научная статья по теме КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ Металлургия

Текст научной статьи на тему «КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ»

УДК 699.14.018.292:669.15-194.2:621.791.011

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ

© Домов Денис Владимирович, e-mail: domovv@mail.ru; Франтов Игорь Иванович, канд. техн. наук, e-mail: ifrantov@mail.ru; Борцов Александр Николаевич, канд. техн. наук, e-mail: bortsov55@yandex.ru

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва Цыба Олег Олегович, канд. техн. наук, e-mail: Oleg.Tsyba@evraz.com ОАО «Евраз Холдинг». Россия, Москва Статья поступила 13.03.2014 г.

Представлены критерии свариваемости арматурных сталей для железобетонных конструкций. Отражены особенности контактно-точечной и контактно-стыковой сварки. Показано влияние различных композиций легирования стали и соответствующей величины углеродного эквивалента на склонность к образованию холодных трещин с учетом интенсивности разрушающих напряжений под воздействием водорода. Произведен термокинетический анализ превращения аустенита ванадийсодержащих сталей в зоне термического влияния. Показано, что ванадий снижает склонность стали к разупрочнению при сварке.

Ключевые слова: арматура; сварка; околошовная зона; фазовое превращение; термокинетическая диаграмма.

Арматурный прокат классов А400, А500, А600 предназначен для армирования сборных железобетонных конструкций и монолитного железобетона. Арматурный прокат изготавливают из низколегированных сталей, содержащих, в основном, углерод, кремний и марганец. Разработка авторов предусматривает также применение ванадия, являющегося упрочняющей добавкой, что позволяет существенно снизить содержание углерода, марганца и улучшить свариваемость арматурной стали.

Разработка арматурных сталей новых классов связана с кардинальным улучшением свариваемости для реализации современных металлургических технологий и применения новых технологий армирования сварных сборных железобетонных конструкций. Для создания арматурных конструкций применяются контактно-точечная (рис. 1) и контактно-стыковая сварка, а также технологии сварки в защитных газах или электродами с использованием инвертор-

а

б

ных сварочных источников при возведении монолитного железобетона.

Контактно-точечная и контактно-стыковая являются основными видами сварки при изготовлении сварных конструкций (рис. 2).

Размер и форма зоны термического влияния (ЗТВ) зависят от режимов сварки и соответствуют тепловложениям, которые можно регулировать. Применяемые режимы сварки зависят от диаметра арматуры. При этом целесообразно учитывать химический состав стали, характеризуемый углеродным эквивалентом (С ).

4 экву

Критерии свариваемости стержневой арматуры определяются технологическими особенностями и видами сварки:

- стойкость к образованию холодных трещин связана с

Рис. 2. Макроструктура сварных соединений арматуры контактно-точечной (а) и контактно-стыковой (б) сварки; светлые участки на образцах

соответствуют зоне термического влияния, образующейся в результате теплового воздействия сварки

образованием мартенситных структур и высокой твердостью металла в околошовной зоне (ОШЗ) термического влияния при сварке с малым уровнем тепловложений;

- склонность к разупрочнению металла в ЗТВ при контактно-стыковой (ванно-стыковой), сварке с применением высоких тепловложений.

Скорость охлаждения после сварки влияет на микроструктуру в ЗТВ и определяет конечные свойства сварных соединений арматуры.

Ниже приведены ориентировочные значения скорости охлаждения после сварки W(g00_500) в ОШЗ термического влияния при использовании различных видов сварки (°С/с): Контактно-точечная сварка поперечная 25-45

Ручная дуговая сварка внахлест поперечная

прихватками — " —

Ручная дуговая сварка внахлест продольными

швами — " —

Контактно-стыковая сварка, ванно-стыковая

сварка 5-15

Вследствие высоких скоростей охлаждения при контактно-точечной и ручной дуговой сварке возникает микроструктурная неоднородность с образованием закалочных микроструктур с высоким уровнем твердости. Наличие мартен-ситной микроструктуры вызывает образование холодных трещин либо во время сварки, либо по истечении нескольких часов по механизму задержанного разрушения [1]. Оценка склонности к образованию холодных трещин определяется углеродным эквивалентом, который отражает влияние легирующих элементов на склонность стали к подкалке в ОШЗ термического влияния.

Вероятность образования холодных трещин или задержанного разрушения металла ЗТВ зависит от:

_ скорости охлаждения и, соответственно, темпа роста напряжений в сварных соединениях;

_ микроструктуры и склонности к закалке при фазовых превращениях аустенита в процессе охлаждения после выполнения сварки;

_ химического состава стали [2].

Углеродный эквивалент определяется по формуле Международного института сварки (МИС-IIW) и применим для сталей с содержанием углерода более 0,12%. Формула представляет характеристику свариваемости по химическому составу стали Сэкв = C + Mn/6 + Si/24 + (Cr + Mo+ + V)/5 + (Ni + Cu)/15, она общепризнана в мировой и отечественной практике, используется в многочисленных нормативных документах.

