Служебные свойства углеродистой полуспокойной стали

Исследования служебных свойств полуспокойной стали ВСт.3пс в сравнении со спокойной (ВСт.3сп, раскисленной алюминием в количестве 1 кг/т) и кипящей (ВСт.3кп) проводили в Институте электросварки им. Е.О. Патона, ЦНИИ строительных конструкций и НИИхиммаш. Для исследований использовали в основном листовой прокат толщиной 8—30 мм. При этом все стали удовлетворяли требованиям ГОСТ 380—60 по прочностным свойствам и пластичности, а ВСт.3сп и Вст.3пс — и по ударной вязкости при отрицательной температуре и после механического старения.

Одной из важных служебных характеристик металла является сопротивляемость сварных соединений воздействию переменных (циклических) нагрузок.

Для определения выносливости сварных соединений из рассматриваемых сталей испытывали крупные образцы в виде пластин сечением 200х30 мм и длиной 1100 мм с приваренными поперечными ребрами. Образцы сваривали вручную электродами УОНИ 13/45. Образцы подвергали испытаниям на переменный изгиб (10 млн. циклов при пульсирующем и симметричном циклах напряжений). За критерий усталостного разрушения принимали критическое состояние трещины усталости, т. е. такую ее глубину (3—4 мм), при которой появляется вероятность мгновенного хрупкого разрушения элемента под действием низких номинальных напряжений. Исследования показали, что выносливость сварных соединений из сталей ВСт.3пс, ВСт.3сп и ВСт.3кп практически одинакова (рис. 73). Аналогичные результаты были получены на образцах со стыковыми швами и при испытании сварных балок.

Первостепенное значение для надежности сварных конструкций имеет высокая сопротивляемость конструкционных материалов хрупким разрушениям. Стандартные испытания на ударный изгиб позволяют произвести лишь сравнительную оценку склонности различных сталей к хрупкому разрушению, однако результаты этих испытаний не могут быть использованы для инженерных расчетов и являются условными.

Для исследования чувствительности стали к зарождению хрупких трещин испытывали на растяжение при различных температурах прямоугольные пластины с центральным симметричным надрезом, вырезанные из листа толщиной 20 мм и подвергнутые деформированию растяжением на 10% и остариванию при 250°С в течение 2 ч. Испытание образцов производили в условиях статического нагружения. Критерием оценки чувствительности состаренной стали к зарождению хрупких трещин служила величина номинальных разрушающих напряжений, выраженная в виде функции температуры испытаний и сопоставленная с основной расчетной характеристикой металла — пределом текучести горячекатаной стали.

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что полуспокойная сталь ВСт.3пс по склонности к зарождению хрупких трещин практически равноценна спокойной стали ВСт.3сп и существенно превосходит кипящую сталь ВСт.3кп (рис. 74).

Оценка стали по се сопротивляемости распространению хрупких трещин основана на способности металла «гасить» зародившуюся трещину. Испытанию подвергали образцы в виде пластин испытываемой стали размером 750х250х20 мм с приваренным к ним составным ребром. Узкая щель в месте примыкания ребер являлась очагом зарождения трещин. В процессе испытания образец, охлажденный до определенной температуры, нагружался на разрывной машине до заданной величины. В момент достижения требуемой нагрузки по образцу маятниковым бойком наносился удар (со стороны, противоположной приваренному ребру). В результате удара образовывалась трещина, которая в зависимости от свойств металла останавливалась или пересекала все сечения образца. В результате серии испытаний установлено для каждой температуры критическое напряжение, ниже которого трещина не распространялась на все сечение (рис. 75).

Исследования показали, что стали Ст.3сп и Ст.3пс по склонности к распространению хрупких трещин практически равноценны и в области пониженных температур несколько превосходят кипящую сталь Ст.3кп.

Для испытания сварных соединений на удар при пониженных температурах служили образцы-балки таврового сечения, изготовленные из листовой стали исследуемых марок толщиной 8, 10 и 20 мм. Сварку проводили разными способами и электродами на обычно применяемых режимах. Испытания образцов производили на копре при температурах в интервале (-10)/(-40)° С до появления первой трещины.

