Влияние различных факторов на свойства стали

ПРАКТИКА ПСК

№ 1

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

КОНСТРУКЦИЙ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И РАБОТА

МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ

 

1.1. Требуемые свойства металлов и методы их оценки

1.2.

Для строительных металлических конструкций используется в основном малоугле­родистая сталь и алюминиевые сплавы.

В опорных частях тяжелых конструкций при действии больших сжимающих усилий применяются отливки из литой углеродистой стали и серого чугуна. Для висячих и предварительно напряженных конструкций используются также тросы и пучки из вы­сокопрочной проволоки и стержни из арматурной стали.

Сталь обладает почти идеальным комплексом свойств для использования в строитель­ных конструкциях: сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, одно­родность механических свойств. Основные недостатки стали: относительно низкая корро­зионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от корро­зии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.

К достоинствам алюминиевых сплавов относятся малая плотность (почти в 3 раза меньше, чем у стали) при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии и сохранение высоких упругопластических свойств при низких темпе­ратурах. Однако низкий модуль упругости приводит к повышенной деформативности алюминиевых конструкций и ухудшает их устойчивость, а падение прочностных свойств алюминиевых сплавов при температуре 300 °С снижает огнестойкость.

Чугун хорошо работает на сжатие и обладает высокой коррозионной стойкостью, однако малая прочность при растяжении, хрупкость материала и плохая свариваемость привели к тому, что в настоящее время чугун практически не применяется для строи­тельных конструкций. Чугунные конструкции можно встретить в зданиях и сооружени­ях, построенных в XIX и XX вв. В настоящее время из чугуна делаются тюбинги метро. Применяется он иногда в литых деталях опор тяжелых конструкций.

Надежность и долговечность металлических конструкций во многом зависят от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются механические свой­ства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, ползу­честь, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старе­нию и технологичность.

Прочность характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздей­ствиям без разрушения.

Упругость — свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму по­сле снятия внешних нагрузок.

Пластичность — свойство материала сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

Хрупкость — способность разрушаться при малых деформациях.

Ползучесть — свойство материала непрерывно деформироваться во времени без уве­личения нагрузки.

Твердость — свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пла­стической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.

Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластиче­ские свойства определяются испытанием стандартных образцов (прямоугольного или круглого сечения) на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряже­нием  и относительным удлинением , где ; F — нагрузка; А — первоначальная площадь поперечного сечения образца; l₀— первоначальная длина ра­бочей части образца; — удлинение рабочей части образца.

Диаграммы растяжения различных металлов показаны на рис. 1.1, а.

Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопро­тивление   и предел текучести

Временное сопротивление — это наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначаль­ной площади поперечного сечения).

Предел текучести — напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести — металл «течет». Для металлов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести 0,2, т.е. такое напряжение, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2 %.

 

Если металл подвергается действию циклически меняющихся напряжений (напри­мер, чередующихся растяжения и сжатия), то при достаточно большом числе циклов разрушение может произойти при напряжении меньше временного сопротивления и даже предела текучести. Это явление называется усталостью металла. Склонность метал­ла к усталостному разрушению устанавливается на основании результатов вибрацион­ных испытаний.

Мерой пластичности материала служит относительное остаточное удлинение при разрыве 5. Перед разрушением в образце в месте разрыва образуется «шейка», попере­чное сечение образца уменьшается и в зоне шейки развиваются большие местные пла­стические деформации. Относительное удлинение при разрыве складывается из равно­мерного удлинения на всей длине образца и локального удлинения в зоне шейки . Последнее зависит от размеров и формы образца, наличия местных дефектов и других случайных факторов, поэтому более показательной характеристикой пластично­сти является равномерное относительное удлинение . Мерой пластичности может служить также относительное сужение при разрыве, %:

                                                       

где А и А_о — первоначальная и конечная после разрыва площади сечения образца.

Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е = tg , где  — угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости , т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.

Несколько ниже находится предел пропорциональности — напряжение, до которого материал работает линейно по закону Гука

 (1.1)

В известной степени и являются условными напряжениями, значения которых зависят от точности определения. Обычно принимают, что предел пропорционально­сти соответствует напряжениям, при которых Е = tga уменьшается в 1,5 раза, а предел упругости — напряжениям, при которых относительная деформация составляет 0,05 % (рис. 1.1, в).

Склонность металла к хрупкому разрушению оценивается по результатам испыта­ния на ударную вязкость на специальных маятниковых копрах (рис. 1.2). Под действием удара молота копра образец разрушается. Ударная вязкость КС определяется затрачен­ной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения, и измеряется в Дж/см².

