Основной металл, свариваемость, напряжения и деформации при сварке

§ 4-1. Выбор основного металла

От правильного выбора металла для сварных конструкций в значительной мере зависят их эксплуатационная надежность и экономичность. В настоящее время сварные конструкции в основном изготовляют из углеродистых и низколегированных сталей, а также из алюминиевых и титановых сплавов. Ниже изложены краткие характеристики металлов различных классов и рекомендации по их выбору для изготовления сварных изделий.

Конструкционные стали выплавляют в мартеновских печах или конверторах. В зависимости от степени раскисления они могут быть кипящими, спокойными и полуспокойными.

Значительная часть мягких углеродистых сталей являются кипящими. При их разливке, вследствие быстрого охлаждения, у стенок изложницы образуется наружный слой (корка) почти чистого железа. В процессе охлаждения и дальнейшего затвердевания жидкого металла происходит выделение газов, приводящее к образованию пузырей под затвердевшей наружной коркой. В сердцевине такого слитка скапливаются ликвирующие примеси - фосфор, сера и углерод. После прокатки слитков кипящей стали отчетливо различаются чистая наружная зона и внутренняя ликвационная зона, в которой наблюдаются участки с повышенным содержанием серы и фосфора, так называемые сульфидные строчки.

Спокойные стали затвердевают без кипения, что обусловлено введением в их состав элементов-рас-кислителей.

Важной особенностью спокойной стали является ее однородное строение. Вредные примеси - сера и фосфор распределяются в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Вследствие раскисления ц

одновременного частичного связывания азота спокойные стали менее чувствительны к хрупкому излому, чем кипящие. Присадкой достаточного количества алюминия, который наряду с кислородом связывает также азот, удается значительно снизить их восприимчивость к старению. Образующиеся при этом мелкодисперсные нитриды приводят одновременно к уменьшению размера зерен и тем самым к уменьшению склонности стали к хладноломкости.

В полуспокойной стали добавлено такое количество раскисли-телей, при котором газов выделяется меньше, чем при затвердевании кипящей стали. Благодаря меньшей степени загрязнения ликвирующими примесями головной части слитка при полуспокойной стали обеспечивается несколько больший выход годного металла, чем при кипящей стали. Слитки полуспокойной стали имеют меньшую химическую неоднородность, чем кипящей.

В связи с этим следует расширять применение полуспокойных сталей. Исследования показали, что полуспокойную низкоуглеродистую сталь СтЗпс (группы Б и В по ГОСТ 380-71) в листовом, фасонном и полосовом прокате толщиной до 10 мм включительно и в сортовом (круг, квадрат, арматура) размером до 16 мм можно применять для сварных конструкций наравне со спокойной сталью без каких-либо ограничений по температурным условиям эксплуатации и виду нагрузок. Прокат больших толщин из полуспокойной стали рекомендуется использовать в сварных конструкциях при любых нагрузках, но с некоторыми ограничениями по температуре эксплуатации. С целью снятия этих ограничений взамен толстого проката из спокойной стали ВСтЗ следует применять сталь ВСтЗГпс (ГОСТ 380-71) с повышенным содержанием марганца (до 1,1%). Это обеспечивает высокие механические свойства и ударную вязкость сварных соединений.

Основное количество стали выплавляют мартеновским способом. В последнее время находят широкое применение конверторные стали. Конверторные процессы выплавки стали имеют несколько разновидностей. Бессемеровскую и томасовскую конверторные стали выплавляют с продувкой воздухом, они характеризуются повышенным содержанием азота (0,01-0,02%). В тома-совской стали также много фосфора (0,05-0,07%). Высокое содержание этих примесей отрицательно сказывается на стойкости металла против перехода в хрупкое состояние и стойкости против старения. Поэтому стали, выплавленные этими способами, не применяют для сварных конструкций. В настоящее время развивается производство сталей в конверторах с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху. При этом содержание азота в готовом прокате не превышает 0,008%.

Низкоуглеродистые кислородно-конверторные стали в состоянии поставки практически равноценны выплавленным в мартеновских печах. По динамической (вибрационной и ударной) прочности сварные соединения из такой стали, выполненные под флюсом,

6 углекислом газе и штучными электродами, также не отличаютсй от изготовленных из мартенситной стали. Эти основные положительные показатели служебных свойств конверторных сталей позволяют рекомендовать их применение для сварных конструкций наравне с мартеновскими. В связи с этим в ГОСТ 380-71 способ выплавки сталей (мартеновский или конверторный) не указывается и решается металлургическими заводами в зависимости от производственных возможностей.

Состав и свойства низкоуглеродистых сталей регламентируются ГОСТ 380-71, 1050-60 и 6713-53 и подробно рассмотрены в гл. 9.

Низколегированные стали повышенной прочности поставляются по ГОСТ 5058-65 и 5520-69, а также по различным техническим условиям. Повышение предела прочности и текучести углеродистой стали обеспечивается только увеличением концентрации углерода, что ухудшает свариваемость. Нередко в швах конструкций из стали с повышенным содержанием углерода (свыше 0,3%) возникают кристаллизационные трещины, которые в процессе эксплуатации могут развиваться и быть причиной разрушения.

В связи с этим вместо сталей с повышенным содержанием углерода ВСт4, БСт5, 30, 40 и других целесообразно во многих случаях применять низколегированные стали повышенной прочности с содержанием до 0,18-0,20% С. Требуемые высокие прочностные характеристики таких сталей обеспечиваются за счет их дополнительного легирования другими элементами. Стойкость против хрупкого разрушения сварных конструкций из сталей с повышенным содержанием углерода ниже, чем из низкоуглеродистых и низколегированных. Низколегированные стали целесообразно применять в строительных конструкциях, краностроении, вагоностроении, локомотивостроении, судостроении и т. п.

Для ответственных сварных конструкций, эксплуатирующихся в районах, где температура может быть ниже -40° С, следует рекомендовать легкосвариваемые низколегированные стали 09Г2С, 14Г2АФ, 16Г2АФ, 15Г2АФДпс, 18Г2АФпс, 09Г2, 10Г2Б, 16Г2Б, 15ХСНД и 16ГС, а для конструкций, работающих при более высоких температурах,- ЮХСНД, 14Г2, 15ГС, 14ХГС и др. Временное сопротивление этих сталей для толщин до 60 мм составляет 45-55 кгc/мм а предел текучести 30-40 кгс/мм. Напомним, что предел текучести стали ВСтЗ составляет всего 23-24 кгс/мм. Низколегированные стали должны удовлетворять специальным требованиям по ударной вязкости при нормальной и низких температурах, зависящим от условий эксплуатации.

В последние годы все более широкое применение находят стали с пределом текучести свыше 60 кгс/мм и временным сопротивлением до 100 кгс/мм. Они характеризуются повышенной концентрацией марганца, содержат молибден (до 0,6%) и бор (0,002- 0,006%). Как правило, эти стали имеют бейнитную структуру и поставляются в термообработанном состоянии (закалка и отпуск).