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

Исследования института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР показали, что выплавленная опытная сталь 18Г2АФпс весьма стойка против зарождения хрупких трещин и по сопро­ тивляемости распространению их равноценна стали марки 09Г2С. Свариваемость стали 18Г2АФпс удовлетворительна.

В целом ее -можно отнести к перспективным для широкого применения в сварных металлических конструкциях.

Следующая группа сталей с нитридным упрочнением не вошла в число рекомендованных СНиП П-В. 3—72 для применения в металлических конструкциях. Однако некоторые марки уже были использованы в конструкциях, а некоторые запланированы для применения, а поэтому и представляют практический интерес.

Сталь 15Г2АФ разработана Уральским институтом черных ме­ таллов, обладает механическими характеристиками, аналогич­ ными стали 16Г2АФ (класса С60/45). Производство ее освоено Нижнетагильским металлургическим заводом, где к 1970 г. было выплавлено более 4000 т. Из стали 15Г2АФ изготовлены трубы диаметром 1020 мм для газопроводов. После нормализации ме­ ханические свойства листового проката толщиной до 20 мм сле­

15Г2АФДпс является новой, она намечена к применению на Се­ верном мостовом переходе через реку Днепр в Киеве (см. § 23) и в дальнейшем может представлять практический интерес. Сталь относится к классу прочности С52/40 и выпускается в соответ­ ствии с ТУ 14—1—91—71. Химический состав стали 15Г2АФДпо по ковшевой пробе должен соответствовать нормам, указанным в табл. II. 7.

Сталь выпускается в нормализованном состоянии и после тер­ мообработки должна обладать следующими механическими свой­

Сталь 15Г2АФДпс должна допускать изгиб в холодном состо­ янии на 180° при оправке, равной двум толщинам листового про­ ката, без видимых трещин и надрывов.

Сталь 18Г2АФ предложенаЦНИИЧерметом и' может выплав­ ляться по техническим условиям ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1235—69. От­ носится к классу прочности С60/45 и обладает техническими свой­ ствами, аналогичными сталям 16Г2АФ и 15Г2АФ.

Стали 16Г2АТ и 16Г2АЮ принадлежат также к сталям класса С60/45 с механическими характеристиками, аналогичными стали 16Г2АФ. В практике эти стали пока еще не применяются. Наибо­ лее перспективной, видимо, следует считать сталь 16Г2АЮ.

Стали 17ХГ2САФ и 17ХГ2САФР. ЦНИИЧерметом была пред­ ложена термически упрочненная сталь для сварных металли­ ческих конструкций марок 17ХГ2САФ и 17ХГ2САФР. Опытная

40

■партия изготовлена Коммунарским металлургическим заводом по техническим условиям ТУ 28—69. Указанные стали относятся также к сталям с нитридным упрочнением, однако по прочности несколько превышают стали 15Г2АФ и 16Г2АФ. Химический со­ став сталей представлен в табл. II. 10.

Гарантированные механические характеристики указанных ста­ лей должны быть не ниже следующих: опч — 70, сгт — 55 кг/мм2, 05>14% и а н при —40°С — 4 кгм/см2. Стали 17ХГ2САФ и 17ХГ2САФР удовлетворительно свариваются. Из опытной плавки были изготовлены сварные четырехстенчатые балки перекрытий механизированных крепей для угольных шахт. Исследование го­ тового листового проката показало, что фактическая прочность указанных сталей может быть несколько ниже нормативной. До массового применения в сварных конструкциях стали 17ХГ2САФ и 17ХГ2САФР должны быть всесторонне исследо­ ваны.

§ 8. Специально легированные термически упрочненные стали высокой прочности с пределом текучести 60 кг/мм2 и выше

(с бейнитной или мартенситной структурой)

Наиболее перспективными для применения в сварных метал­ лических конструкциях крупных инженерных сооружений и тя­ жело нагруженных несущих конструкций оборудования являются новые термически упрочненные специально легированные стали высокой прочности с пределом текучести 60—90 кг/мм2. Примене­ ние таких сталей позволяет коренным образом уменьшить затра­ ты металла и вес металлических конструкций, а также обеспе­ чить надежность эксплуатации и долговечность их службы.