Для сопоставимости результатов испытания проводятся на стандартных образцах при определенных температурах. Для тонкого металла используют образцы толщиной 5 мм. Один и тот же материал может разрушаться как вязко, т.е. с развитием значитель­ных пластических деформаций, так и хрупко, в зависимости от целого ряда факторов (см. подразд. 1.2.1). Для ужесточения условий испытаний и повышения концентрации напряжений в образцах делают надрез (U- или V-образный) или трещину. В местах надреза напряжения резко повышаются (возникает концентрация напряжений), что способствует переходу металла в хрупкое состояние.

Таким образом, ударная вязкость является комплексным показателем, характеризу­ющим состояние металла (хрупкое или вязкое), сопротивление динамическим (удар­ным) воздействиям и чувствительность к концентрации напряжений, и служит для сравнительной оценки качества материала.

В сечении разрушенного образца можно выделить две зоны: первая зона с волокни­стой структурой характеризует пластическую составляющую, вторая зона с кристаллическим изломом — хрупкую. Чем более пластичен материал, тем больше пластическая составляющая. Качественной характеристикой состояния материала служит процент волокнистости в изломе В, %.

Помимо испытаний на ударную вязкость для оценки склонности металла к хрупко­му разрушению используются и другие методы.

Ползучесть в металлах, применяемых в строительных конструкциях, проявляется в основном при высоких температурах, а также для термообработанных высокопрочных сталей. Оценка степени ползучести производится по результатам длительных испыта­ний образцов на растяжение.

Основной способ соединения элементов металлических конструкций — сварка, по­этому важнейшим требованием, предъявляемым к металлам строительных конструк­ций, является свариваемость. Оценка свариваемости производится по химическому со­ставу (углеродному эквиваленту), а также путем применения специальных технологи­ческих проб.

 

 

Долговечность металлических конструк­ций определяется в первую очередь корро­зионной стойкостью металла. Сопротивля­емость металла коррозионным повреждени­ям зависит от химического состава и про­веряется путем длительной выдержки об­разцов в агрессивной среде. Мерой корро­зионной стойкости служит скорость корро­зии по толщине металла, мм/год.

С течением времени свойства стали не­сколько меняются: увеличиваются предел

текучести и временное сопротивление, снижается пластичность, сталь становится бо­лее хрупкой. Это явление называется старением стали (см. подразд. 1.3). Склонность ста­ли к старению оценивается по результатам испытания на ударную вязкость искусствен­но состаренных образцов (после механического старения).

При изготовлении и монтаже металлических конструкций широко используются такие операции, как гибка, резка, строжка, сверление отверстий, связанные с процес­сами упругопластического изгиба, скалывания, обработки резанием, термическим воз­действием. Для качественного выполнения этих операций металл должен иметь соот­ветствующие технологические свойства. Так, повышенная твердость затрудняет сверле­ние и механическую резку, недостаточная вязкость приводит к возникновению в гну­тых деталях трещин, термическое воздействие ускоряет процесс старения металла и способствует его переходу в хрупкое состояние.

Оценка технологических свойств металла производится по химическому составу. В за­висимости от содержания отдельных элементов устанавливается режим огневой резки и сварки.

Влияние пластических деформаций и термического воздействия на охрупчивание металла определяется по результатам испытаний на ударную вязкость после искусст­венного старения. Для этого образец подвергается растяжению до остаточного удлине­ния 10% и последующему отпуску в печи при температуре 250 °С.

Для предотвращения возникновения трещин при изготовлении гнутых деталей про­водятся испытания на холодный изгиб. Плоский образец (рис. 1.3) загибается вокруг оправки определенного диаметра на 180°, при этом на внешней стороне образца не должны появляться трещины. Испытание дает качественную оценку вязкости металла.

 

Расчет конструкций на прочность для обеспечения их надежности основывается на минимальных значениях прочностных характеристик. Оборудование же для механиче­ской обработки металла (сверление, строжка, механическая резка и т.д.) с учетом возможного разброса свойств должно быть рассчитано на максимальные значения ха­рактеристик. Для сокращения затрат на увеличение мощности оборудования и повыше­ния скорости обработки целесообразно ограничить верхние границы прочностных ха­рактеристик и прежде всего временного сопротивления.

Значения показателей основных свойств металлов устанавливаются в государствен­ных стандартах (ГОСТах) и технических условиях (ТУ). В необходимых случаях при за­казе металла оговариваются дополнительные требования по тем или иным свойствам.

Из физических характеристик металлов с точки зрения работы строительных конст­рукций наиболее важными являются плотность, модуль упругости при растяжении, модуль упругости при сдвиге, коэффициент поперечной деформации и коэффициент линейного расширения. Значения этих характеристик приведены в табл. 1.1.

