Возможность повышения прочности строительной стали, связанная с измельчением ее микроструктуры, появилась в связи с применением на металлургических заводах новых термодеформационных режимов горячей прокатки и освоением термической обработки готового проката. Разработаны три основных способа упрочнения с одновременным измельчением микроструктуры: горячая обработка давлением с большими обжатиями при пониженных температурах - контролируемая прокатка; термическая обработка с ускоренным охлаждением от высоких температур - закалка, часто с последующим отпуском; специальное микролегирование в сочетании с термической обработкой - карбонитридное упрочнение. Известны также комбинации этих основных способов.

В нашей стране для, основанном на введении в сталь небольших добавок сильных карбидо- и нитридообразующих элементов с обязательной термической обработкой, упрочнение за производства высокопрочной стали нашли применение все три способа. Однако наибольшее распространение получил способ карбонитрид-ного упрочнения [29, 30]. В этом способе счет образования дисперсных выделений карбонитридов удачно совмещается с сильным измельчением зерна стали, что позволяет при значительном возрастании механической прочности сохранить и даже существенно повысить сопротивление хрупкому разрушению. Способ экономичен и не ухудшает свариваемости, так как повышение прочности и хладостойко-сти достигается при весьма ограниченных добавках карбидо- и нитридообразующих элементов, в сумме не превышающих 0,2 % по массе.

Согласно результатам некоторых работ для упрочнения низколегированной феррито-перлитной строительной стали могут быть использованы карбиды и нитриды ряда элементов: алюминия, ванадия, ниобия, тантала, берилия, лантана, молибдена и вольфрама. Однако из экономических и технологических соображений в России для этой цели были использованы карбонитриды ванадия и нитриды алюминия. При этом небольшие добавки карбидо- и нитридообразующих элементов: ванадия, алюминия и азота вводятся при выплавке в рядовую низколегированную сталь типа 14Г2, содержащую до 1,2-1,7 % марганца.

Высокопрочные стали с карбонитридным упрочнением по ГОСТ 19282-73* так же, как и низколегированные стали повышенной прочности, в зависимости от требований по ударной вязкости поставляются 15-и категорий, из которых для строительных металлоконструкций используются четыре: 6-я, 12-я, 9-я и 15-я. Для сталей 6-й и 12-й категорий ударная вязкость гарантируется при минус 40 °С, а для сталей 9-й и 15-й категорий - при минус 70 °С. Кроме того, для сталей 12-й и 15-й категорий гарантируется еще и ударная вязкость после механического старения.

По ГОСТ 27772-88* для строительных стальных конструкций также предусмотрена поставка стали трех вариантов с карбонитридным упрочнением с наименованием С390, С390К и С440. Сталь с наименованием С390 и С440 поставляется в листах толщиной 4-50 мм, с наименованием С390К - в листах толщиной 4-30 мм. Нормы химического состава и механических свойств сталей С390, С390К и С440 близко соответствуют нормам ГОСТ 19282-73* (см. табл. 1.22 и 1.23) для аналогичных сталей марок 14Г2АФ, 15Г2АФДпс и 16Г2АФ категории 9.

Низколегированную сталь с карбонитридным упрочнением, как и другие варианты стали с феррито-перлитной микроструктурой, можно подвергать горячей вальцовке, штамповке и т.д. При этом температурный режим горячего деформирования (температура нагрева и скорость охлаждения) должен по-возможности соответствовать принятому режиму нормализации1 . В этом случае удается совместить горячее деформирование с заключительной термической обработкой. Превышение температуры нагрева, принятой для нормализации, или увеличение скорости охлаждения повышает прочность, но снижает пластичность, вязкость и хладостоикость вследствие образования неблагоприятной микроструктуры.

При изготовлении конструкций или в процессе эксплуатации сталь может подвергаться длительным или кратковременным нагревам в субкритической температурной области. Дополнительный отпуск при 550-650 °С в течение 3-5 ч нормализованной стали типа 16Г2АФ практически не влияет ни на прочность, ни на ударную вязкость при комнатной и пониженной температурах. Выдержка до 1000 ч при 400-500 °С также мало влияет на ее механические свойства, что объясняется большой стабильностью феррито-перлитной микроструктуры.

При соответствующем подборе присадочных материалов, флюсов и электродных покрытий и соблюдении основных технологических требований сварку стали марок 14Г2АФ(Д), 16Г2АФ и 15Г2АФДпс можно производить любыми способами, принятыми при изготовлении и монтаже строительных металлоконструкций. При умеренном содержании углерода и легирующих элементов в стали твердость в околошовной зоне даже при значительных скоростях охлаждения (> 50 °С/с) не превышает 300 HV и ударная вязкость сохраняется высокой в широком диапазоне режимов (рис. 1.7) [7]. Увеличение содержания углерода и марганца до уровня, близкого к верхнему пределу марочного состава, усиливает зависимость максимальной твердости и ударной вязкости в околошовной зоне от скорости охлаждения, однако и здесь максимальная твердость не превышает 350 HV. Оптимальные механические свойства достигаются при скорости охлаждения 10-20 град/с. Приемлемыми следует считать режимы, обеспечивающие мгновенную скорость охлаждения металла околошовной зоны при 600 °С не менее 3-5 град/с и не более 30 град/с.

Сталь марок 14Г2АФ(Д), 15Г2АФДпс и 16Г2АФ при соответствующем технико-экономическом обосновании пригодна для конструкций, эксплуатируемых как в обычных условиях, так и для наиболее ответственных конструкций, подвергающихся переменному и динамическому нагружению, в том числе при низкой климатической температуре (расчетная температура ниже -40 °С «северное исполнение»). В последнем случае к стали предъявляются требования по ударной вязкости не менее 30 Дж/см2 при минус 70 °С.

Стали указанных марок обычно поставляются металлургическими заводами преимущественно в виде листов толщиной 8-50 мм. Кроме того, освоено изготовление из стали марки 16Г2АФ электросварных труб диаметром 165-426 мм и с толщиной стенки 3-9 мм, а также горячекатаных бесшовных труб диаметром до 426 мм и толщиной 20-40 мм.