Как уже указывалось в п. 1.1, проблема стали с гарантированными свойствами в направлении толщины проката (z - направление) тесно связана с сопротивлением вязкому разрушению. Оно выражается характеристиками предельной пластичности и вязкости, а также их анизотропией в прокате. При этом определяющая роль принадлежит загрязненности стали неметаллическими включениями. При пластическом деформировании включения инициируют образование в металле внутренних пустот, рост и слияние которых составляют сущность процесса вязкого разрушения. Наибольшее отрицательное влияние оказывают включения вытянутой формы и групповые включения, расположенные в строчки. В горячекатаных изделиях из хорошо раскисленной строительной стали они представлены в основном вытянутыми включениями сульфида марганца (MnS) и строчечными включениями глинозема (А1203), образующимися при раскислении и затвердевании стали.

Как отмечалось, анизотропия пластичности сильно ограничивает пригодность стали к любым операциям холодной формовки с большой вытяжкой (гибке, штамповке, глубокой вытяжке, завальцовке). Но особенно отрицательно она проявляется в образовании ламелярных (пластинчатых или слоистых) трещин при сварке. Они возникают в основном металле вблизи сварных швов под воздействием напряжений и термодеформационных циклов сварки. Наблюдение трещин на шлифах в поперечном сечении соединений выявляет их специфическое ступенчатое строение (см.рис. 1.3). Преобладают прямые участки, параллельные плоскости прокатки-террасы, которые чередуются с более короткими участками, перпендикулярными этой плоскости - сбросами или разрывами. При наблюдении в оптический микроскоп обнаруживается, что террасы совпадают с расположением вытянутых и строчечных неметаллических включений. Поверхность разрушения, вызванного ламелярными трещинами, визуально напоминает излом дерева, расщепленного вдоль волокна.

Установлено, что ламелярные трещины появляются в процессе сварки или непосредственно после ее окончания, когда температура металла опускается ниже 200 ° С. Наблюдались также случаи образования ламелярных трещин при термообработке сварных соединений для снятия напряжений. Особенно часто отмечаются случаи появления ламелярных трещин при сварке металлопроката низколегированной марганцовистой стали значительной толщины - 25 мм и более. Однако здесь нет строгой закономерности, так как известны случаи появления ламелярных трещин при сварке мягкой углеродистой стали и при сварке проката толщиной 3-5 мм. Ламелярные трещины наблюдались при сварке стали, поставляемой в горячекатаном, нормализованном и термоулучшенном состояниях. Все же полагают, что вероятность их появления тем выше, чем прочнее сталь, что, по-видимому, обусловлено пониженной пластичностью высокопрочной стали.

Режим сварки мало влияет на возникновение указанных дефектов, однако частота их образования возрастает с увеличением числа слоев в шве.

Ламелярные трещины чаще обнаруживаются в соединениях с угловыми швами, реже - в соединениях с прямыми стыковыми швами. Образованию указанных дефектов способствует большая жесткость свариваемого элемента, а также высокая прочность металла шва. Имеются прямые указания на то, что повышенное содержание водорода в металле сварного соединения способствует образованию ламе-лярных трещин. В связи с этим рекомендуется для предупреждения трещин производить сварку «мягкими» электродами, делающую металл шва менее прочным и более склонным к пластическому деформированию, чем основной металл. Рекомендуется также прибегать к предварительному подогреву, к предварительной наплавке (облицовке) кромок, а иногда - к специальному изменению конструктивной формы соединений (см.далее).

Особенно опасно образование слоистого разрушения в листовых элементах ответственных металлоконструкций, испытывающих большие нагрузки в направлении толщины: сварные узлы примыкания ригелей к колоннам в рамных конструкциях, сварные соединения трубчатых стержней стационарных морских платформ, фланцы монтажных соединений растянутых поясов ферм и др.

Предложено много способов испытания стали на склонность к образованию ламелярных трещин. Одни из них предусматривают применение сварки с характерным воздействием на материал ее термодеформационных циклов, другие являются чисто механическими испытаниями. К числу последних принадлежит простой, надежный и наиболее распространенный способ испытания на одноосное растяжение образцов, вырезанных из металлопроката в направлении толщины. Критерием стойкости против образования ламелярных трещин служит относительное сужение yz минимальная и средняя величина которого нормируется.

