Высокопрочные стали

Высокая прочность (σ_Т= 400–750 МПа) в этих сталях должна сочетаться с малой склонностью к хрупкому разрушению, т.е. наряду с повышением прочности должна обеспечиваться высокая хладостойкость. Достичь этого довольно сложно. Существует четыре группы высокопрочных строительных сталей: стали с карбонитридным упрочнением, малоперлитные стали, стали бейнитного класса, стали мартенситного класса.

Стали с карбонитридным упрочнением

Карбонитридное упрочнение происходит при легировании стали сильными карбидо– и нитридообразующими элементами (Nb,V, иногдаTi,Al) в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,030 %).

Главными факторами карбонитридного упрочнения являются : собственно дисперсионное упрочнение за счет образования дисперсных карбонитридных и нитридных фаз V(C,N),Nb(C,N),AlN; измельчение аустенитного и действительного зерна (зернограничное упрочнение); образование субзеренной структуры при определенной технологии (субзеренное упрочнение). Вследствие этого стали с карбонитридным упрочнением обладают высокой прочностью и наименьшей температурой перехода из вязкого в хрупкое состояние. Наиболее широкое применение нашла сталь 16Г2АФ. Нормализация этой стали обеспечивает получение мелкого зерна (в стали 16Г2АФ зерно № 9–11, тогда как в стали 14Г2 – № 5–6). Благодаря этому упрочнение сочетается с понижением порога хладноломкости. Стали с карбонитридным упрочнением имеют высокие прочностные свойства: σ_в= 600 – 700 МПа, σ_Т= 450–600 МПа приKCU^{–70 ºС}= = 0,3 МДж/м². Эти стали могут подвергаться нормализации или закалке с высоким отпуском (термоулучшению). Стали с карбонитридным упрочнением применяют для изготовления наиболее ответственных сварных конструкций, работающих как в обычных климатических условиях, так и в сооружениях «северного исполнения», эксплуатируемых в районах с температурой ниже –40 ºС. Сталь 16Г2АФ применяется при сооружении мощных металлургических агрегатов (доменных печей, конверторов и т.п.), железнодорожных и автомобильных мостов, труб магистральных газопроводов, резервуаров нефтехранилищ и других ответственных сооружений. Применение сталей с карбонитридным упрочнением дает экономию металла 15–30 % по сравнению с обычными низколегированными сталями типа 10Г2С, 14Г2 и 30–50 % по сравнению с углеродистой сталью Ст3.

Малоперлитные стали

Создание малоперлитных сталей было вызвано необходимостью обеспечения высокого сопротивления хрупкому разрушению и хорошей свариваемости сталей, предназначенных для изготовления труб магистральных газопроводов и других конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера. Это стали с низким содержанием углерода (до 0,1 %), что приводит к уменьшению количества перлита в стали, а, следовательно, к повышению ударной вязкости и пластичности, снижению порога хладноломкости и улучшению свариваемости. При этом снижение прочностных характеристик компенсируется введением в сталь карбонитридообразующих элементов – ванадия, ниобия, азота и алюминия. Следовательно, малоперлитные стали являются разновидностью сталей с карботнитридным упрочнением с пониженным содержанием в них углерода. Эти стали содержат Mn(до 2 %),V(0,04–0,08 %),Nb(0,02–0,05 %),N(до 0,015 %),AL(не менее 0,05 %). Кроме того, в них может присутствоватьSi(до 1,1 %),Ti,Mo. Такие стали имеют структуру мелкозернистого феррита с дисперсными карбонитридами ванадия и ниобия и небольшим количеством перлита (5–10 %). Примерами малоперлитных сталей являются 09Г2ФБ, 10Г2Ф, 10Г2СФ и др.

Для малоперлитных строительных сталей применяют улучшение, но оптимальная структура и свойства достигаются после контролируемой прокатки. Особенно эффективна контролируемая прокатка для сталей, микролегированных раздельно или комплексно ванадием, ниобием и титаном. Воздействие этих элементов обусловлено их способностью образовывать в процессе термомеханической обработки карбиды, карбонитриды или нитриды. Эти частицы способствуют повышению прочности и сопротивления хрупкому разрушению либо непосредственно, присутствуя в феррите в виде дисперсной упрочняющей фазы, либо участвуя в формировании структуры в процессе ТМО (замедление роста зерна аустенита при нагреве, повышение температурного интервала γ→α превращения, измельчение зерна феррита за счет эффекта зародышеобразования и замедления рекристаллизации горячедеформированного аустенита, усиление текстуры деформации).

После контролируемой прокатки структура микролегированных малоперлитных сталей представляет собой мелкие зерна феррита с развитой дислокационной субструктурой, небольшое (5–10 %) количество дисперсного перлита и дисперсные частицы карбонитридов. Такая структура обеспечивает высокую прочность, ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению. Так, малоперлитная сталь 09Г2ФБ, рекомендуемая для изготовления газопроводных труб большого диаметра, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера, после контролируемой прокатки обеспечивает следующие механические свойства: σ_в≥ 560 МПа; σ_0,2≥ 460 МПа;KCU^–15= 0,9 МДж/м²;KCU^–60= 0,6 МДж/м². В малоперлитных сталях, подвергнутых контролируемой прокатке, реализуются следующие механизмы упрочнения: твердорастворный, деформационный, зернограничный, дисперсионный, субзеренный.

В последние годы химический состав малоперлитных сталей совершенствуется в направлении снижения углерода до 0,03 %, увеличения содержания ниобия до 0,06 %, дополнительного введения небольших количеств Cr,Ni,Cuдля повышения прокаливаемости, при содержании азота до 0,005 %. Большое внимание уделяется чистоте стали по сере и фосфору. Их количество снижено до 0,004 % и 0,013 %, соответственно. Введение при выплавке стали кальция позволяет глобулязировать сульфидные включения, что повышает ударную вязкость.