Термически упрочненные стали с пределом текучести свыше 60 кг/мм2 помимо высокой прочности отличаются повышенной стойкостью против хрупкого разрушения, обладают высокими значениями ударной вязкости, весьма низким порогом хладно­ ломкости, большой пластичностью и вязкостью. Важное качество специально легированной термически упрочненной стали состоит в ее малой разупрочняемости под термическим воздействием сварки, что отличает ее от термически упрочненных малоугле­ родистых или рядовых низколегированных сталей, степень раз­ упрочнения которых высока. Так, по данным [16] при упрочне­ нии низколегированных сталей 15ГС, 14Г2 и 14ХГС до класса прочности С70/60 степень разупрочняемости составляет 27— 34,5%. Стали с пределом текучести свыше 60 кг!мм2, легирован­ ные на базе 0,15—0,5% молибдена +0,003 бора стойки против разупрочнения и. могут применяться в любых видах сварных стальных конструкций. Таким образом, получение высокопрочно­ го металла с 04= 60+90 кг/мм2 требуют специального комплекс­ ного легирования и проведения термической обработки — закал­ ки в воду от 930°С и высокого отпуска с температурой 630-—

41

42

670°С или нормализации. Структура сталей обычно бейнитная или мартенситная при малом содержании углерода. Такие стали, легированные хромом, ванадием, молибденом, кремнием и бором, наряду с высокой прочностью, обладают хорошей вязкостью и свариваемостью и практически под действием сварки не разупрочняются.

В Советском Союзе начат выпуск экономно легированных тер­ мически упрочненных сталей высокой прочности с гарантирован­ ным пределом текучести 60—75 кг/мм2. Большинство из приведен­ ных во.«Временных указаниях СН—347—66 (ныне отмененными в связи с новой редакцией СНиП П-В. 3—72) марок являются обычными низколегированными сталями феррито-перлитной

стали 15ГФ, 14Г2; класс С60Р — стали 14ХГС, 15Г2СФ и класс С75Р — сталь 14ГСФР). Наиболее перспективные из указанных сталей были описаны в предыдущем параграфе настоящей рабо­ ты (здесь обозначение классов принято по СН—347—66).

В настоящее время значительный интерес представляют специ­ ально легированные стали высокой прочности с пределом теку­ чести свыше 60 кг/мм2 и обладающие бейнитной или мартенсит­ ной структурой. Не все из приведенных СН—347—66 отечествен­ ных высокопрочных сталей с бейнитной структурой и пределом текучести от 60 кг/мм2 и выше еще достаточно исследованы и могут быть рекомендованы к широкому применению в сварных ме­ таллических конструкциях. С другой стороны, за последние годы появились новые марки высокопрочных сталей, уже применяемые в практике. Поэтому ниже будут рассмотрены только наиболее перспективные отечественные марки сталей высокой прочности, которые можно рекомендовать к практическому применению в сварных металлических конструкциях.

Стали 12Г2СМФ и 12ХГ2СМФ. Бейнитные стали 12Г2СМФ и 12ХГ2СМФ разработаны и исследованы в институте ЦНИИЧМ и ЦНИИПроектстальконструкция. Сталь 12Г2СМФ относится к классу прочности С70/60, 12ХГ2СМФ — к С85/75. Указанные ста­ ли выплавлялись несколько раз, в том числе опытная плавка стали 12Г2СМФ была осуществлена в 1969 г. на Орско-Халилов- ском металлургическом комбинате по техническим условиям ЧМТУ—1—644—69. Проведенные исследования показали, что сталь обладает высокими механическими свойствами, пластич­ ностью, имеет хорошую сопротивляемость хрупким разруше­ ниям. Так, у стали 12Г2СМФ ÖV= 654-80, сгпч =75-1-90 кг/мм2, 65=184-22%, а относительное сужение 59—73%. При испытании плоских образцов на холодный изгиб на 180° по ОСТ 1683 при диаметре оправки, равном двум толщинам образца, трещин и надрывов на растянутой поверхности не наблюдалось. Нижняя температура хрупкости у стали 12Г2СМФ расположена в интерва-

43

ле минус 80—110°С, условный порог хладноломкости (при а = 2 кгм/см2) — минус 70—110°С. При температуре —40°С удар­

ная вязкость составляет 4—10 кгм/см2. Сваривается сталь 12Г2СМФ хорошо, практически не разупрочняясь. Все сказанное позволяет предположить возможность широкого применения ста­ ли 12Г2СМФ в сварных металлических конструкциях.

