МАЛОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

СТАЛЬ КАК МАТЕРИАЛ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

МАЛОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Химическими элементами, образующими сталь, являются железо (Fe) и углерод (C). Предельное содержание углерода в стали 2,14 %. Сплавы, содержащие большее количество углерода (до 6,67 %), называются чугунами. При нормальной температуре железо образует в стали кристаллы феррита, он очень пластичен и мягок, прочность его невелика. Углерод образует с железом химическое соединение Fe₃C – карбид железа (цементит), очень прочный, твердый, но малопластичный.

При остывании расплава сталь при температуре до 911 ^оС образует аустенит – твердый раствор углерода в железе. При дальнейшем понижении температуры из расплава начинают выделяться кристаллы феррита – почти чистого железа, при этом содержание углерода в расплаве увеличивается. Когда оно достигнет 0,8 %, при температуре 727 ^оC, выкристаллизовывается эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита, называемая перлитом. Как смесь кристаллов феррита и цементита перлит по механическим характеристикам занимает промежуточное положение между составляющими. Но по сравнению с ферритом он прочен и малопластичен, образует жесткий каркас между кристаллами феррита. Поэтому чем больше в стали углерода, тем больше в ней перлита и тем она прочнее. Но чем ее пластичность меньше, тем более хрупкой становится сталь. Пластичность стали – очень важное ее свойство, она выравнивает напряжения в сечениях, сглаживает недостатки проектирования и изготовления стальных конструкций, повышает надежность конструкций. Кроме того, повышение содержания углерода ухудшает свариваемость. Поэтому в сталях для металлических конструкций содержание углерода – не более 0,22 %, такие стали относятся к малоуглеродистым и хорошо свариваются.

На прочность стали влияет также размер зерна стали – чем зерно мельче, тем прочность стали выше. На размер зерен стали влияет наличие центров кристаллизации и скорость охлаждения стали.

С рудой и топливом в сталь попадают сера S и фосфор Р, с дутьем –кислород O и азот N. Сера с железом образует сульфид железа FeS, который с железом образует легкоплавкую смесь Fe – FeS с температурой плавления 985 ^оС. Располагаясь при остывании стали между ее кристаллами, она при нагреве для горячей обработки стали до 1200 ^оС первой плавится, что приводит к ее хрупкости при обработке – красноломкости. Поэтому содержание серы в стали допускается не более 0,05 %. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени. Фосфор растворяется в феррите и делает сталь хрупкой при низких температурах – это свойство называется хладноломкостью. Содержание фосфора в стали допускается до 0,04 %, кроме случаев, когда он вводится для повышения стойкости стали против коррозии. Азот также приводит к хладноломкости стали, но может повышать ее твердость и вводится для образования нитридов, повышающих прочность стали.

Водород в сталь попадает с влагой топлива и руды. В расплаве стали он хорошо растворяется, но при охлаждении растворимость его падает. Он выделяется, располагаясь между зернами стали, вызывает внутренние надрывы, делает ее хрупкой.

Для удаления из стали серы, фосфора в плавку вносят известь CaO. Для удаления из расплава газов применяется ваккуумирование.

При разливке стали в формы из нее продолжают выделяться газы, частицы шлака и прочие легкие включения. Сталь как бы кипит, выбрасывая сноп искр. Такую сталь называют кипящей, в ней остается много вредных включений. Поэтому свойства ее нестабильны, она плохо работает при динамических нагрузках и низких температурах. Чтобы очистить сталь от вредных примесей ее раскисляют, внося в расплав марганец (до 0,7 %), кремний (до 0,3 %), алюминий (до 0,1 %). Марганец, соединяясь с серой, переводит ее в шлак. Кроме того марганец образует тугоплавкий карбид Mn₃C, который увеличивает прочность и вязкость стали. Кремний и алюминий связывают кислород, образуя силикаты и алюминаты (SiO₂ и Al₂O₃) в мелкодисперсной форме. Они становятся центрами кристаллизации, способствуют измельчению зерна и повышению прочности стали. Сталь при разливке в формы не кипит. Но не все примеси успевают выделиться из слитка. Поэтому верхнюю, наиболее загрязненную часть слитка (15 %), обрезают и отправляют на переплав. Такую сталь называют спокойной, она дороже, но свойства ее более стабильны, она хорошо работает при динамических нагрузках и низких температурах. Раскисленная половинным количеством марганца, кремния и алюминия сталь называется полуспокойной, характеристики ее промежуточные.

Из всех углеродистых сталей сейчас в качестве строительной используется Ст3, с содержанием углерода 0,18¸0,22 %. Степень раскисления ее указывается символами кп, пс и сп например: Ст3кп или 18кп.