 

 

                                                                                         Таблица 1.1

Стали и алюминиевые сплавы

 

1.2.1. Общая характеристика сталей. Сталь — это сплав железа с углеродом, содер­жащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, ко­торые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки.

Структура стали. В твердом состоянии сталь является поликристаллическим телом, состоящим из множества различно ориентированных кристаллов (зерен). В каждом кри­сталле атомы (точнее, положительно заряженные ионы) расположены упорядочено в узлах пространственной решетки. Для стали характерны объемно-центрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) кубическая кристаллическая решетка (рис. 1.4). Каждое зерно как кристаллическое образование резко анизотропно и имеет различные свой­ства по разным направлениям. При большом числе поразному ориентированных зерен эти различия сглаживаются, статистически в среднем по всем направлениям свойства становятся одинаковыми и сталь ведет себя как квазиизотропное тело.

Структура стали зависит от условий кристаллизации, химического состава, режима термообработки и прокатки.

Температура плавления чистого железа равна 1535°С, при твердении образуются кристаллы чистого железа — феррита, так называемого 8-железа с объемно-центриро­ванной решеткой (рис. 1.4, а); при температуре 1490 °С происходит перекристаллиза­ция, и 5-железо переходит в у-железо с гранецентрированной решеткой (рис. 1.4, б). При температуре 910°С и ниже кристаллы у-железа вновь превращаются в объемно-центрированные и это состояние сохраняется до нормальной температуры. Последняя модификация называется а-железом.

При введении углерода температура плавления снижается и для стали с содержани­ем углерода 0,2 % составляет примерно 1520°С. При остывании образуется твердый ра- створ углерода в у-железе, называемый аустенитом, в котором атомы углерода распола­гаются в центре ГЦК решетки. При температуре ниже 910 °С начинается распад аустенита. Образующееся -железо с ОЦК ре­шеткой (феррит) плохо растворяет угле­род. По мере выделения феррита аустенит обогащается углеродом и при температуре723 °С превращается в перлит — смесь феррита и карбида железа Fe₃C, называемого цементитом.

 

 

 

Рис. 1.4. Кубическая кристаллическая решетка:

а — объемноцентрированная;

б— гранецентрированная

 

Та­ким образом, при нормальной температуре сталь состоит из двух основных фаз: феррита и цементи­та, которые образуют самостоятельные зерна, а так­же входят в виде пластинок в состав перлита (рис. 1.5). Светлые зерна — феррит, темные — перлит).

 

 

 

Феррит весьма пластичен и малопрочен, цемен­тит тверд и хрупок. Перлит обладает свойствами, промежуточными между свойствами феррита и це­ментита. В зависимости от содержания углерода пре­обладает та или иная структурная составляющая. Величина зерен феррита и перлита зависит от чис­ла очагов кристаллизации и условий охлаждения и существенно влияет на механические свойства ста­ли (чем мельче зерно, тем выше качество металла).

Легирующие добавки, входя в твердый раствор с ферритом, упрочняют его. Кроме того, некоторые из них, образуя карбиды и нитриды, увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры.

Под влиянием термической обработки изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов, что приводит к изменению свойств стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключает­ся в повторном нагревании проката до температуры образования аустенита и последу­ющем охлаждении на воздухе. После нормализации структура стали получается более упорядоченной, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств сталь­ного проката и его ударной вязкости, а также повышению однородности.

При быстром остывании стали, нагретой до температуры, превосходящей темпера­туру фазового превращения, сталь закаливается.

Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность. Одна­ко пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой струк­туры производится ее отпуск, т.е. нагревание до температуры, при которой происходит желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течение не­обходимого времени и затем медленное остывание¹.

При прокатке в результате обжатия структура стали меняется. Происходит размель­чение зерен и различное их ориентирование вдоль и поперек проката, что приводит к определенной анизотропии свойств. Существенное влияние оказывают также темпера­тура прокатки и скорость охлаждения. При высокой скорости охлаждения возможно образование закалочных структур, что приводит к повышению прочностных свойств стали. Чем толще прокат, тем меньше степень обжатия и скорость охлаждения. Поэтому с увеличением толщины проката прочностные характеристики снижаются.

Таким образом, варьируя химический состав, режимы прокатки и термообработки, можно изменить структуру и получить сталь с заданными прочностными и другими свойствами.

Классификация сталей. По прочностным свойствам стали условно подразделяются на три группы: обычной ( <29 кН/см²), повышенной ( = 29...40 кН/см²) и высокой прочности ( >40 кН/см²).

Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой.

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые илегированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой

добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки специально не вводят­ся и могут попасть в сталь из руды (медь, хром и т.д.).

Углерод (У)¹, повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому для строительных металлических конструкций применяются только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,22 %.

В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добав­ки, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стали, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяются низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих доба­вок не более 5 %.

Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (X), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).

Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, но снижает пластичность, ухудшает при повышенном содержании сварива­емость и коррозионную стойкость. Вредное влияние кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца.

Марганец повышает прочность, является хорошим раскислителем и, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. При содержании марганца более 1,5 % сталь ста­новится хрупкой.

Медь несколько повышает прочность стали и увеличивает ее стойкость против коррозии. Избыточное содержание меди (более 0,7 %) способствует старению стали и повышает ее хрупкость.

 

Хром и никель повышают прочность стали без снижения пластичности, и улу­чшают ее коррозионную стойкость.

Алюминий хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластично­сти и предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.

Азот в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009 %. В химически связанном состоянии с алюми­нием, ванадием, титаном и другими элементами он образует нитриды и становится легирующим элементом, способствуя получению мелкозернистой структуры и улучше­нию механических свойств.

Фосфор относится к вредным примесям, так как, образуя твердый раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хлад­ноломкость). Однако при наличии алюминия фосфор может служить легирующим эле­ментом, повышающим коррозионную стойкость стали. На этом основано получение атмосферостойких сталей.

Сера вследствие образования легкоплавкого сернистого железа делает сталь кра­сноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800—1000 °С). Это осо­бенно важно для сварных конструкций. Вредное влияние серы снижается при повы­шенном содержании марганца. Содержание серы и фосфора в стали ограничивается и должно составлять не более 0,03 — 0,05% в зависимости от типа (марки) стали.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состо­янии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени, и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0,0007 %), но, концентрируясь около вклю­чений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам зерен, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению со­противления стали хрупкому разрушению, снижению временного сопротивления и ухудшению пластических свойств. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и термооб-работанные (нормализованные или термически улучшенные). В горячекатаном состо­янии сталь далеко не всегда обладает оптимальным комплексом свойств. При нормали­зации измельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличивается вяз­кость, однако сколько-нибудь существенного повышения прочности не происходит. Термическая обработка (закалка в воде и высокотемпературный отпуск) позволяет по­лучить стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению. Затраты по термической обработке стали можно существенно снизить, если проводить закалку непосредственно с прокатного нагрева.

Сталь, применяемая в строительных металлических конструкциях, производится в основном двумя способами: в мартеновских печах и конвертерах с продувкой кислоро­дом. Свойства мартеновских и кислородно-конвертерных сталей практически одинако­вы, однако кислородно-конвертерный способ производства значительно дешевле и постепенно вытесняет мартеновский. Для наиболее ответственных деталей, где требует­ся особо высокое качество металла, используются также стали, получаемые путем элек­трошлакового переплава (ЭШП). С развитием электрометаллургии возможно более ши­рокое использование в строительстве сталей, получаемых в электропечах. Электросталь отличается низким содержанием вредных примесей и высоким качеством.

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокой­ными.

 

Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения га­зов. Такая сталь носит название кипящей и оказывается более загрязненной газами и менее однородной.

Механические свойства несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномер­ного распределения химических элементов. Особенно это относится к головной части, которая получается наиболее рыхлой (вследствие усадки и наибольшего насыщения газами), в ней происходит наибольшая ликвация вредных примесей и углерода. Поэто­му от слитка отрезают дефектную часть, составляющую примерно 5 % массы слитка. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и времен­ному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество низкоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния от 0,12 до 0,3% или алюминия до 0,1 %. Кремний (или алюминий), соединяясь с ра­створенным кислородом, уменьшает его вредное влияние. При соединении с кислоро­дом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозерни­стой структуры стали, что ведет к повышению ее качества и механических свойств. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спо­койны м и. От головной части слитка спокойной стали отрезают часть, составляющую примерно 15%. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопро­тивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали при­меняются при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамичес­ким воздействиям.

Однако спокойные стали примерно на 12% дороже кипящих, что заставляет огра­ничивать их применение и переходить, когда это выгодно по технико-экономическим соображениям, на изготовление конструкций из полуспокойной стали.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния — 0,05 — 0,15% (редко алюминием). От головной части слитка отрезается меньшая часть, равная примерно 8 % массы слитка. По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное по­ложение. Низколегированные стали поставляются в основном спокойной (редко полу­спокойной) модификации.

