Высокопрочные судостроительные стали

Для изготовления тяжелонагруженных сварных конструкций все более широкое применение получают высокопрочные судостроительные стали. Необходимость использования таких сталей стала очевидной прежде всего в связи с освоением природных ресурсов приполярных районов и Арктического шельфа нашей страны. Экстремальные условия (низкие температуры, ударные и вибрационные нагрузки) эксплуатации в высоких широтах ледоколов, лихтеровозов, плавучих буровых установок, мощных морских кранов потребовали создания хладостойких сталей с высокими характеристиками прочности, пластичности, сопротивления усталостному и хрупкому разрушению, с хорошей свариваемостью. Этот комплекс свойств может быть достигнут лишь при высоком металлургическом качестве стали.

Еще во второй половине 50-х гг. у нас в стране были разработаны стали типа А1 с гарантированным пределом текучести 490 МПа. Из этих сталей были построены корпуса атомных ледоколов «Ленин», «Сибирь» и других, которые успешно эксплуатируются до настоящего времени. Опыт работы этих ледоколов использован при разработке корпусных сталей для судов, работающих в сложных условиях мелководья прибрежных районов Арктики, с заходами в устья сибирских рек. Были разработаны и приняты в качестве корпусных материалов мелкосидящих атомных ледоколов типа «Таймыр» стали марок АБ-1, АБ1-А и АБ-2. В их состав кроме углерода (до 0,14%), кремния и марганца, использованных в качестве раскислителей, входят около 1 % хрома, 2—3 % никеля, до 0,3 % молибдена и до 1 % меди. Высокая дисперсность структурных составляющих достигается микролегированием алюминием и ванадием. Для повышения металлургического качества стали, используемой при изготовлении особо ответственных конструкций, применяют электрошлаковый переплав (на что указывает буква «ш» в марочном обозначении). Требуемый уровень механических свойств стали достигается после закалки и высокого отпуска. Механические свойства перечисленных сталей, а также сталей марок 10ГНБШ и 10ХНДМФ (АБ-А) приведены в табл. 5.10. Обладая высокой прочностью и пластичностью, эти стали сохраняют и высокие значения работы разрушения KV при температурах до минус 40 — минус 60 °С, т. е. обладают повышенной хладостойкостью. Стали марок 10ГНБШ и 10ХНДМФ разработаны как материалы для буровых установок типа «Шельф».

Важнейшим достоинством этих сталей (зет-сталей) является высокая стойкость к слоистым (ламинарным) разрушениям. Слоистое разрушение в сварных конструкциях, выполненных из листов большой толщины, возникает в результате значительных сварочных напряжений или внешних нагрузок, направленных перпендикулярно поверхности проката. Мировой и отечественной практикой установлено, что высоким сопротивлением слоистым разрушениям обладают стали с высокими значениями характеристик пластичности и ударной вязкости. Их испытывают на образцах, вырезанных в направлении толщины листа (в z-направлении). В настоящее время сложилась практика оценивать уровень сопротивления стали слоистым разрушениям по величине относительного сужения. Установлено, что при значениях ψz более 30 % сталь можно применять в сварных конструкциях без риска слоистого разрушения. Пластичность стали в направлении толщины проката зависит в первую очередь от содержания серы и количества оксидных неметаллических включений. Содержание серы в сталях, стойких к слоистому разрушению, не должно превышать 0,01 %. Сталь подвергается полному раскислению, в ее состав вводят измельчающие зерно элементы.


Таблица 5.10. Механические свойства высокопрочных судокорпусных сталей
Механические характеристики Марка стали
10ГНБШ АБ 10ХНДМФ
Предел прочности σB, МПа 470—620 530—690 530—690
Предел текучести σТ, МПа, не менее 350 390 390
Относительное удлинение δ, %, не менее 20 19 20
Относительное сужение ψ, %, не менее 65 50 65
Работа разрушения при низких температурах испытания:      
KV, Дж, не менее 72 36 78
tисп, °С —60 —40 —40
Относительное сужение ψz, %, не менее 35 — 35
Доля волокна в изломе при комнатной температуре испытания В, %, не менее 65 50 65

Продолжение табл. 5. 10.
Механические характеристики Марка стали
АБ-1 АБI-А АБ-2
Предел прочности σB, МПа 570—710 570—710 570—800
Предел текучести σТ, МПа, не менее 490 490 590
Относительное удлинение δ, %, не менее 20 21 18
Относительное сужение ψ, %, не менее 50 60 60
Работа разрушения при низких температурах испытания:      
KV, Дж, не менее 47 78 58
tисп, °С —40 —50 —50
Относительное сужение ψz, %, не менее — 35 35
Доля волокна в изломе при комнатной температуре испытания В, %, не менее 80 80 80

Зет-стали подвергают также испытаниям на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки. Температура испытания должна быть ниже возможной минимальной рабочей температуры конструкции: при рабочей температуре —20 °С испытания проводятся при —40 °С, а при рабочей температуре —40 °С температура испытания соответственно понижается до —60 °С. Минимально допустимые значения работы удара при указанных температурах испытания для сталей различной прочности приведены в табл. 5.11.

Таблица 5.11. Требуемые значения работы удара для зет-сталей, Дж, не менее
Образцы Предел текучести, МПа
235 315 355 390
Продольные 27 31 34 39
Поперечные 18 21 24 26

В настоящее время отечественная промышленность выпускает хорошо свариваемую, стойкую против слоистого разрушения сталь, соответствующую самым высоким требованиям международных классификационных обществ.