Углеродистые и углеродисто-марганцевые (низколегированные) стали и их свариваемость

Для сварных конструкций общего назначения приме­няют конструкционные углеродистые стали обыкновен­ного качества (ГОСТ 380—94).

Углеродистую сталь обыкновенного качества по ГОСТ 380—94 изготовляют 20 марок: Ст1кп, Ст2кп, Ст3пс, Ст3Гпс и т. д. Эти стали со­держат повышенное количество примесей, газов и не­металлических включений, снижающих их механичес­кие и технологические свойства. Структура этих сталей в состоянии поставки — феррито-перлитная.

Повышение технологических свойств сталей (обраба­тываемость, штампуемость, свариваемость и т. д.) дос­тигается использованием качественных углеродистых сталей, отличающихся пониженным содержанием Р и S. К этим сталям, согласно ГОСТ 1054-84, относятся 26 ма­рок: 08кп, 10, 15, 20, 30, 45 и т. д. Содержание вредных примесей (S и Р) в них допускается не более 0,035% каж­дого. Структура — феррит + перлит. Качественные стали чаще всего применяют в горячекатаном, нормализо­ванном и улучшенном (закалка + отпуск) состояниях

В сварных конструкциях ответственного назначения для снижения их веса (иногда до 30%) за счет более вы­сокой прочности материала используют конструкцион­ные низколегированные стали. Стали легируют таким образом, чтобы повышение значений σ_В и σ_т сопровождалось со­хранением достаточной пластичности δ, ударной вязко­сти KCU и обеспечивалась бы удовлетворительная сва­риваемость. Основными легирующими в этих сталях являются марганец и кремний, поэтому их часто назы­вают углеродисто-марганцевыми или кремнемарганцевы­ми. Суммарное содержание всех легирующих в сталях составляет не более 2...4% и распределяется примерно следующим образом: Мп < 2,0%, Si < 0,7...1,1%, Cr, Ni, Си < 0,3% каждого. Упрочнение сталей достигается как за счет легирования твердого раствора и образования хи­мических соединений, так и применения соответству­ющей термообработки. Примерами таких сталей могут служить 09Г2, 09Г2С, 09Г2Д, 14Г2, 17ГС, 10Г2С1, 10ХСНД.

Все низколегированные стали, содержащие Мn и Si, поставляются, как правило, в термически обработанном состоянии (закалка + отпуск), что существенно улучша­ет их вязкость, особенно при низких температурах (при Т = —40 °С ударная вязкость KCU > 30 Дж/см²). Струк­тура этих сталей в состоянии поставки феррито-перлитная или перлитная, а после закалки с отпуском — сорбитная.

Углеродистые и углеродисто-марганцевые низколеги­рованные стали рекомендуются для сварки элементов строительных сооружений, подъемно-транспортных ус­тройств и дорожных машин, оборудования нефтяной и газовой промышленности, судов, трубопроводов раз­личного назначения, сельскохозяйственных машин, ав­томобильного и железнодорожного транспорта и т. д. Температурная область их использования охватывает ин­тервал от —40 °С до +425 °С для углеродистых и от —70 °С до +475 °С для низколегированных сталей.

Свариваемость углеродистых и углеродисто-марганцевых сталей

Основным требованием к сварным соединениям из углеродистых сталей является обеспечение их равнопрочности с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении (трещины, непровары, подрезы, поры). Размеры и форма швов должны соответствовать требованиям стандартов, а соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние.

С этой точки зрения все низкоуглеродистые стали об­ладают хорошей (достаточной) свариваемостью. Суще­ствующие способы сварки плавлением обеспечивают выполнение установленных требований как за счет обеспечения химического состава шва, так и за счет по­лучения необходимой его структуры без дополнитель­ных мероприятий, усложняющих технологию. В каче­стве электродных материалов используют электроды типов Э38...Э50 и проволоку марок Св—08, Св—08А, Св— 10Г2 и т. д., а тепловые режимы разных способов сварки варьируют в широких пределах.