Сталь 12ХГ2СМФ обладает более высокой прочностью, но разупрочняется больше. Очевидно, эта сталь перед широким исполь­ зованием в конструкциях должна быть дополнительно исследо­

вана.

Химический состав указанных сталей представлен в табл. II. 11, основные механические свойства в табл. II. 12.

Как видно, в указанных сталях содержание молибдена по сравнению с обычными бейнитными понижено до 0,16—0,25% (обычно 0,5%), что несколько уменьшает их стоимость.

СНиП ІІ-В.З—72 для применения в металлических конструк­ циях рекомендует сталь 12Г2СМФ в классе прочности С70/60 с поставкой по ЧМТУ 1—45—61 и ЧМТУ 1—644—69 толщиной 10—32 мм.

Сталь 14ГСМФР. В классе С70/60 для применения в металличе­ ских конструкциях СНиП П-В. 3—72 рекомендует термоупрочнен- ' ную сталь 14ГСМФР с поставкой по ЧМТУ 1—45—67 толщиной 4—40 мм. Это одна из более дешевых марок сталей в классе

15ХГ2СФР в горячекатанном состоянии близки стали 15Г2СФ.

і

небольших толщин из указанной стали рекомендуется для применения в конструкциях из труб и гнутых профилей. В отли­ чие от предыдущих, сложнолегированная сталь 15ХГ2СМФР, об­ ладая бейнитіюй структурой уже в горячекатанном состоянии, после прокатки относится к классу С70/60, а после термической обработки приближается'к классу С85/75. Возможность получе­ ния высоких механических свойств без термической обработки для ряда конструкций может представлять известный практиче­ ский интерес.

Гарантированные механические характеристики Стали 15ХГ2СМФР в горячекатанном состоянии при толщинах 4—20 мм следующие: сгпч — не ниже 80; сгт — не ниже 60 кг/мм2, 65= 13% и а , при —40°С — 3 кгм/см2. Угол изгиба в холодном состоянии 90° при оправке, равной трем толщинам проката. Как видно, пластические свойства этой стали в горячекатаном состоянии не очень высоки, что показывают испытания на холодный изгиб.

Упрочнение стали 15ХГ2СМФР производилось не только путем закалки с последующим отпуском, но и нормализацией. Гаранти­ руемые механические свойства стали 15ХГ2СМФР толщиной 8— 32 мм после закалки от 930°С и высокого отпуска при темпера­ туре 640° составляют: а пч — не ниже 85, от — не ниже 70 кг/мм2, 65= 14%, ая при — 40°С — 3,6 кгм/см2. Указанные механические характеристики предусмотрены временными техническими усло­ виями 1389—65 и подлежат уточнению. Химический состав см. в табл. II. 11.

В работе [9] для класса С70/60 рекомендуется прокат толщи­ ной до 10 мм из стали 15ХГ2СМФР поставлять в нормализован­ ном состоянии с отпуском, а при толщинах более 10 мм — после закалка и отпуска при 650°С. Очевидно, сталь 15ХГ2СМФР после соответствующих исследований сможет применяться в ме­ таллических конструкциях как в горячекатаном, так н в терми­ чески упрочненном состоянии.

Стали 14Х2ГМР и 14ХМНДФР. Стали 14Х2ГМР и 14ХМНДФР, относящиеся к классу прочноти С70/60, не вошли в перечень марок, рекомендуемых как СН—347—66, так и СНиП ІІ-В.З—72. Вместе с тем эти марки сложнолегированных термически упрочненных сталей высокой прочности .уже доста­ точно широко используются в ответственных сварных металличе­ ских конструкциях горного оборудования, химической промыш­ ленности и машиностроения.

После закалки и высокого отпуска стали обладают норматив­

Поставляются стали по ЧМТУ 1—645—69, нормативный химиче­ ский состав их дан в табл. II. 14.