 

 

 

1.2.2. Нормирование сталей. Основным стандартом, регламентирующим характери­стики сталей для строительных металлических конструкций, является ГОСТ 27772 — 88. Согласно ГОСТу фасонный прокат изготовляют из сталей¹ С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, для листового и универсального проката и гнутых профилей используются также стали С390, С390К, С440, С590, С590К. Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повышенным содержанием меди (для повышения коррози­онной стойкости), при этом к обозначению стали добавляется буква «Д».

Химический состав сталей и механические свойства представлены в табл. 1.2 и 1.3.

Прокат может поставляться как в горячекатаном, так и в термообработанном состо­янии. Выбор варианта химического состава и вида термообработки определяется заводом. Главное — обеспечение требуемых свойств. Так, листовой прокат стали С345 может изго­тавливаться из стали с химическим составом С245 с термическим улучшением. В этом случае к обозначению стали добавляется буква Т, например С345Т.

В зависимости от температуры эксплуатации конструкций и степени опасности хруп­кого разрушения испытания на ударную вязкость для сталей С345 и С375 проводятся при разных температурах, поэтому они поставляются четырех категорий, а к обозначе­нию стали добавляют номер категории, например С345-1; С345-2.

Нормируемые характеристики для каждой категории приведены в табл. 1.4.

Прокат поставляется партиями. Партия состоит из проката одного размера, одной плавки-ковша и одного режима термообработки. При проверке качества металла от партии отбираются случайным образом по две пробы.

Из каждой пробы изготавливают по одному образцу для испытаний на растяжение и изгиб и по два образца для определения ударной вязкости при каждой температуре. Если результаты испытаний не соответствуют требованиям ГОСТа, то проводят по-

 

 

вторные испытания на удвоенном числе образцов. Если и повторные испытания пока­зали неудовлетворительные результаты, то партия бракуется.

Оценку свариваемости стали проводят по углеродному эквиваленту, %:

 

                                                      (1.2) 

 

где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V, Р — массовая доля углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %.

Если С,<0,4%, то сварка стали не вызывает затруднений, при 0,4 %< С,< 0,55 % сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возник­новения трещины. При С_э>0,55 % опасность появления трещин резко возрастает.

Для проверки сплошности металла и предупреждения расслоя в необходимых случа­ях по требованию заказчика проводится ультразвуковой контроль.

Отличительной особенностью ГОСТ 27772 — 88 является использование для некото­рых сталей (С275, С285, С375) статистических методов контроля, что гарантирует обес­печение нормативных значений предела текучести и временного сопротивления.

Строительные металлические конструкции изготавливаются также из сталей, постав­ляемых по ГОСТ 380 — 88 «Сталь углеродистая обыкновенного качества», ГОСТ 19281 —73 «Сталь низколегированная сортовая и фасонная», ГОСТ 19282 — 73 «Сталь низколеги­рованная толстолистовая и широкополосная универсальная» и другим стандартам.

Принципиальных различий между свойствами сталей, имеющих одинаковый хими­ческий состав, но поставляемых по разным стандартам, нет. Разница в способах конт­роля и обозначениях. Так, по ГОСТ 380 — 88 с изменениями в обозначении марки ста­ли указывается группа поставки, способ раскисления и категория.

При поставке по группе А завод гарантирует механические свойства, по группе Б — химический состав, по группе В — механические свойства и химический состав.

Степень раскисления обозначается буквами КП (кипящая), СП (спокойная) и ПС (полуспокойная).

Категория стали указывает вид испытаний на ударную вязкость: категория 2 — ис­пытания на ударную вязкость не проводятся, 3 — проводятся при температуре +20 °С, 4 — при температуре -20 °С, 5 — при температуре -20 °С и после механического старе­ния, 6 — после механического старения.

В строительстве в основном используются стали марок ВстЗкп2, ВстЗпсб и ВстЗсп5, а также сталь с повышенным содержанием марганца ВстЗГпс5.

По ГОСТ 19281—73 и ГОСТ 19282 — 73 в обозначении марки стали указывается содержание основных элементов. Например, химический состав стали 09Г2С расшиф­ровывается так: 09 — содержание углерода в сотых долях процента, Г2 — марганец в количестве от 1 до 2 %, С — кремний до 1 %.

В конце марки стали указывается категория, т.е. вид испытания на ударную вязкость. Для низколегированных сталей установлено 15 категорий, испытания проводятся при температурах до -70 °С. Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы (см. табл. 1.3).

Свойства стали зависят от химического состава исходного сырья, способа выплавки и объема плавильных агрегатов, усилия обжатия и температуры при прокатке, условий охлаждения готового проката и т.д.