Химический состав шва из указанных сталей зависит также и от долей участия основного и электродного ме­таллов и от степени взаимодействия металла шва с га­зовой фазой. Некоторое снижение прочности шва (из- за выгорания углерода) компенсируется легирующими элементами из проволоки (электрода) и повышенной скоростью охлаждения. В последнем случае несколько снижается пластичность соединения.

Металл шва и зоны термического влияния в рассмат­риваемых сталях при всех способах дуговой сварки име­ет, как правило, ферритно-перлитную структуру.

Кристаллизационные трещины в швах возможны лишь при использовании кипящих сталей или при не­благоприятной форме шва (угловые швы, корневые швы, швы со сквозным проплавлением и малой шири­ной, когда ψ_ш< 0,8...1,2). Однако при содержании угле­рода на верхнем пределе для данной группы сталей (С ~ 0,25%) образование горячих трещин вполне вероятно даже при соблюдении всех технологических приемов сварки.

Холодные трещины в низкоуглеродистых сталях, как правило, появляются лишь в толстостенных сварных со­единениях.

Металл многослойных швов имеет, как правило, бо­лее благоприятную структуру (более мелкую) за счет термоциклирования металла предыдущих швов.

При сварке низколегированных (углеродисто-марганце­вых) сталей исходные свойства металла шва и зоны тер­мического влияния изменяются более значительно по сравнению с низкоуглеродистыми сталями. Это проис­ходит из-за появления закалочных структур на участках перегрева и нормализации, особенно при повышенных количествах легирующих Mn, Сr, Ni в сталях, так как эти элементы существенно снижают критические скорости охлаждения. Степень разупрочнения сварного соедине­ния в зоне рекристаллизации также более значительна по сравнению с углеродистыми сталями: чем выше была исходная прочность, тем резче проявляется эффект раз­упрочнения.

Все это не позволяет получить равнопрочные соедине­ния и требует дополнительных мер для обеспечения тре­буемого уровня свойств.

Выравнивание и улучшение свойств сварных соеди­нений из низколегированных сталей эффективно дос­тигается послесварочной термообработкой — нормали­зацией. Для избежания появления холодных трещин в сварных соединениях часто используют подогрев, тем­пература которого зависит от химического состава ста­ли, толщины соединения, жесткости конструкции и т. д. Температуру подогрева можно определять расчетом, исходя из значения углеродного эквивалента С_экв для основного металла или металла шва. Чтобы практичес­ки оценить свариваемость (склонность металла к трещи­нам), необходимо использовать технологические пробы или пробы специального назначения.

Для сварных конструкций, эксплуатирующихся пре­имущественно в условиях динамического нагружения или под воздействием низких или повышенных темпе­ратур, часто используются углеродисто-марганцевые низколегированные стали, содержание углерода в кото­рых увеличено по сравнению с рассмотренными выше (С = 0,25...0,5%), а содержание легирующих элементов достигает 3...4%. Такие стали и сварные соединения из них при соответствующей термообработке характеризу­ются высокой прочностью (σ_В= 600…1500 МПа) и об­ладают комплексом требуемых специальных свойств. Отличительной особенностью их свариваемости являет­ся повышенная склонность к закалке, в связи с чем они весьма чувствительны к термическому циклу сварки во всем диапазоне режимов сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Структура околошовной зоны этих сталей облада­ет низкими пластическими свойствами и склонна к ох­рупчиванию. Основным параметром термического цик­ла, контролирующим этот процесс, является скорость охлаждения ω_охл, которая, как правило, превышает зна­чения критической (допустимой) скорости ω_кр. Для сни­жения ее величины необходим предварительный и со­путствующий подогрев, что усложняет технологию сварки и делает эти стали удовлетворительно или огра­ниченно свариваемыми. Это требует того, что при опре­делении свариваемости материала для сварной конструк­ции заданного назначения требуется более тщательно производить выбор способов, режимов сварки/свароч­ных материалов и на основе сравнительных испытаний технологических проб на холодные трещины выбирать оптимальный вариант технологии.