Сталь 14ХМНДФР является сталью мартенситного класса, 14ХГ2МР — бейнитного. Обе стали обладают высокими прочно­ стными характеристиками, высокой ударной вязкостью и весьма

45

46

низким порогом хладноломкости. По своей структуре стали мел козернисты и пластичны. Свариваются вполне удовлетворитель­ но и практически после сварки не разупрочняются. Для сварных металлических конструкций более перспективна сталь 14Х2ГМРГ как более дешевая, чем сталь 14ХМНДФР, поскольку в стали Л4Х2ГМР отсутствуют такие дефицитные элементы, как никель и

ческих конструкциях, в том числе эксплуатируемых при низких температурах и работающих на динамические нагрузки. Следует иметь ввиду, что после наладки массового изготовления сталей, в первую очередь стали 14Х2ГМР, их стоимость должна сни­ зиться.

Впервые эти стали были выплавлены на Коммунарском метал­ лургическом заводе. Исследование сталей и применение их в сварных металлических конструкциях (оборудование шахт и карьеров угольной промышленности) проводилось Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР и кафедрой металли­ ческих и деревянных конструкций Киевского инженерно-строи­ тельного института совместно с рядом организаций и предприя­ тий угольной промышленности и тяжелого машиностроения. Опыт изготовления и эксплуатации конструкций показал полную пригодность сталей для широкого применения в сварных метал­ лических конструкциях. Всего на конец 1970 г. было изготовлено овыше 2000 т листового проката. В настоящее время листовой прокат марки 14Х2ГМР может выпускаться также на Ороко-Ха- лилавском металлургическом комбинате и Нижнетагильском ме­ таллургическом заводе.

Сталь І4ХГН2МД (138ИЗ). Термически упрочненная сталь 14ХГН2МД относится к классу прочности С70/60 и выпускается по ТУ 24—1—11—503—67. Оптимальной термической обработкой стали является закалка в воду при температуре 935—950°С и вы­ сокий отпуск при температуре 630°С. После этого сталь приобре­ тает следующие механические свойства: чт> 60, <тпч>66 кг/мм2, б5>18%, относительное сужение равно ф=55% и при —60°С

47

а н= 5 кгм/см2. Химический состав стали приведен в табл. II. 14. Сталь 14ХГН2МД является высококачественным металлом.

В строительных конструкциях сталь была применена в Киевской телебашне. Вместе с тем, вследствие наличия в стали дорогосто­ ящих элементов (никеля и молибдена), стоимость ее высокая и применение может быть оправдано только для тяжелонагруженных уникальных сооружений.

§ 9. Термически упрочненные стали высокой прочности, применяемые за рубежом

В зарубежной практике новые термически упрочненные ста­ ли высокой прочности широко распространены в США, Англии и Японии. За последние годы за рубежом с применением таких сталей были сооружены мосты под автомобильные дороги, со­ суды высокого давления, шаровые и цилиндрические резервуары, напорные трубопроводы, различные гражданские и промышлен­ ные здания, спиральные турбинные камеры, мощные экскаваторы для открытых горных работ, рамы и кузовы большегрузных авто­ машин и самосвалов, металлические конструкции подъемных кранов и многие другие конструкции. Использование новых высо­ копрочных сталей позволило не только значительно сократить затраты металла, но и получить также экономию в денежных средствах,

В табл. II. 16 приведены механические свойства некоторых за­ рубежных марок термически упрочненных низколегированных сталей высокой прочности. В табл. II. 17 дан химический состав этих сталей.

Наиболее распространена за рубежом высокопрочная сталь Т-1 (США) с мартенситной структурой, применяемая для изго­ товления самых различных сварных стальных конструкций. Эта сталь выпускается в листах толщиной 5—150 мм. Высокий предел текучести (сгт = 63 кг/мм2) сталь приобретает в результате закалки с охлаждением в воде (900—927°С) и последующего от­ пуска при 620—680°С. Благодаря высокой пластичности она хоро­ шо обрабатывается, сохраняя свои свойства и не нуждается в до­ полнительной последующей термообработке. Сталь выпускается в различных модификациях (Т-1, Т-1А, Т-1Б), которые разли­ чаются между собой в основном количеством содержания мо­ либдена (см. табл. II. 17). К мартенситным сталям можно также отнести английскую сталь QT-42 (термическая обработка: за­ калка в воду от 880°С и отпуск при температуре 670—690°С).

Наиболее характерными представителями бейнитных сталей являются стали Фортивелд (Англия), термическая обработка ко­ торых состоит в нормализации при 930—980°С. Содержание в них хрома, марганца, молибдена относительно невелико. Указан­ ные бейнитные стали при малом содержании углерода обладают высокой прочностью в сочетании с хорошей пластичностью и

48