При столь многообразных факторах, влияющих на качество стали, вполне естествен­но, что показатели прочности и других свойств имеют определенный разброс и их можно рассматривать как случайные величины. Представление об изменчивости харак­теристик дают статистические гистограммы распределения, показывающие относитель­ную долю (частоту) того или иного значения характеристики.

1.2.4.Стали повышенной прочности (29 кН/см²< <40 кН/см²). Стали повышенной прочности (С345 — С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих
добавок, в основном марганца и кремния, реже никеля и хрома, либо термоупрочне­
нием низкоуглеродистой стали (С345Т).

Пластичность стали при этом несколько снижается, и протяженность площадки те­кучести уменьшается до 1 —1,5 %.

Стали повышенной прочности несколько хуже свариваются (особенно стали с вы­соким содержанием кремния) и требуют иногда использования специальных техноло­гических мероприятий для предотвращения образования горячих трещин.

По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы близки к низкоугле­родистым сталям.

Более высокой коррозионной стойкостью обладают стали с повышенным содержа­нием меди (С345Д, С375Д, С390Д).

Мелкозернистая структура низколегированных сталей обеспечивает значительно более высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Высокое значение ударной вязкости сохраняется при температуре -40 °С и ниже, что позволяет использовать эти стали для конструкций, эксплуатируемых в северных районах. За счет более высоких прочностных свойств применение сталей повышенной прочности приводит к экономии металла до 20 —25 %.

1.2.5.Стали высокой прочности ( >40 кН/см²). Прокат стали высокой прочности
(С440 —С590) получают, как правило, путем легирования и термической обработки.

Для легирования используются нитридообразующие элементы, способствующие образованию мелкозернистой структуры.

Стали высокой прочности могут не иметь площадки текучести (при о_>,>50 кН/см²), и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже.

Отношение  увеличивается до 0,8 — 0,9, что не позволяет учитывать при расче­те конструкций из этих сталей пластические деформации.

Подбор химического состава и режима термообработки позволяет значительно по­высить сопротивление хрупкому разрушению и обеспечить высокую ударную вязкость при температуре до -70 °С. Определенные трудности возникают при изготовлении кон­струкций. Высокая прочность и низкая пластичность требуют более мощного оборудо­вания для резки, правки, сверления и других операций.

При сварке термообработанных сталей вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соединения происходят различные структурные пре­вращения. На одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной прочностью и хрупкостью (жесткие прослойки), на других металл подвергается высокому отпуску и имеет пониженную прочность и высокую пластичность (мягкие прослойки).

Разупрочнение стали в околошовной зоне может достигать 5 — 30%, что необходи­мо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей.

Введение в состав стали некоторых карбидообразующих элементов (молибден, ва­надий) снижает эффект разупрочнения.

Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла до 25 —30 % по сравнению с конструкциями из низкоуглеродистых сталей и особенно целесообраз­но в большепролетных и тяжело нагруженных конструкциях.

1.2.6.Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости метали-­
ческих конструкций применяют низколегированные стали, содержащие в небольшом
количестве (доли процента) такие элементы, как хром, никель и медь.

В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавкой фосфора (например, сталь С345К). На поверхности таких сталей образу­ется тонкая оксидная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищающая ме­талл от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшает­ся. Кроме того, в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладностойко-стью, поэтому применение стали С345К рекомендуется при толщинах не более 10 мм.

В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мем­бранные покрытия), широко применяется тонколистовой прокат. Для повышения дол­говечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки ОХ18Т1Ф2, не содержащей никеля. Механические свойства стали ОХ18Т1Ф2:

 = 50 кН/см², = 36 кН/см², >33 %. При больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной хрупкостью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяют применять его в конструкциях при расчетных температурах до -40 °С.

1.2.7. Выбор сталей для строительных металлических конструкций. Выбор стали произ­водится на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа сталей и профилей. Выбор стали зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция. Этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах;

характера нагружения, определяющего особенность работы материала и конструк­ций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках;

вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объем­ное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы);

способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения;

толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины.

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций подразделяются на четыре группы.

К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых усло­виях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрацион­ных или подвижных нагрузок (например, подкрановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных со­ставов, фасонки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характеризу­ется высоким уровнем и большой частотой загружения.

Конструкции первой группы работают в наиболее сложных условиях, способствую­щих возможности их хрупкого или усталостного разрушения, поэтому к свойствам ста­лей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.

Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую на­грузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений.

Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность ус­талостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы.