Для выработки критерия свариваемости по химическому составу определили склонность к

а

s

2,1

1,8

600

с^ ■

s а ^

§ i

И

S 'S

H s

Д X

oj 5

д Ë

н ^

s c^

b c

1,5

1,2

0,9

0,6

0,3

s

3

s

m

о «

0,3 0,4 0,5 0,6 Углеродный эквивалент, %

Рис. 3. Оценка склонности к образованию холодных трещин

при сварке по К^ и твердости ОШЗ в зависимости от степени легированности (Сэкв): С1 и С2 - значения углеродного эквивалента, гарантирующие свариваемость арматурной стали без ограничений и с применением дополнительных технологических мероприятий соответственно

задержанному разрушению металла ОШЗ по коэффициенту интенсивности разрушающих напряжений К (Н/мм3/2), возникающих у вершины надрезов на образцах с имитированной микроструктурой ОШЗ. Для определения склонности к образованию холодных трещин построены зависимости изменения коэффициента интенсивности разрушающих напряжений от величины Сэкв. На рис. 3 показаны две характерные зависимости К = ,ДСэкв) при различном содержании диффузионно-подвижного водорода. Эта зависимость выражена кривой с экстремумом при переходе к механизму задержанного разрушения по мере увеличения значений С . С повышением степени

' экв

легированности интенсивность разрушающих напряжений увеличивается при одновременном росте прочности ОШЗ и, соответственно, прочности основного металла [3]. Для металла ОШЗ стали с содержанием водорода менее 2 см3/100 г и при Сэкв более 0,50 достигается критический (максимальный) уровень К, выше которого стали таких композиций легирования не пригодны для сварки. Аналогично для металла ОШЗ стали с содержанием водорода более 4 см3/100 г и при углеродном эквиваленте более 0,45 достигается критический уровень К, выше которого стали таких композиций легирования не пригодны для сварки.

При выполнении сварочных работ и при взаимодействии проката с бетоном, который также является источником поступления водорода, происходит насыщение сварных соединений во-

0

1 10 Скорость охлаждения после сварки W(800_500):

100

,, °C/c

№ Содержание, мас. %

C Mn Si V

1 0,22 1,30 0,66 0,07

2 0,17 1,30 0,70 0,040

3 0,16 0,75 0,2 0,009

4 0,16 0,65 0,2 0,030

5 0,17 0,68 0,2 0,075

6 0,16 0,68 0,2 0,110

Рис. 4. Зависимость твердости металла ЗТВ от скорости охлаждения стали различных композиций легирования

дородом. В результате экспериментов выявлено, что насыщение водородом снижает уровень интенсивности разрушающих напряжений и, соответственно, необходимо учитывать допустимую величину твердости металла в ЗТВ.

По величине твердости ЗТВ можно определить три условных уровня свариваемости сталей и соответствующие им допустимые значения С :

экв

- допустимый уровень твердости 300 НУ, исключающий образование холодных трещин, соответствующий значениям С не более 0,35.

экв

Такие стали относят к свариваемым без ограничений;

- допустимый уровень твердости 350 НУ, соответствующий значениям С не более 0,45.

экв

Для этих сталей при сварке требуются дополнительные технологические мероприятия (удовлетворительно свариваемые стали);

- уровень твердости 400 НУ, соответствующий значениям С более 0,53. Эти стали от-

экв

носятся к ограниченно свариваемым, исключающим применение электродуговой сварки арматуры.

На рис. 4 приведена зависимость твердости металла ЗТВ от скорости охлаждения после сварочного нагрева для стали различных композиций легирования (пунктирные линии соответствуют уровню твердости, определяю-

900 800 700 : 600 1 500 400 300 200 100 0

900 800 700 : 600 1 500 400 300 200 100 0

1

10 100 Время охлаждения с 1300 °С, с

1000

10 100 Время охлаждения с 1300 °С, с

1000

Рис. 5. Превращение аустенита при охлаждении после сварки стали различных композиций легирования: а - 0,18% C; 1,30% Mn; 0,70% Si; 0,04%V; б - 0,16% C; 0,6% Mn; 0,18% Si; 0,03% V; в - 0,16% C; 0,7% Mn; 0,20% Si; 0,11% V (1 и 2 - диапазоны скоростей охлаждения при контактно-точечной и ручной дуговой сварке и при контактно-стыковой и ванно-стыковой сварке, соответственно)

щему стойкость против образования холодных трещин в результате образования мартенситно-бейнит-ных микроструктур).

Стали составов (мас. %) 0,22 C+1,30 Mn+ 0,66 Si+ +0,07 V и 0,17 C+1,30 Mn+0,70 Si+0,040 V имеют высокую твердость металла ЗТВ (400-500 НУ) и обладают ограниченной свариваемостью, что связано

1

Рис. 6. Микроструктура металла ОШЗ при повышенных скоростях охлаждения: а - микроструктура бейнитной морфологии (Сэкв = 0,33); б - мартенсит (Сэкв = 0,51)

с высоким содержанием углерода, марганца и кремния. Они могут применяться для изготовления плоских и пространственных каркасов, закладных деталей без ограничения видов и режимов сварки, за исключением контактно-точечной сварки. Такие стали могут применяться для изготовления плосконапряженных каркасов, но не пригодны для армирования предварительно-напряженных железобетонных конструкций.

Стали базового состава (0,16% С; 0,66% Мп; 0,18% Б1) с различным содержанием ванадия имеют твердость металла ЗТВ в интервале 300400 НУ. В сталях, микролегированных ванадием, с пониженным содержа

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»