм/см2. После механического старения при +20°С ан= 3 кгм/см2. Для листов толщиной 21—32 мм предел текучести равен 33 кг/мм2. Сталь принадлежит к классу С46/33. Химический состав стали 18Ф, проц.:

Сталь 18Ф обладает низкой чувствительностью к деформацион­ ному старению. Ее предел выносливости, по данным ЦНИИСК им. Кучеренко, аналогичен стали СтЗ.

Зависимость прочностных свойств стали 18Ф от толщины про­ ката, как видно из рис. 1.6, незначительна. Сталь 18Ф поставля­ ется по техническим условиям ЧМТУ 1—20— 66 и в прокате толщиной 12—30 мм рекомендуется к применению в строитель­ стве и машиностроении. Может также поставляться в термо­ упрочненном состоянии. В горячекатаном состоянии она была использована в несущих металлоконструкциях корпуса обогаще­ ния Качканарского ГОК и в строительных конструкциях НТМК им. Ленина, где и освоено ее производство.

Сталь 15Г2СФ принадлежит к феррито-перлитному классу.

26

Разработана Уральским научно-исследовательским институтом черных металлов совместно с Центральным ‘научно-исследова­ тельским институтом строительных конструкции (ЦНИИСК), УралпромстройНИИпроектом и Нижнетагильским металлурги­ ческим комбинатом. В настоящее время она является единствен­ ной сталью класса С52/40, не имеющей в своем составе 'высокодефицитных добавок. В горячекатаном состоянии при толщине до 32 мм, согласно техническим условиям 14—1—64—71, имеет предел текучести 40 кг/мм2, предел прочности — 56 кг/мм2, отно­

ниям. Так, предел выносливости листового проката из этой стали толщиной 32лш составляет *о-і >31,0 кг/мм2, при коэффициенте асимметрии р = 0,14 OO , H = 34,0—36,0 кг/мм2**. Сваривается сталь 15Г2СФ хорошо. При ручной сварке рекомендуются электроды с фторігстокальцневым покрытием и сердечником из электродной проволоки Св-10НМ; автоматической — флюс АН-348А и прово­ лока Св-08ХМФ; при полуавтоматической в среде углекислого газа — проволока С-В-08Г2С и режим сварки, обеспечивающей тепловложения 3400—5500 кал/см. Фактические механические

Сталь -15Г2СФ можно рекомендовать для широкого примене­ ния в сварных металлических конструкциях.

Сталь 15Г2СМФР — сложнолегированная и может поставлять­ ся как в горячекатаином (класс С70/60), так и в термообрабо­ танном (класс С85/75) состоянии. Подробные данные по этой стали приводятся в § 9 главы II.

*Данные УралНИИЧМ.

**Данные УралпромстройНИИпроекта и ЦНИИСКа им. Кучеренко.

27

Г л а в а II

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИИ, ПОСТАВЛЯЕМЫЕ

ВТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОМ СОСТОЯНИИ

§4. Термическое упрочнение — способ повышения прочности строительных сталей

Повышение прочности строительных сталей путем обычного ле­ гирования ограничивается возможностью получения металла с максимальным пределом текучести около 40 кг/мм2. Однако современное развитие и масштабы изготовления сварных метал­ лических конструкций требует нахождения путей создания ста­ лей высокой прочности с пределом текучести 45—90 кг!мм7-. Хо­ рошо свариваемые стали высокой прочности в основном молено получить только путем термической обработки металла. В зару­ бежной практике имеются термически упрочненные строительные стали с пределом текучести до 100—ПО, а также сверхпрочные стали с пределом текучести до 175 кг/мм2. В машиностроении получены опытные стали с пределом прочности 250—350 кг/мм2.

Производство сталей высокой прочности для сварных метал­ лических конструкций в настоящее время сводится к получению металла с измельченной структурой путем термической обработ­ ки при минимальном легировании. Высокопрочный металл изго­ товляют различными путями. Так, низколегированные стали феррито-перлитной структуры существующих марок, обычно по­ ставляемые в горячекатанном состоянии, могут быть термически обработаны на более высокую прочность. Последняя пока огра­ ничивается классом С60/45.

В известных пределах путем термической обработки возможно повысить также прочность малоуглеродистой стали СтЗ. Но хо­ рошо свариваемый металл высокой прочности с пределом теку­ чести 60—90 кг/мм2 можно изготовить только путем специального легирования с соответствующей термической обоработкой. Такие стали обычно обладают бейнитной или мартенситной структурой и требуют дополнительного легирования молибденом, бором, ва­ надием и другими элементами, обеспечивающими прокаливаемость стали в толстых сечениях и необходимые высокие механи­ ческие характеристики после термической обработки.

Термической обработкой проката для получения мелкозерни­ стой структуры может быть закалка в воде и последующий от­ пуск (а также нормализация). Наиболее употребительным явля­ ется высокий отпуск, хотя может быть применен средний и даже низкий отпуск. Таким образом, одну и ту же сталь можно тер­ мически упрочнить на различную прочность за счет изменения

28

температуры отпуска: чем выше отпуск, тем прочность стали будет ниже, но пластические свойства лучше, и чем отпуск ниже, тем прочность стали выше, а пластические свойства хуже.

Наилучшие результаты получаются при высоком отпуске (т. е. при температуре 630—670°С), при котором сталь получает­ ся высокопрочной при достаточных пластических свойствах и удовлетворительном относительном удлинении..Весьма важно по­ лучение высокопрочного металла, не разупрочняемого под тер­ мическим влиянием сварки, что достигается специальным легированием карбидообразующими элементами. Степень разупрочняемости после сварки, у различных термически обработан­ ных сталей разная.

Вцелом термически.обработанный прокат после закалки и вы­ сокого отпуска, кроме достижения весьма высоких прочностных свойств, обладает достаточной пластичностью, удовлетворитель­ ной свариваемостью, весьма низким порогом хладноломкости. Чувствительность такой термически упрочненной стали к хрупко­ му разрушению и старению значительно снижена. Таким образом, соответствующее легирование и термическая обработка дают возможность получить высокопрочный и высококачественный ме­ талл, пригодный для широкого применения в сварных метал­ лических конструкциях [11, 12].

Впоследние годы высокопрочный металл также получают при введении в жидкую сталь азота и нитридообразующих элемен­ тов: алюминия, ванадия, титана, циркония и берилия. В этом случае азот из вредной примеси превращается в легирующий элемент. Такое субмикроскопическое включение нитридов сильно измельчает структуру стали и повышает ее механические свой­ ства. В .нашей стране созданы марки сталей повышенной проч­ ности с нитридным упрочнением, имеющие пределы текучести <тх =404-45 кг/мм2. В Японии применяется нитридное упрочнение при выплавке высокопрочной стали типа Welten-IOON с пре­ делом текучести оу = 90 кг!мм2.

§ 5. Термическое упрочнение углеродистой стали СтЗ

Путем термического упрочнения можно улучшить качество и повысить прочность углеродистой стали СтЗ. В связи с этим рядом авторов и организаций (ЦНИИЧМ, ЦНИИПроектстальконструкция, Днепропетровский институт черной металлургии, ДИСИ и др.) были проведены и в настоящее время продолжают­ ся исследования с целью изучения свойств и свариваемости тер­ мически упрочненной стали СтЗ, а также выбора оптимального режима ее термической обработки [3, 4].

Наиболее оптимальной температурой закалки является 900— 930°С. Для повышения пластических свойств металла после за­ калки необходим отпуск при температуре 500—600°С. Структура СтЗ после закалки феррито-перлитная. Наиболее реальные меха­

29