При достаточной толщине листов образец целиком изготовляется из одного материала. При испытании проката ограниченной толщины получение заготовок необходимых размеров обеспечивается приваркой (см.рис.1.16); образцы из заготовок вырезают таким образом, чтобы захватные части были выполнены из приваренного материала, тогда как испытываемый материал попадает в рабочую часть.

В зависимости от рассчитываемого (по специальной методике) фактора риска для сварного соединения выбирается один из трех следующих уровней гарантируемых (по результатам трех испытаний) средних и минимальных значений (классов):

Предусматривается также, что одновременно с гарантией механических свойств в направлении толщины при поставке листового металлопроката должен гарантироваться определенный уровень отсутствия нарушений сплошности (расслоений), выявляемых ультразвуковым контролем.

Фактор риска появления в сварном соединении слоистого разрушения определяют по эмпирическим формулам с учетом размера сечения сварного шва, формы сварного соединения, толщины листа, жесткости соединения, предварительного подогрева, порядка наложения слоев шва [33]. В нашей стране такие стандарты и нормы пока отсутствуют.

В ЦНИИпроектстальконструкции обследовали значения fz для партии листов стали марок 10Г2С1, 10ХСНД и 14Г2АФ рядовой поставки по 41 — 93 листов толщиной 25 — 60 мм в каждой. Результаты в комулятивных кривых распределения у2 приведены в левой части рис. 1.17. Они показывают, что в листовом прокате, изготовленном по обычной технологии, заданные механические свойства в направлении толщины (|/z > 15...30 %) с обычно принимаемой вероятностью 95 % не могут быть обеспечены.

Зарубежными и отечественными исследованиями установлено, что для уменьшения анизотропии вязкости и пластичности, обусловленной вытянутыми и строчечными неметаллическими включениями, содержание серы в стали следует уменьшать до весьма низкого уровня. Однако, если в листах Vz> ™ толщиной 20 - 60 мм оказывается достаточным снижение содержания серы до 0,008-0,010% (рис. 1.18), то для листов и полос меньшей толщины (8-16 мм), вследствие большей вытяжки и пониженной температуры прокатки требуемые высокие значения |/z удается получить только при снижении содержания серы ниже 0,005 %. Поэтому целесообразно прибегать также к на­правленному воздействию на химический состав, форму, размеры и распределение неметаллических включений, получившему название «модифицирование» [19].

Модифицирующая обработка, приводящая к получению компактных неметаллических включений (глобулярных или имеющих огранку), равномерно распределенных в матрице и слабо деформируемых при прокатке, может осуществляться в зависимости от принятой металлургической технологии введением в жидкую сталь (перед разливкой или во время ее) небольших добавок некоторых металлов (циркония, титана, РЗЭ или кальция) или металлоидов (теллура или селена).

Наиболее благоприятные результаты получают при модифицировании кальцием и его соединениями или кальцием в сочетании с РЗЭ. Именно такой подход использован при получении листовой стали марки 14Г2АФ для фланцев растянутых поясов стропильных ферм, поставляемой Череповецким металлургическим комбинатом по Ту 14-105-465-89 с гарантированным |/z>20 % и при получении листовой стали марки 12ХГДАФ для металлоконструкций морских стационарных платформ, поставляемой металлургическим комбинатом «Азовсталь» по ТУ 14-1-4329-87 с гарантированным |/z>30 %. Соответствующие комулятивные кривые |/z приведены в правой части рис. 1.17.

Другим радикальным способом повышения вязкости и пластичности, особенно в направлении толщины (но вместе с тем более дорогим и дефицитным), является

вой стали марки 16Г2АФ-Ш для сварных крупногабаритных сосудов давления, в том числе кожухов доменных печей большого объема. Для стали этой марки в листах толщиной до 70 мм гарантируется не менее 45 % [34].

В табл. 1.32 приведены механические свойства листовой стали марок 09Г2СД и 12ХГДАФ для металлоконструкций морских стационарных платформ, а в табл. 1.33 -меры, предусматривающие отсутствие в ней нарушений сплошности.