Хладостойкость проката, упрочненного в потоке станов

Методика испытаний подробно описана в работе и не нуждается в дополнительном изложении. Следует лишь отметить, что из-за наличия конструктивной анизотропии образцы из проката толщиной менее 10 мм должны обязательно иметь натурную толщину, а ось образцов из фасонного проката должна находиться на расстоянии 1/2 от края пера, а не 1/3, как по ГОСТ 7565-81, из-за эффекта дополнительного упрочнения пера профилей.

Ударная вязкость представляет собой работу разрушения при ударе и поэтому зависит как от способности металла пластически деформироваться. так и от его прочности, поэтому с повышением прочности металла следует повышать и требования к ударной вязкости. Это тем более верно, если учесть, что опасность спонтанного разрушения конструкции возрастает с увеличением запасенной ею упругой энергии, а с повышением прочности стали упругая энергия, запасаемая нагруженной конструкцией, возрастает. Поэтому с повышением прочности стали следует обеспечивать одновременное повышение вязкости разрушения материала. Следовательно, для объективной оценки вязкостных характеристик выбор типа образца и концентратора напряжений необходимо производить с учетом уровня прочности стали.

Известно, что при нагружении образца с надрезом в условиях перехода из вязкого состояния в хрупкое размер сильно деформированной области соизмерим с радиусом надреза.

Вышесказанное позволяет утверждать, что для оценки перехода рассматриваемых материалов с дисперсной структурой в хрупкое состояние предпочтительно использовать образцы с острыми концентраторами напряжений типа усталостных трещин, используя при этом как традиционные подходы методики испытаний на ударный изгиб, так и методы механики разрушений. Наряду с этим из-за большой трудоемкости изготовления образцов с усталостными трещинами в массовых испытаниях удобно использовать образцы с острыми У-образными надрезами. Разумеется часто при приемо-сдаточных испытаниях используют и образцы с U-образными надрезами, однако при этом следует учитывать малую структурную чувствительность таких испытаний.


Исследование металла по ширине полки упрочненного уголка показало, что ударная вязкость проката возрастает при переходе от обушка к перу, т. е. при переходе от менее прочных к более прочным зонам профиля, имеющим структуру высокой степени дисперсности.

С увеличением прочности фасонных профилей одновременно возрастают ударная вязкость и сопротивление стали распространению трещин, оцениваемое по содержанию вязкой составляющей в изломе. Этот результат указывает на то, что прочность возрастает благодаря дисперсности структуры, и схема упрочнения выбрана верно. Кроме того, легирование стали практически не сказывается на хладостойкости проката: прокат из сталей СтЗ и 09Г2С одинаковой прочности имеет близкую хладостойкость.

Приведенные данные, а также другие результаты многочисленных исследований (в т. ч. и авторов монографии) свидетельствуют, что термически упрочненный в потоке станов прокат характеризуется высокой хладостойкостью и может использоваться в металлических конструкциях и сооружениях, эксплуатирующихся в условиях Севера при климатических температурах до минус 65° С. Существенный вклад в хладостойкость вносит структура естественного композита типа конструктивной анизотропии, обусловленная особенностями охлаждения в процессе закалки такого роката. Наиболее отчетливо высокая хладостойкость, обусловленная структурой естественного композита, выявилась при исследовании высокопрочной арматурной стали, упрочненной в потоке сортовых станов.

Прежде всего интересовала зависимость свойств арматуры от характера распределения твердости по сечению профилей. Основным процессом упрочнения арматуры после окончания горячей деформации является закалка — охлаждение с высокой скоростью ~1000° С/с поверхности металле турбулентными потоками воды. Применяя одинаковую интенсивность охлаждения для арматуры одной плавки, но различных диаметров, получили различный характер распределения твердости. При переходе от больших к меньшим диаметрам твердость стержней в поверхностных слоях и в сердцевине возрастает, а характер распределения изменяется от плавного перехода (у более крупных стержней) к резкому переходу от небольшого (1,5-2,0 мм) твердого поверхностного слоя к относительно мягкой сердцевине (~3 мм на сторону). Изменение характера распределения твердости объясняется тем, что при одинаковой скорости охлаждения в более мелких стержнях после прерванной закалки сохраняется меньшее количество тепла, запасенного в процессе нагрева под прокатку, и процессы самоотпуска в арматуре малого диаметра протекают не так интенсивно, как в крупных стержнях. Как будет показано ниже, это обстоятельство может сильно влиять на сопротивление стали хрупким разрушениям.