К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимуществен­ном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

К четвертой группе относятся вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а также конструкции третьей груп­пы при отсутствии сварных соединений.

 

Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требовани­ями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сварочных напряжений, более низкая концентра­ция напряжений и другие факторы улучшают их работу.

В пределах каждой группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах.

В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и кли­матического района строительства.

Окончательный выбор стали в пределах каждой группы должен выполняться на ос­новании сравнения технико-экономических показателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей заво­да-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных балках, фермах и т. п.) экономически целесообразно применение двух сталей: более высокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, балок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решетка ферм, стенки балок).

1.2.8. Алюминиевые сплавы. Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Его плотность = 2,7 т/м³, т.е. почти в 3 раза меньше плотности стали. Модуль продольной упругости алюминия Е=71000 МПа, модуль сдвига G = 27 000 МПа, что примерно в 3 раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали.

Алюминий не имеет площадки текучести. Прямая упругих деформаций непосред­ственно переходит в кривую упругопластических деформаций (рис. 1.7). Алюминий очень пластичен: удлинение при разрыве достигает 40 — 50%, но прочность его весьма низ­кая: = 6...7 кН/см², а условный предел текучести = 2...3 кН/см². Чистый алюми­ний быстро покрывается прочной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему развитию коррозии.

Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется довольно редко. Значительное увеличение прочности алю-миния достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием. цинком и некоторыми другими элементами.

 

 

 

Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в за­висимости от состава легирующих добавок в 2 —5 раз выше, чем технически чистого; однако относительное удлинение при этом соответственно в 2 — 3 раза ниже. С повыше­нием температуры прочность алюминия снижается и при температуре свыше 300 °С близка к нулю (см. рис. 1.7).

Особенностью ряда многокомпонентных сплавов А1 — Mg — Si, Al — Си — Mg, Al — Mg— Zn является их способность к дальнейшему увеличению прочности в процессе старения после термической обработки; такие сплавы называются термически упрочняемыми.

Временное сопротивление некоторых высокопрочных сплавов (системы Al — Mg — Zn) после термической обработки и искусственного старения превышает 40 кН/см², отно­сительное удлинение при этом составляет всего 5—10 %. Термическая обработка спла­вов двойной композиции (Al —Mg, Al— Mn) к упрочнению не приводит, такие сплавы получили название термически неупрочняемых.

Повышение условного предела текучести изделий из этих сплавов в 1,5 — 2 раза может быть достигнуто холодной деформацией (нагартовкой), относительное удлине­ние при этом также существенно снижается. Следует отметить, что показатели всех основных физических свойств сплавов вне зависимости от состава легирующих элемен­тов и состояния практически не отличаются от показателей для чистого алюминия.

Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих добавок, состо­яния поставки и степени агрессивности внешней среды.

Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов изготавливают на специализированных за­водах: листы и ленты — прокаткой на многовалковых станах; трубы и профили — мето­дом экструзии на горизонтальных гидравлических прессах, позволяющим получить про­фили самой разнообразной формы сечения, в том числе и с замкнутыми полостями.

На отправляемых с завода полуфабрикатах указывается марка сплава и состояние поставки: М — мягкое (отожженное); Н — нагартованное; Н2 — полунагартованное; Т — закаленное и естественно состаренное в течение 3 — 6 сут при комнатной темпера­туре; Т1 — закаленное и искусственно состаренное в течение нескольких часов при повышенной температуре; Т4 — не полностью закаленное и естественно состаренное; Т5 — не полностью закаленное и искусственно состаренное. Полуфабрикаты, поставля­емые без обработки, дополнительного обозначения не имеют.

Из большого числа марок алюминия к применению в строительстве рекомендуются следующие:

-термически неупрочняемые сплавы: АД1 и АМцМ; АМг2М и АМг2МН2 (листы); АМг2М (трубы);

-термически упрочняемые сплавы: АД31Т1; АД31Т4 и АД31Т5 (профили);

-1915 и 1915Т; 1925 и 1925Т; 1935, 1935Т, АД31Т (профили и трубы).

Все указанные выше сплавы, за исключением сплава 1925Т, который используется только для клепаных конструкций, хорошо свариваются. Для литых деталей использует­ся литейный сплав марки АЛ8.

Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости против коррозии, хладностойкости, антимагнитности, отсутствию искрообразования, долговечности и хорошему виду имеют широкие перспективы применения во многих областях стро­ительства. Однако из-за высокой стоимости использование алюминиевых сплавов в стро­ительных конструкциях ограничено.

