Характеристика высокопрочных сталей

Легированные высокопрочные стали

Характеристика сталей. Легированными высокопрочными считаются стали, содержащие один или несколько легирующих элементов с суммарной их массовой долей 2,5...10 %.

У низкоуглеродистых легированных высокопрочных сталей временное сопротивление растяжению σ_в ≤ 1000...1100 МПа. Применение среднеуглеродистых легированных высокопрочных сталей наиболее эффективно при σ_в > 1000 МПа.

К низкоуглеродистым легированным высокопрочным сталям относятся стали 13ХГМРБ, 14ХГН2МДАФБ, 12ГН2МФАЮ, 12ГН2МФАЮ-Ш и 12ГН2МФАЮ-У, 12ХГН2МФБАЮ, 12ХГН2МФБДАЮ, 14ХГ2САФД, 12ГНЗМФАЮДР-СШ, 12ХГНЗМАФД-СШ и 14ХГНМДАФБРТ. Низкое содержание углерода (до 0,2%) в этих сталях способствует получению требуемых показателей их пластичности, вязкости и свариваемости. Достаточная прокаливаемость сталей достигается при относительно небольшом легировании марганцем, хромом, молибденом и никелем, однако лишь молибден и ванадий эффективно предотвращают разупрочнение закаленной стали при высоком отпуске.

С точки зрения прокаливаемости стали при сравнительно низком содержании углерода и легирующих элементов эффективны микродобавки бора (0,001...0,006 %), что позволяет уменьшить содержание легирующих элементов в стали. В сочетании с 0,15...0,5% Мо бор обеспечивает в широком диапазоне режимов сварки устойчивую против разупрочнения бейнитно-мартенситную структуру металла ЗТВ. Хорошее сочетание свойств имеют стали, содержащие 0,4...0,6% Мо и 0,002...0,006% В с добавкой других легирующих элементов. При соответствующей термической обработке обеспечивается стабильная бейнитная или мартенситная структура в листовом прокате толщиной до 100 мм (13ХГМРБ).

В низколегированные высокопрочные стали эффективно введение небольшого количества азота (0,02...0,03%) и нитридообразующих элементов (алюминия, ванадия и ниобия). Наличие мелкодисперсных нитридов в стали способствует уменьшению их склонности к росту аустенитного зерна при сварке. Поэтому нитридосодержащие стали весьма перспективны для сварных конструкций. При сварке хорошо зарекомендовала себя нитридосодержащая высокопрочная сталь 12ГН2МФАЮ.

В интервале температур +20...-70°С критическое раскрытие вершины трещины δ_c, у низкоуглеродистых легированных сталей в основном монотонно уменьшается от 0,3 до 0,1 мм. В этом диапазоне температур стали 12ГН2МФАЮ-У, 12ГН2МФАЮ-Ш, 14ХГН2МДАФБ, 12ГНЗМФАЮДР, прошедшие рафинирующие обработки, находятся в вязком состоянии. Стали с более высоким содержанием вредных примесей (13ХГМРБ, 12ГН2МФАЮ, 14ХГ2САФД и др.) им значительно уступают, поскольку они переходят в хрупкое и квазихрупкое состояние при температуре - 20...- 30°С.

Основные трудности сварки низкоуглеродистых легированных высокопрочных сталей связаны с необходимостью предотвратить образование в металле околошовной зоны и шва холодных трещин, а также структур, резко снижающих сопротивляемость сварных соединений хрупкому разрушению. Под околошовной зоной здесь понимают участки ЗТВ нагретые до температуры выше 1100°С. Решение этой задачи усложняется тем, что требуемые эксплуатационные и технологические свойства сварных соединений должны обеспечиваться в состоянии после сварки без дополнительной термообработки.

При анализе свариваемости низкоуглеродистых легированных высокопрочных сталей обычно устанавливают оптимальный диапазон скоростей охлаждения металла околошовной зоны в интервале температур 600... 500°С.

Из среднеуглеродистых легированных высокопрочных сталей при изготовлении ответственных сварных конструкций широко применяют стали 30ХМА, 30ХН2МА, 25ХГСА, 30ХГСА, 20Х2Н4А, 30ХГСНА, 30Х2ГСНВМА, 40ХГСН3МА, 42Х2ГСНМА и некоторые другие, имеющие σ_в = 950...2000 МПа. Они содержат углерод в количестве до 0,48 %, легированы никелем, хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием и др. Высокие прочностные и вязкие свойства средне- углеродистых легированных сталей сочетаются с повышенной стойкостью против перехода в хрупкое состояние, что и определяет их использование для облегчения сварных конструкций, работающих при ударных и знакопеременных нагрузках, при низких и высоких температурах и давлениях. Они могут применяться в конструкциях в упрочненном состоянии без последующей термической обработки сварных соединений. Для обеспечения равноценности основного металла и сварных соединений с легированными ферритными швами термической обработке подвергают непосредственно сварные конструкции.

Отличительная особенность сталей этого типа по сравнению с низкоуглеродистыми высокопрочными сталями - более высокая их чувствительность к образованию холодных трещин при сварке. Это обусловлено их повышенной восприимчивостью к закалке и особенностями структурных превращений в околошовной зоне.