Отметим, что все стержни удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к стали А500С, одновременно наблюдается достаточно высокая пластичность для рассматриваемого уровня прочности (<55 > 20 %). На первый взгляд, результат кажется достаточно парадоксальным: на стержнях одной плавки при сравнительно одинаковой высокой интенсивности охлаждения при закалке прочность стали повышается по мере увеличения диаметра. Однако полученные результаты естественно объясняются при сопоставлении с макроструктурой стержней: в случае малых диаметров упрочненный слой относительно тонкий, и зона с относительно низкой твердостью в центре сечения хорошо развита, а переходный слой практически отсутствует. При больших диаметрах твердость при переходе от поверхности к оси стержня снижается постепенно. Поскольку прочность всего стержня складывается из прочности отдельных слоев, у крупных стержней с развитым переходным слоем и прочность выше. В целом сформировавшиеся при упрочнении поверхностные слои достаточно эффективны с точки зрения обеспечения высоких эксплуатационных свойств.

На диаграммах растяжения арматурных стержней наблюдается площадка текучести, несмотря на неравномерное распределение прочности стали по сечению. Известно, что твердые поверхностные слои фактически сжимают относительно мягкую сердцевину стержня. Поэтому при испытаниях на растяжение относительно мягкая сердцевина испытывает не только растягивающие напряжения от прилагаемой нагрузки, но и сжимающие со стороны поверхностных слоев, ориентированные нормально к оси растяжения. При такой схеме нагружения обеспечивается максимальное развитие касательных напряжений, что и влияет на снижение прочностных характеристик и на формирование площадки текучести. Причем площадка развита тем более, чем меньше диаметр стержня и лучше выражено плато твердости в сердцевине. Также из-за защитного влияния твердого поверхностного слоя задерживается формирование шейки, т.е. увеличивается пластичность растягиваемых стержней.

Наконец, следует отметить, что проведенные жесткие испытания сварных соединений показали высокую пластичность рассматриваемых материалов. Например, крестообразные соединения с рабочими стержнями и в стали класса А500 С, выполненные контактной точечной и ручной дуговой сваркой, при всех уровнях прочности стрежней разрушаются по составному металлу (92 % случаев) или в ЗТВ без снижения прочности (8% случаев). Эти соединения, испытанные на изгиб, во всех случаях не разрушаются при угле загиба 180°.

Представленные результаты свидетельствуют о высокой пластичности твой арматурной стали класса А500С, изготовленной из стали СтЗГпс и упрочненной в потоке прокатных станов.

Следует заметить, что в рассматриваемых сталях формирование структур с твердостью выше НУ 360 и даже 320 опасно с точки зрения появления хрупких разрушений различной природы, помимо описанных, например, холодных трещин в сварных соединениях. В работе эти трещины не наблюдались из-за малого диаметра стержней с высокой поверхностной твердостью.

Результаты многочисленных исследований, в том числе выполненных авторами, показали, что при термическом упрочнении ключевым фактором, обеспечивающим комплекс высоких механических свойств, является скорость охлаждения при закалке.

С целью оптимизации параметров термического упрочнения авторами изучены особенности фазовых превращений при ускоренном охлаждении и кинетики карбидообразования в процессе отпуска. Промышленная технология термического упрочнения малоуглеродистой, в том числе и низколегированной, стали не исключает возможность образования в структуре полигонального феррита, содержание которого зависит от скорости охлаждения и определяет особенности карбидообразования при отпуске. В первую очередь, это относится к сталям, термоупрочняемым с печного нагрева.

Анализ результатов исследований позволил установить, что для обеспечения сбалансированных значений прочности, пластичности и вязкости при минимальном легировании содержание полигонального феррита в структуре закаленной стали должно ограничиваться 30%.