По гарантируемым заводом-изготовителем свойствам углеродистые стали делятся на группы:

А – завод-изготовитель гарантирует механические характеристики стали;

Б – гарантирует химический состав стали;

В – гарантирует механические характеристики и химический состав стали.

Поскольку химический состав стали влияет на механические характеристики при низких температурах, то в сталях для строительства применяется только группа В (ВСт3кп, ВСт3пс, ВСт3сп).

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированием сталей называют введение в них небольших количеств каких-либо элементов для улучшения некоторых ее свойств, например:

– улучшение ее прочностных или пластических характеристик;

– повышение сопротивления стали коррозии;

– создание устойчивой при нагреве структуры, сохраняющей при сварке термоупрочнение стали.

Вводимые в сталь элементы называют легирующими, а сталь легированной. По количеству легирующих добавок сталь называют низколегированной (содержание легирующих добавок до 2,5 %), среднелегированной (от 2,5 % до 10 %) и высоколегированной (свыше 10 %). Так как легирование удорожает сталь и ухудшает ее свариваемость, в строительстве применяют в основном низколегированные стали.

Прочностные свойства стали повышаются в основном легированием металлами, вступающими в соединение с углеродом и азотом и образующими карбиды и нитриды. Последние, как правило, прочны и хрупки, иногда тугоплавки, входят в сталь в мелкодисперсной форме, способствуют измельчению зерна и образованию совершенных субзернистых структур. Этот способ повышения прочностных свойств стали получил название карбиднитридного упрочнения.

Наиболее часто в сталях для строительства применяют следующие легирующие элементы:

Кремний (Si) – в стали находится в твердом растворе с ферритом, повышает прочность, ухудшает пластичность и стойкость против коррозии. Содержание до 1,1 %.

Марганец (Мn) – образует тугоплавкий карбид Mn₃C, повышает прочность и вязкость. Содержание до 1,8 %.

Медь (Cu) – повышает стойкость против коррозии. Содержание до 0,6%, при более высоком содержании способствует старению стали.

Хром (Cr) – образует карбид Cr₇C₃, повышает прочность и стойкость против коррозии. Содержание до 0,9 %.

Никель (Ni) – повышает прочность и стойкость против коррозии. Содержание до 1,7%.

Ванадий (V) – образует карбиды и нитриды с мелкодисперсной фазой, не распадающиеся при нагреве до 900 ^оС, способствует измельчению зерна, повышает прочность, пластичность и ударную вязкость стали, даже при низких температурах. Содержание до 0,15 % – микролегирование.

Титан (Ti) – ведет себя так же, как ванадий, применяется в микродозах.

Молибден (Mo) – образует тугоплавкий карбид Мо₂С, не распадающийся при сварке, способствует сохранению закалочных структур, повышает прочность. Содержание до 0,4%.

Аллюминий (Al) – образует карбиды и нитриды, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость. Содержание до 0,15 %.

Азот (N) – вносится в сталь для образования нитридов ванадия в количестве 0,03 %.

Фосфор (P) – способствует образованию плотной пленки окислов при наличии хрома, никеля и меди, делает сталь атмосферостойкой. Содержание 0,12 %.

Все легированные стали поставляются по группе В, по степени раскисления, как правило, они спокойные.

Большинство легирующих элементов существенно ухудшают свариваемость стали. Чтобы свариваемость оставалась хотя бы удовлетворительной содержание углерода в них приходится уменьшать до 0,09¸0,15 %. Для оценки свариваемости строительных сталей введен углеродный эквивалент:

где содержание углерода и легирующих элементов подставляются в сотых долях процента.

В нашей стране принята буквенно-цифровая система маркировки сталей. Легирующие элементы обозначаются следующими прописными буквами русского алфавита (таблица 2.2.1).

Таблица 2.2.1 Маркировка сталей

Первые две цифры указывают на среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (это правило относится и к малоуглеродистым сталям). Следующие затем буквы указывают на наличие в стали соответствующих легирующих элементов. Если содержание элемента более 1 %, но менее 2 %, то после соответствующей литеры ставится цифра 2. Если содержание марганца меньше 0,8 %, кремния меньше 0,6 %, меди, никеля и хрома меньше 0,3 %, то в марке стали они не указываются.

Наиболее употребительны в стальных конструкциях следующие легированные стали:

Марганцовистые – 09Г2, 14Г2.

Кремнемарганцовистые – 09Г2С, 14Г2С.

Природнолегированные хромом, никелем, медью – 15ХСНД, 10ХСНД и близкая к ним атмосферостойкая сталь 10ХНДП – выгодны только при выплавке из природнолегированных руд.

Марганцовистые и кремнемарганцовистая с добавками ванадия, азота, никеля, аллюминия и молибдена – 14Г2АФ, 16Г2АФ, 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ.