Виды и свойства сталей

Стали для строительных конструкций разделяют на виды и маркируют условными обозначениями, в которых отражается состав и назначение стали, механические и химические свойства, способы изготовления и раскисления.

Маркировка сталей. По стандарту марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента (0,8; 25 и т.д.). В обозначение марок кипящей стали добавляют <кп>, полуспокойной - <пс>, спокойной - <сп>, например Ст3сп, Ст5пс, Ст2кп.

В отличие от маркировки углеродистых сталей буквы в марке низколегированных сталей показывают наличие в стали легирующих примесей, а цифры - их среднее содержание в процентах. Предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Для маркировки стали каждому легирующему элементу присвоена определенная буква:

С - кремний, В - вольфрам, Г - марганец, Ю - алюминий, Х - хром, Д - медь, Н - никель, К - кобальт, М - молибден.

Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей. Буквой указан легирующий элемент и последующими цифрами - его среднее содержание, например, сталь 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Сr, марки 2Х17Н2 - 0,2 % С, 17 % Сг и 2 % Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5 % цифры за соответствующей буквой не ставятся: 1Г2С, 12ХН3А. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш - особо высококачественной. Например, легированная конструкционная сталь марки 1Г2С содержит 0,1 % углерода, 2 % марганца и 1 % кремния.

Углеродистые стали. Сталь углеродистая обыкновенного качества - сплав железа с углеродом. В ее составе также присутствуют в небольшом количестве примеси: кремний, марганец, фосфор и сера, каждая из которых оказывает определенное влияние на механические свойства сталей. В сталях обыкновенного качества, применяемых в строительстве, углерода содержится 0,06-0,62 %. Стали с низким содержанием углерода характеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышенное содержание углерода придает стали хрупкость и твердость.

Для повышения качества строительных сталей в сплавы добавляют примеси - марганец и кремний. Содержание марганца обычно 0,25 - 0,9%; он повышает прочность стали без значительного снижения ее пластичности. Кремний, содержание которого в обыкновенных сталях не превышает 0,35%, не оказывает существенного влияния на свойства стали. Фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), в связи с этим содержание его в строительных сталях не должно превышать 0,05%. Присутствие серы в количестве более 0,07 % вызывает красноломкость стали, а также снижает ее прочность и коррозионную стойкость. Основные характеристики качества углеродистой стали - пределы текучести и прочности при растяжении, а также величина относительного удлинения. Все эти показатели (кроме относительного удлинения) с возрастанием марки стали увеличиваются.

Наиболее широко в строительстве используют сталь марки СтЗ, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линий электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона. Качественные конструкционные углеродистые стали применяют, как правило, в машиностроении, а инструментальные углеродистые стали для изготовления различных режущих инструментов.

Легированные стали. Низколегированные стали наиболее часто применяют в строительстве. Содержание углерода в них не должно превышать 0,2 %, так как с его возрастанием понижаются пластичность и коррозионная стойкость, а также ухудшается свариваемость стали. Легирующие добавки влияют на свойства стали следующим образом:

· марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу;

· кремний и хром повышают прочность и жаростойкость;

· медь повышает стойкость стали к атмосферной коррозии;

· никель способствует улучшению вязкости без снижения прочности.

Низколегированные стали имеют более высокие механические свойства, чем малоуглеродистые. Стали, содержащие никель, хром и медь, высокопластичны, хорошо свариваются, их с успехом используют для сварных и клепаных конструкций промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, нефтерезервуаров, труб и др.

Наибольшее применение в строительстве для изготовления металлических конструкций получили низколегированные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД, 10Г2СД и др.

Средне- и высоколегированные стали используют в строительстве только тогда, когда нужно обеспечить конструкциям высокую коррозионную стойкость. Для этого конструкции изготовляют из специальной нержавеющей стали, например, хромоникелевой и хромоникелемарганцевой.

Свойства сталей. Среди физических свойств сталей наибольшее значение имеют истинная плотность, температура плавления, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент температурного расширения (некоторые из перечисленных свойств уже рассматривались).

Температура плавления - температура, при которой сталь из твердого состояния переходит в жидкое. Температура плавления железа 1535°С, но при введении в его состав углерода и других элементов она изменяется. Например, чугун с содержанием 4,3 % углерода плавится около 1130°С.

Коэффициент температурного расширения - показатель относительного удлинения стального образца при повышении температуры на 1° равен (11 - 11,9) 10-6°С. Механические свойства сталей характеризуются пределом прочности при растяжении, пределом текучести, относительным удлинением, твердостью и ударной вязкостью.

Испытание стали на растяжение, с одновременной оценкой ее упругости, производят на образцах в форме стержня круглого или прямоугольного сечения. Для этого используют разрывные машины, снабженные приспособлением для записи диаграммы растяжения образца (рис.4). По вертикальной оси диаграммы откладывают растягивающую нагрузку, а по горизонтальной - соответствующее приращение длины образца. На диаграмме растяжения прямой участок (от начала координат до точки 1) показывает, что удлинение l испытуемого образца прямо пропорционально приложенной нагрузке Р1. Максимальное напряжение, при котором сохраняется прямая пропорциональность между удлинением образца и приложенной нагрузкой, называется пределом пропорциональности пр. Деформации образца, в котором напряжения не превышают предел пропорциональности, являются упругими, и при снятии нагрузки восстанавливается первоначальная длина образца. При незначительном повышении нагрузки до Р2 (точка 2) образец начинает вытягиваться (сталь <течет>), хотя нагрузка остается постоянной, что соответствует горизонтальной площадке на диаграмме. Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называется пределом текучести т. Образец приобретает остаточные деформации, т. е. деформации, остающиеся в образце после снятия нагрузки.

Рис.4. Диаграмма растяжения стали

При дальнейшем увеличении нагрузки до Р наступает разрыв образца (точка 3). Максимально достигнутое при этом напряжение в образце называется пределом прочности стали р, МПа, который вычисляют по формуле

р = P/Fo,

где Р - наибольшая нагрузка, Н; Fo - первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Относительное удлинение образца при испытании на разрыв характеризует пластичность стали, т. е. способность приобретать значительные остаточные деформации без разрывов и трещин. Относительное удлинение б,.%, определяют по формуле

б = (l₁ - l₀)/l₀,

где l₀ - расчетная (начальная) длина образца, мм; l₁ - длина образца после разрыва, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей, применяемых в строительстве.

Твердость - способность стали сопротивляться вдавливанию в нее других, более твердых тел, например алмазного конуса или стального шарика.

Ударная вязкость - свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее величина определяется количеством работы, необходимой для разрушения стального образца на маятниковом копре.

Среди химических свойств стали наиболее важным является коррозионная стойкость, которая характеризует способность сталей сопротивляться разрушающему действию окружающей среды.

Технологические свойства показывают способность сталей к обработке давлением, резанием, литьем, сваркой и др.

Основное технологическое испытание стали - испытание ее образцов на загиб в холодном состоянии под воздействием равномерно возрастающей нагрузки. Различают следующие виды испытаний: загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллельности сторон, загиб до полного соприкосновения сторон (вплотную). Признаком того, что образец выдержал испытание, служит отсутствие в нем после загиба трещин, расслоений или излома.

Термическая обработка улучшает физико-механические свойства стали. Различают следующие виды термической обработки: закалку, отпуск, отжиг, нормализацию.

Закалка заключается в нагреве стали до 800-900°С и небыстром охлаждении ее в воде или масле. Закалка увеличивает прочность и твердость стали, но снижает ударную вязкость. Отпуск закаленной стали - медленный ее нагрев до 200 - 350°С, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением на воздухе. При отпуске стали снижается твердость, но повышается вязкость. Отжиг - нагрев стали до определенной температуры, выдержка и медленное охлаждение в печи. Отжигают сталь для снижения твердости и повышения ее вязкости. Нормализация стали - разновидность отжига, состоящая из нагрева ее до температуры ниже температуры закалки, выдержки при этой температуре и охлаждения на воздухе. Нормализация повышает твердость, прочность и ударную вязкость стали. Для увеличения прочности и твердости поверхностных слоев стальных изделий производят поверхностную закалку токами высокой частоты, а также цементацию стали, т. е. насыщение углеродом ее поверхностного слоя при нагреве в углеродистой среде.

Изделия из стали

Изготовление стальных изделий. При изготовлении стальных изделий расплавленную сталь разливают по изложницам. Вынутые из них стальные слитки подвергают обработке давлением. Обработка давлением основана на высоких пластических свойствах стали. При этом изменяется не только форма стального слитка, но и его свойства. Существуют следующие способы обработки стальных слитков давлением: прокатка, волочение, ковка, штамповка, прессование.

Прокатка - наиболее распространенный способ изготовления профилированных стальных изделий. При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в холодном состоянии. Сортамент стали горячего проката - сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка - обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т.д.).

Штамповка - разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование - процесс выдавливания находящейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получить профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование - процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания - упрочненную холодносплющенную арматуру.

Виды стальных изделий. Металлообрабатывающая промышленность выпускает обширную номенклатуру различных стальных изделий.

Прокатную угловую сталь выпускают в виде равнобоких и неравнобоких уголков с шириной полок 20- 250 мм; швеллеры - высотой 50-400 мм при ширине полки 32 - 115 мм; двутавры - как обыкновенные, так и широкополочные. Высота обыкновенных двутавров 100- 700 мм, широкополочных - до 1000 мм. Отношение ширины полок к высоте колеблется от 1:2 (при малой высоте) до 1:3 (при большой высоте).

Профильную сталь применяют для изготовления при помощи сварки или клепки разнообразных стальных строительных конструкций (каркасы и фермы промышленных и гражданских зданий, пролетные строения мостов, балки перекрытий, опоры линий электропередач, фонари освещения зданий и т, д.). Кроме того, из прокатной и штампованной стали специальных профилей выполняют оконные переплеты промышленных и общественных зданий.

Прокатную сталь квадратного сечения, а также полосовую сталь используют для различных целей. Круглую сталь в основном употребляют в качестве арматуры для железобетона.

Прокатная листовая сталь имеет ряд разновидностей: прокатная толстолистовая шириной 600 - 3800 и толщиной 4 - 160 мм; прокатная тонколистовая шириной 600 - 1400 и толщиной 0,5 - 4 мм; листовая кровельная, в том числе оцинкованная; шириной 510 - 1500 и толщиной 0,5 - 2 мм, а также листовая волнистая и рифленая.

Прокатную сталь для шпунтованных свай выпускают разнообразных профилей; ее применяют для гидротехнического строительства.

Рис. 5. Сортамент прокатных сталей

а - равнобокий уголок; б- неравнобокий уголок; в - швеллер; г - двутавр; д - подкрановый рельс; е - круглая; ж - квадратная; з - полосовая; и - шпунтовая свая; к - листовая; л - рифленая; м - волнистая

Стальные трубы цельнотянутые и сварные диаметром 50 - 1620 мм используют для магистральных газо- и нефтепроводов, водоснабжения, отопления и других целей.

Мелкие стальные изделия в виде болтов, гаек, шайб, заклепок широко применяют при изготовлении из прокатных стальных профилей разнообразных конструкций.

Стальная арматура является важнейшей составной частью железобетона и призвана надежно работать вместе с бетоном в течение всего срока службы изделия или конструкции. Арматуру располагают главным образом в тех местах изделия или конструкции, которые подвергаются растягивающим усилиям, и она должна воспринимать эти усилия.

Арматурную сталь классифицируют по способу изготовления, профилю стержней и области применения. По способу изготовления арматурную сталь разделяют на горячекатаную стержневую и холоднотянутую проволочную. В зависимости от профиля стержней (характера их поверхности) стержневая и проволочная арматура бывает гладкой и периодического профиля. В зависимости от условий применения арматурную сталь подразделяют на ненапрягаемую и напрягаемую, т. е. применяемую соответственно для обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Рис. 6. Виды арматурной стали

а - гладкая стержневая; б - горячекатаная периодического профиля, класса А-II;в - то же, класса А-III; г - холодносплющенная с четырех сторон; д - то же, с двух сторон; е - витая)

Стержневую арматуру выпускают горячекатаной обычной, упрочненной вытяжкой в холодном состоянии и термически упрочненной.

В зависимости от механических свойств стержневую арматуру разделяют на классы с условным обозначением А. Условные обозначения классов горячекатаной арматурной стали: А-I, А-II, А-III, А-IV и др. При обозначении класса термически упрочненной арматурной стали к индексу А добавляют индекс "т", например Aт-III. Сталь, упрочненную вытяжкой, обозначают по классу исходной горячекатаной стали, но при этом добавляют еще индекс "в", например Ав-III.

Арматурную сталь класса А-I изготовляют из углеродистой стали марок Ст3, Ст3пс и Ст3кп, класса А-II диаметром 10 - 40 мм - из углеродистой стали марки Ст5, диаметром 40 - 90 мм - из низколегированной стали марки 18Г2С; класса А-III диаметром 6 - 40 мм - из низколегированной стали марки 25Г2С, диаметром 6 - 8 мм - из низколегированной стали марки 18Г2С; класca A-IV - из низколегированной стали марки 20ХГ2Ц (для конструкций с напрягаемой арматурой). Стержни арматурной стали класса А-1 поставляют круглыми, стержни класса А-II, А-III, А-IV - периодического профиля.

Проволочную арматуру разделяют на арматурную проволоку и арматурные проволочные изделия. Арматурная проволока может быть холоднотянутой класса В-I (низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса B-II (углеродистой) для напрягаемой арматуры. Ее выпускают гладкой и периодического профиля диаметром 3 - 8 мм.

Арматурные проволочные изделия можно применять в строительстве и производстве железобетонных изделий в виде нераскручивающихся стальных арматурных прядей, стальных арматурных канатов, сварных арматурных сеток, а также тканых и сварных проволочных сеток, предназначенных для армоцементных конструкций.

Арматурную сталь диаметром менее 10 мм выпускают в мотках (бухтах), диаметром 10 мм и более - в прутках длиной 6 - 12 м.