Следует Подчеркнуть, что отрицательное влияние структурно-свободного феррита, выделяющегося при закалке с малыми скоростями охлаждения, на качество проката значительнее отрицательного влияния серы, так как он снижает не только ударную вязкость, но и прочность стали. Отрицательное влияние на ударную вязкость 10% структурно-свободного феррита эквивалентно увеличению содержания серы на 0,010% в области ее относительно низких концентраций (до 0,020%), когда эффект от изменения ее содержания наиболее заметен. Это подтверждает тот факт, что закалка с малой скоростью охлаждения резко снижает эффективность использования легирующих элементов, приводит к их перерасходу и практически ликвидирует положительное влияние процессов, применяемых на предыдущих этапах (переделах) для получения металла с высокими механическими и эксплуатационными характеристиками. Они могут быть дополнительно значительно повышены при последующей упрочняющей термической обработке, осуществляемой по правильно выбранным режимам. Установлено, что изменение скорости охлаждения от 60 до 120° С/с при закалке практически не влияет на температуры, при которых достигается полностью вязкий излом (верхняя граница критического интервала хрупкости).

Уровень механических свойств термоупрочненной стали регулируется степенью дисперсности и количеством карбидных частиц, а также строением матрицы. Так, понижение прочности при увеличении продолжительности отпуска объясняется только уменьшением количества мелкодисперсных карбидов в результате их коагуляции; строение матрицы при этом не изменяется. Снижение прочности с повышением температуры отпуска связано также с уменьшением количества мелкодисперсных карбидов.

Результаты исследований различных вариантов упрочнения стали простой химической композиции, в том числе микролегированной бором или ниобием, показали, что сталь, упрочненная после деформации с прокатного нагрева, имеет существенные преимущества по сравнению со сталью, закаленной после специального печного нагрева: при температурах отпуска до 680° С предел текучести и временное сопротивление увеличиваются более чем на 50 и 30 % соответственно. При температурах отпуска до 550° С характеристики прочности закаленной с прокатного нагрева стали практически не снижаются. Пластичность и вязкость при этом достаточно высоки. Более высокие характеристики прочности, достигнутые в процессе деформационно-термической обработки, сохраняются после высокого отпуска.

Установленный эффект более медленного снижения прочности при повышении температуры отпуска стали, закаленной с прокатного нагрева, является важной особенностью упрочненных таким способом свариваемых сталей. При такой технологии упрочнения проката механические свойства зоны термического влияния при сварке должны быть значительно выше у стали, закаленной с прокатного нагрева или упрочненной в процессе деформационно-термической обработки, чем у стали, закаленной с печного нагрева.

Организация массового выпуска проката, упрочненного термической обработкой в потоке станов, помимо снижения расхода металла, обеспечит значительную экономию не только дорогих и дефицитных (ванадий, ниобий, молибден и др.), но и обычных легирующих элементов (марганец, кремний, хром), используемых в массовых масштабах. Расход их можно сократить почти вдвое, компенсируя (полностью или частично) микродобавками бора или ниобия. Постоянно растущий дефицит легирующих элементов, в первую очередь марганца, и экономические соображения диктуют целесообразность и необходимость широкого использования указанных добавок в термоупрочняемых сталях массового назначения.

Результаты исследований авторов показали, что добавка в углеродистую сталь до 0,006% бора или до 0,04% ниобия повышает на 20-95 Н/мм2 (в зависимости от содержания углерода) прочностные характеристики листов, полученных с принудительным ускоренным охлаждением до 550° С после прокатки. Этот эффект увеличивается при добавке ниобия или бора в низколегированную сталь простой химической композиции (например, марганцовистую, микролегированную ванадием). При этом термоупрочненные листы из такой стали имеют высокие характеристики вязкости, сохраняющиеся до низких температур при сериальных испытаниях образцов с различной остротой надреза — полукруглый, острый и с трещиной.

Значительное влияние на формирование механических свойств низколегированной стали (особенно микролегированной ниобием или бором) после закалки с отпуском оказывает структурный фактор. Установлено, что для такой стали после закалки предпочтительнее иметь бейнитную или бейнитно-мартенситную структуру, чем полностью мартенситную.

Закалка марганцовистой стали, микролегированной ванадием (0,06 %), ниобием (до 0,04%) или бором (0,003%), со скоростями охлаждения 120 и 60° С/с в температурном интервале наименьшей устойчивости аустенита приводит к получение полностью мартенситной структуры или смешанной структуры нижнего бейнита и мартенсита (приблизительно в равных долях) соответственно. При этом охлажденная при закалке со скоростью 60° С/с отпущенная стать с бейнитно-мартенситной структурой характеризуется более высокими пластичностью и ударной вязкостью, чем сталь, охлажденная со скоростью 120° С/с и имеющая полностью мартенситную структуру.