УПРОЧНЕННЫЙ ПРОКАТ С МАКРОСТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ (СПОСОБЫ, ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, СВОЙСТВА)

Основным требованиям к современным технологическим процессам: совмещенности, непрерывности и ресурсосбережению — наиболее полно отвечает термомеханическая обработка методом прерванной закалки.

Институтом черной металлургии АН Украины совместно с ЗападноСибирским металлургическим комбинатом и комбинатом "Азовсталь" разработана технология термомеханического упрочнения фасонного и листового проката из низкоуглеродистых и низколегированных марок стали. Суть процесса состоит в прерванном ускоренном охлаждении с температур обычной горячей прокатки до 680—600 °С (рис. 1). Таким образом в технологии термомеханического упрочнения совмещены процессы горячей деформации, прерванной закалки и самоот пуска.

Сложность организации прерванной закалки при термомеханическом упрочнении проката состоит в необходимости обеспечения конечного заданного уровня и равномерности свойств по периметру и длине проката и одновременном сохранении прямолинейности раската как при принудительном, так и дальнейшем естественном охлаждении в процессе непрерывного транспортирования раската по рольгангам и холодильнику. Задачи эти решены для фасонного проката за счет сочетания равномерного охлаждения. по периметру профиля и избирательного охлаждения массивных его элементов; для листов путем автономной регулируемой подачи охладителя на верхнюю и нижнюю плоскости листа.

Процесс упрочнения проката осуществляют в линии прокатных станов между чистовой клетью и холодильником.

Установки для упрочнения фасонного проката состоят из одной — нескольких секций для охлаждения по периметру проката и встроенного или автономного узла избирательного охлаждения отдельных участков или элементов профиля. Упрочнение толстых листов проводят в свободном (незажатом) состоянии на многосекционной установке ванного типа с независимой и регулируемой подачей охладителя на верхнюю и нижнюю стороны листа. Скорость охлаждения регулируется за счет изменения скорости движения потока воды в устройствах камерного типа, в ванного типа— количеством подаваемой воды. Продолжительность охлаждения до требуемой температуры самоотпуска обеспечивается количеством работающих секций и скоростью перемещения раскатов. Схема охлаждения (прерванное), высокие скорости охлаждения поверхностных слоев проката и слабая прокали ваемость массовых строительных марок стали способствуют созданию в сечении профиля макроструктурной неоднородности (МСН). Степень неоднородности с понижением скорости охлаждения уменьшается. Микроструктура в поверхностных слоях на глубине 1—2 мм представляет собой продукты отпуска мартенсита и бейнита. В центре образуется ферритоперлитная смесь, дисперсность которой на 2—3 балла выше, чем в горячекатаном состоянии. С увеличением степени упрочнения в низкоуглеродистой стали структура центрального слоя трансформируется в квазиэвтек тоид.

Прочностные свойства стали с МСН являются агрегатной характеристикой, т.е. аддитивно зависят от прочности поверхностных и центрального слоев. Изменяя технологические параметры, можно регулировать свойства проката в широком диапазоне. Техническими условиями на листовой термомеханически упрочненный прокат толщиной до 32 мм предусмотрено производство классов прочности (по уровню предела текучести) 285, 315, 345, 375, 390; фасонного проката с толщиной полки до 10 мм— 375, 390, 440, 490, 540. При этом относительное удлинение в зависимости от классов прочности составляет 20—16%.

Установлено, что термомеханически упрочненный прокат с МСН хорошо сваривается: кристаллизационные и холодные трещины при сварке не образуются; при сварке с использованием соответствующих материалов и режимов обеспечивается равнопрочность шва и основного металла.

В серии экспериментов исследовали вклад структурных слоев в общую вязкость металла фасонного проката.

Из полки уголка из стали СтЗпс, имеющего по сечению МСН, изготовили образцы таким образом, что одни из них включали только центральный слой, другие — поверхностный и центральный. Ударная вязкость образцов с МСН выше, чем образцов с однородной по сечению ферритоперлитной структурой (рис. 2, а).

Результаты этих двух экспериментов позволяют утверждать, что существенный вклад в уровень ударной вязкости стали с МСН вносит слоистое строение материала и такую сталь следует рассматривать как естественный композит. Подтверждением эффекта слоистости материала может служить также характер разрушения образцов при надрезе с эффектом торможения трещины. Довольно часто в этих образцах наблюдали расслоение, проходящее по переходной зоне между центральным и поверхностными слоями.

Характерной и уникальной особенностью термомеханически упрочненного металла является то, что степень повышения ударной вязкости и хладостойкости находится в прямой зависимости от уровня упрочнения — чем больше степень упрочнения, тем выше хладо стойкость стали (рис. 3).

Большие значения вязкости стали с МСН обусловлены как высокими значениями ударной вязкости структур макрослоев, так и эффектом слоистого строения.

Рис. 4. Зависимость ско роста роста усталостной трещины от АГтяу стали ^0

СтЗпс в горячекатаном состоянии (О и после 80 термомеханического упрочнения при уровне пре 40 дела текучести 440 (2) и 390 Н/мм2 (3) 0

На толстолистовом прокате из сталей СтЗсп и 09Г2С со структурной анизотропией по толщине определяли переходную температуру остановки хрупких трещин по фрактографи ческому критерию (до 50% вязкой составляющей в изломе) при испытании крупномасштабных образцов (300x75x12—24 мм) по методике ДТТ. Установлена идентичность переходных температур остановки хрупких трещин в сталях с МСН, имеющих более высокую прочность, и в горячекатаных сталях после обычных режимов прокатки.

Из кинетических диаграмм усталостного разрушения (рис. 4) видно, что в стали с МСН ниже темп скорости роста усталостной трещины.

Разработана и освоена промышленностью технология термомеханической обработки методом прерванной закалки толстолистового и фасонного проката. Технология позволяет производить прокат из низкоуглеродистых и экономнолегированных сталей классов прочности (по уровню предела текучести) от 285 до 540 Н/мм2.

В результате слабой прокаливаемости массовых строительных марок стали и разработанной технологии упрочнения (прерванное ускоренное охлаждение) по сечению проката формируется макроструктурная неоднородность.

Прочность проката с МСН аддитивно зависит от прочностных характеристик слоев с разными структурами, формирующих неоднородность по сечению.

Стали с МСН характеризуются повышенной хладостойкостью и трещиностойкостыо, что обусловлено как высокими значениями "Ударной вязкости структур,. формирующих неоднородность, так и эффектом слоистого строения материала.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 4, Москва 1994