 

Влияние различных факторов на свойства стали

1.3.1. Старение. При температурах ниже температуры образования феррита раство­римость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благо-

 

 

 

 

приятных обстоятельствах углерод выделя­ется и располагается между зернами фер­рита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решетки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и уменьше­нию пластичности (рис. 1.8) и сопротивле­ния хрупкому разрушению. Наряду с угле­родом выделяются азот и карбиды, кото­рые производят аналогичное действие. Пе­рестройка структуры и изменение прочно­сти и пластичности происходят в течение достаточно длительного времени, поэтому данное явление называется старением.

Старению способствуют, во-первых, механические воздействия, особенно раз­витие пластических деформаций (механи­ческое старение), во-вторых, температур­ные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии ком­понентов, а вследствие этого — к их выде-

лению (термическое старение, дисперсионное твердение). Путем нагревания до невы­сокой температуры (150 —200 °С) можно резко усилить процесс старения.

При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсив­ность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение сни­жает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рас­сматривается как явление отрицательное для сталей. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.

Для алюминиевых сплавов термическое старение используется для повышения проч­ности.

1.3.2. Наклеп. Повторные загружения в пределах упругих деформаций (до предела упругости) не изменяют вида диаграммы работы стали, нагружение и разгрузка будут происходить по одной линии (рис. 1.9, а).

Если образец загрузить до пластического состояния и затем снять нагрузку, то по­явится остаточная деформация (рис. 1.9, б). При повторном нагружении образца после некоторого «отдыха» материал работает упруго до уровня предыдущего загруже­ния. Повышение упругой работы материала в результате предшествующей пластичес­кой деформации называется наклепом. При наклепе искажается атомная решетка и увеличивается плотность дислокаций (см. подразд. 1.4.1). Пластичность стали снижается, повышается опасность хрупкого разрушения, что неблагоприятно сказывается на рабо­те строительных конструкций.

Наклеп возникает в процессе изготовления конструкций при холодной гибке эле­ментов, пробивке отверстий, резке ножницами.

 

 

В некоторых случаях, когда снижение пластичности не имеет большого значения, наклеп используется для повышения пределов упругой работы (например, в тонкой высокопрочной проволоке для висячих и предварительно напряженных конструкций, в холоднотянутой арматурной проволоке). Повышение предела текучести допускается также учитывать при расчете элементов из гнутых профилей, где в зоне гиба металл получает наклеп.

 

 

 

1.3.3. Влияние температуры. Механические свойства стали при нагревании ее до температуры 200 —250 "С практически не меняются (рис. 1.10, а).

При температуре 250 —300 °С прочность стали несколько повышается, пластичность снижается. Сталь в изломе имеет крупнозернистое строение и становится более хрупкой (синеломкость). Не следует при этой температуре деформировать сталь или подвергать ее ударным воздействиям.

Нагревание выше температуры 400 °С приводит к резкому падению предела текуче­сти и временного сопротивления, а при температуре 600 — 650 °С наступает температур­ная пластичность и сталь теряет свою несущую способность.

При отрицательных температурах прочность стали возрастает, временное сопротив­ление и предел текучести сближаются, ударная вязкость падает и сталь становиться хрупкой.

Зависимость ударной вязкости от температуры (рис. 1.10, б) характерна тем, что переход от вязкого разрушения к хрупкому происходит, как правило, скачкообразно, в узком температурном диапазоне, называемом порогом хладноломкости. Обычно в ка­честве порога хладноломкости принимают температуру, при которой ударная вязкость становится меньше определенной величины (30 — 40 Дж/см²).

Склонность стали к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от ве­личины зерна (мелкозернистые стали лучше сопротивляются хрупкому разрушению и имеют более низкий порог хладноломкости), наличия вредных примесей (фосфор, сера, азот, водород), толщины проката (масштабный фактор).

Наиболее склонны к хрупкому разрушению кипящие стали. Порог хладноломкости стали С235 (СтЗкп) лежит в интервале от 0 до -10 °С; для спокойной стали С255 (СтЗсп) переход в хрупкое состояние происходит при температуре -2О...-ЗО°С. Низколегиро­ванные стали имеют порог хладноломкости -40 °С и ниже.

При увеличении толщины проката порог хладноломкости смещается в область бо­лее высоких температур.

 

 

 

С изменением температуры меняется также вид поверхности излома. Бархатистая (волокнистая) часть излома свидетельствует о вязком разрушении, фасеточная часть - о хрупком. Чем больше бархатистая часть в изломе, тем лучше сталь сопротивляется хрупкому разрушению.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Кудишин Ю.И. Металлические конструкции / Ю.И. Кудишин и др. – 10 изд. М.: Академия.-2007.-675с.

 

 

---

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 979; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!