Результаты испытаний (табл. 61) свидетельствуют о том, что нa работоспособность сварных образцов при ударных нагрузках большее влияние оказывает вид сварочного материала, чем степень раскисленности основного металла. Так, сварные соединения из стали ВСт.Зкп, выполненные электродами УОНИ 13/45, имеют более высокую стойкость против ударных нагрузок, чем образцы из спокойной стали при применении электрода ОММ-5.

При условии осуществления сварки одинаковыми электродами стойкость сварных соединений из полуспокойной и спокойной сталей против ударной нагрузки при отрицательных температурах практически одинакова (см. табл. 61).

Для исследования свойств сталей Ст.3пс и Ст.3сп при пониженных температурах в условиях статических нагрузок испытывали на растяжение специальные образцы в интервале температур от +20 до -100°С. Образцы вырезали из фасонного проката толщиной 20 мм.

Как видно из рис. 76, характер изменения прочностных свойств и пластичности при понижении температуры у обеих сталей был одинаковым.

Исследовали также поведение малоуглеродистых сталей Ст.3 при статическом растяжении в условиях низких температур с искусственно созданной трещиной усталости. Для этого предварительно на образцах из листа толщиной 20 мм получали усталостную трещину при пульсирующем цикле нагружения (оmax = 17-18 кгc/мм2) на пульсаторе 2ДМ-200, после чего их сострагивали до размера, при котором глубина остающейся трещины усталости составляла 10 мм, с другой стороны образца делали искусственный надрез. Критическая температура перехода усталостной трещины в хрупкую для всех трех видов стали (Ст.3сп, Ст.3пс, Ст.3кп) находилась ниже -60°С (рис. 77). По указанному показателю полуспокойная и спокойная стали близки между собой.

Дальнейшие исследования с использованием усовершенствованных методик (по величине критического раскрытия трещины) показали, что полуспокойная и спокойная стали в листе толщиной 10 мм по склонности к охрупчиванию в результате циклических повреждений при температурах -40 и -60°С не отличаются.

Изучение коррозионной стойкости, проведенное МИИхиммаш в различных агрессивных средах при комнатной и повышенной температурах, не показало какого-либо преимущества спокойной стали перед полуспокойной и кипящей.

Как в малоактивных, так и в агрессивных средах стойкость углеродистого металла против общей коррозии не зависела от степени раскисленности (табл. 62).

He выявлено также зависимости от вида стали (спокойная, полуспокойная и кипящая) склонности нагруженных (в том числе и сварных) образцов к коррозионному растрескиванию. Результаты испытания сталей Ст.3кп, Ст.3пс и Ст.3сп в горячем (110°C) растворе, состоящем из 57% Ca(NО3)2 и 6% NH4NO3, приведены в табл. 63.

Полученные результаты показывают, что в листовом, фасонном и полосовом прокате (полосу принято относить к сортовому прокату, хотя по условиям прокатки и свойствам она близка к фасонному) толщиной до 10 мм и сортовом (круг, квадрат, арматура) — до 16 мм по комплексу физико-механических и служебных свойств углеродистые полуспокойные стали с обычным содержанием марганца практически равноценны соответствующим спокойным по ГОСТ 380—60.

В более толстом прокате углеродистая полуспокойная сталь уступает спокойной по величине ударной вязкости при пониженных температурах и после механического старения. Однако существенной разницы в служебных свойствах сварных конструкций из листа толщиной более 10 мм из полуспокойной и спокойной стали Ст.3 не наблюдается, если они удовлетворяют требованиям ГОСТ 380—60 по ударной вязкости при -20° С и после механического старения.

Некоторые авторы утверждают, что полуспокойная сталь Ст. 3пс по склонности к хрупкому разрушению ближе к кипящей стали, чем к спокойной. Такое утверждение основано на данных по ограниченному количеству плавок, при отборе которых не были исключены факторы, влияющие на свойства стали не в меньшей мере, чем степень ее раскисленности: химический состав сравниваемых сталей в указанных исследованиях существенно различался, а изучение служебных характеристик проката выполнено на металле с физико-механическими свойствами на уровне, не соответствующем нормальному соотношению между спокойным, полуспокойным и кипящим металлом.