Стали с высоким сопротивлением экстремальным воздействиям

Одесский П.Д., Кулик Д.В,

Интермет Инжиниринг, 2008 г.

Основные требования к химическому составу и микроструктуре огнестойких сталей

Прежде всего следует заметить, что содержание углерода в этих сталях следует понижать до < 0,1 %, поскольку с понижением содержания углерода повышается температура γ → α превращения, а именно эта температура резко снижает огнестойкость стали. Кроме того, с увеличением содержания углерода увеличивается склонность к коагуляции карбидной фазы и перераспределению легирующих элементов в твердом растворе, т. е. к разупрочнению стали с повышением температуры [17].

В рассматриваемых сталях также следует снижать содержание вредных примесей — серы и фосфора, во всяком случае до уровня S< 0,010 %, Ρ < 0,015 % из-за снижения склонности сталей при обсуждаемых температурах к межзеренному разрушению, вызываемому действием сегрегации и соединений этих элементов [10,11].

Наиболее эффективной особенностью обеспечения огнестойкости строительных сталей является микролегирование сталей элементами, образующими дисперсные термически устойчивые частицы карбонитридных фаз. В первую очередь это сочетание ниобия и ванадия. Выделяясь при 540...570 °С, дисперсные частицы этих элементов повышают атермическую составляющую прочностных характеристик обсуждаемых сталей, и, обладая повышенным сопротивлением к коагуляции, в целом эффективно замедляют падение прочности при повышении температуры среды при пожаре. При этом желательно, чтобы обсуждаемые частицы, в первую очередь ванадия, выделялись непосредственно из твердого раствора. Для этого в стали следует ограничивать содержание марганца, способствующего растворению микролегирующих элементов в твердом растворе до значений Μη < 1,0 %.

Кроме того, при снижении содержания марганца, как и в случае углерода, повышается температура γ → α превращения и снижается склонность к коагуляции карбидной фазы.

Важнейшим легирующим элементом вообще теплоустойчивых и обсуждаемых сталей является молибден. Находясь при нормальной температуре в основном в твердом растворе, этот элемент повышает прочностные характеристики стали при температурах пожара и ослабляет возможность сегрегирования фосфора по границам зерен. В последних исследованиях установлено, что этот элемент существенно препятствует коагуляции дисперсной карбо-нитридной фазы, образуя сегрегации на поверхности дисперсной фазы и увеличивая сопротивление разупрочнению при температурах выше 550 °С. Считается, что при огневом температурном воздействии полное разупрочнение описываемых сталей произойдет при выделении из твердого раствора карбидов типа (Mo, Fe)₂₃C₆.

Близким, но несколько более слабым действием обладает хром, обычно входящий вместе с молибденом в теплоустойчивые котельные стали [5]. Поскольку отечественные огнестойкие стали производят на основе Халиловских руд, природнолегированных хромом и никелем, авторы при разработке этих сталей сочли полезным ввести в их состав до 1 % Сг.

Обсужденный химический состав наилучшим образом способствует обеспечению повышенной огнестойкости стали при создании в прокате рациональной микроструктуры. Наиболее оптимальной в этом смысле можно считать субструктуру, сформировавшуюся в ферритной матрице в результате развития процессов полигонизации, а также рекристаллизации на месте. Термическая устойчивость подобной субструктуры в α-Feнеоднократно описывалась, в том числе в работах [18-20]. Прежде всего такая структура формируется при термомеханической прокатке. Формированию и стабилизации подобной тонкой структуры во многом способствует микролегирование ниобием [19]. Другое преимущество такой структуры — большое количество мест, благоприятных для выделения дисперсных частиц при пожарном воздействии, в первую очередь частиц ванадия. Поэтому за рубежом огнестойкие стали чаще всего поставляются после термомеханической прокатки [19]. Подробные исследования подтвердили, что комбинация — организованные дислокационные построения, закрепленные частицами, наиболее эффективна при работе стали в условиях повышенных температур [19].

В отечественной практике толстые листы (20...40 мм) обычно поставляются после термического улучшения; в случае рассматриваемых сталей в прокате также формируется достаточно эффективная структура по типу полигонизации и рекристаллизации на месте.

Следует напомнить, что температурные воздействия при пожаре воспринимают нагруженные конструкции. Здесь следует иметь в виду, что подобные воздействия при температурах ниже температуры α→ γперехода после окончания воздействия ведут к улучшению механических свойств (отпуск под нагрузкой [15]) вследствие развития релаксационных процессов в зонах концентрации напряжений.