Металеві конструкції

СТАЛІ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ У БУДІВНИЦТВІ

Сталь — це сплав заліза з вуглецем і незнач­ними домішками, які надходять разом з рудою та паливом. У ряді випадків для поліпшення властивостей до складу сталі вводять легуючі компоненти. Залежно від вмісту легуючих склад­ників сталі поділяють на вуглецеві — легуючі компоненти не вводяться; низьколеговані — су­марний вміст легуючих компонентів не переви­щує 2,5 %; середньолеговані — легуючих еле­ментів 2,5—10 °/с, високолеговані — легуючих до­мішок понад 10 %.

У будівництві найчастіше застосовують вугле­цеві та низьколеговані сталі. Середньолеговані сталі використовують рідше, а високолеговані — лише в окремих екстремальних випадках, напри­клад, при високих чи дуже низьких температу­рах, в агресивних середовищах тощо. Це зумов­лено нестачею і високою вартістю легуючих ком­понентів.

Вуглецеву сталь поділяють на мало - вуглецеву — з вмістом вуглецю до 0,25 %; се - редньовуглецеву — вуглецю 0,25...0,60 %; високо - вуглецеву — вуглецю 0,60...2,00 %.

Будівельні сталі містять вуглецю до 0,22 %, тобто вони маловуглецеві. Два останніх види ста­лей широко застосовують у машинобудуванні як конструкційні, інструментальні тощо.

Кількість вуглецю має вирішальний вплив на механічні властивості сталей. При сполученні вуг­лецю з залізом виникають карбіди, які є основ­ними зміцнювальними структурними утворення­ми сталі. Збільшення вмісту вуглецю зумовлює зростання міцності, але водночас знижує плас­тичність та зварюваність сталі. Невеликий вміст вуглецю у будівельних сталях забезпечує їхню добру зварюваність і високу пластичність.

Суттєво підвищує міцність без значного зни­ження пластичності марганець, який завжди на­явний у сталях. Його вміст у вуглецевих сталях переважно становить 0,30...0,65 %, а у легова­них — більший, залежно від марки сталі.

Третьою домішкою, яку найчастіше містять вуглецеві сталі, є кремній — найпоширеніший розкиснювач. Він сприяє отриманню дрібнозер­нистої структури та підвищенню міцності. Але при цьому зменшується зварюваність і стійкість до корозії. Тому бажано, щоб вміст кремнію не перевищував 0,3 %.

В умовах, які спричиняють інтенсивну коро­зію, корисною домішкою є мідь. Разом з поліпшен­ням корозійної стійкості мідь підвищує і міцність (хоча менше, ніж марганець), але погіршує зва­рюваність.

Крім зазначених елементів, .деговані сталі до­датково містять такі домішки, як нікель, хром, ванадій, вольфрам, молібден, титан, бор тощо. їх введення до складу сталей поліпшує експлуа­таційні якості матеріалу. Але при цьому необхідно пам'ятати, що запаси легуючих елементів обме­жені, а вартість висока. Окрім цього, підвищений вміст легуючих компонентів погіршує зварю­ваність. Економічно вигідним способом покращен­ня сталі є так зване карбонітридне зміцнення, коли зміцнювальними компонентами є не лише карбіди металів, але й їхні нітриди. Суттєве підвищення міцності та холодостійкості досягає­ться введенням у сталь невеликої кількості карбі - до - і нітридоутворювальних домішок: азоту, ва­надію, ніобію, що не призводить до помітного по­гіршення зварюваності та зростання вартості.

Поряд з корисними домішками до складу ста­лей входять і шкідливі, які неминуче надходять з рудою та паливом. У першу чергу це такі, як сірка і фосфор. Сірка та фосфор роблять сталь крихкою, схильною до утворення тріщин відповід­но при високих і низьких температурах. Дуже шкідливими є кисень, водень та вільний азот, які також зумовлюють крихкість сталей.

Суттєвий вплив на якість сталі як матеріалу для металевих конструкцій мають особливості її кристалічної будови. При кімнатній температурі основна складова частина вуглецевої сталі — залізо — перебуває у вигляді мікроскопічних зерен, що мають атомну гратку фериту. Орієнта­ція граток окремих зерен хаотична. У місцях включень інших елементів і на межах зерен пра­вильність гратки порушена.

Вуглець перебуває у хімічній сполуці зі за­лізом, утворюючи карбід заліза — так званий це­ментит. Ферит досить м'який і пласіичний. Це­ментит, навпаки, дуже твердий і крихкий. Через незначний вміст вуглецю цементит утворюється у невеликій кількості і в структурі сталі він має вигляд перліту — тонкодисперсної суміші час­тинок цементиту і фериту, що не мають правиль­ної кристалічної будови. Розміщується перліт між зернами фериту у вигляді прошарків і окремих включень. Як і цементиту, йому властиві значна міцність та пружність.

Структура легованих сталей подібна до вуглецевої. Легуючі компоненти знаходяться у твердому розчині з залізом, порушуючи пра­вильність кристалічної гратки зерен фериту, а також сприяючи утворенню карбідів і нітридів, що додатково зміцнюють прошарки між зернами.

Характер деформацій сталі під дією наванта­ження визначається спільним деформуванням її складових частин. В окремих зернах фериту пластичні деформації виявляються вже при не­значних навантаженнях, значно раніше, ніж на­пруження досягнуть межі текучості сталі. Пояс­нюється це тим, що окремі шари атомів у кристалі фериту під дією зусиль відносно легко зсуваються один щодо іншого.

На рис. 2.1, а—д показані послідовні стадії де­формування монокристала. При незначних зусил­лях спостерігаються пружні деформації внаслідок розтягнення міжатомних зв'язків (рис. 2.1, б). При зростанні навантаження окремі зв'язки між ато­мами розриваються і „правильність" атомної ґратки порушується, з'являється так звана лінійна дислокація А (рис. 2.1, в). Далі ця дисло­кація просувається вздовж площини ковзання до межі кристала (рис. 2.1, г). На рис. 2.1, д зображено гратку після пластичної деформації кристала.

Межа між окремими зернами фериту є пере­шкодою для просування лінійної дислокації, оскільки при хаотичній орієнтації граток площини ковзання у сусідніх зернах не співпадають (рис. 2.1, е). Для подолання межі між зернами необхідні додаткові зусилля. Цим пояснюються ліпші ме­ханічні якості дрібнозернистих сталей, у яких кількість міжзернових меж більша. Наявність на межах зерен перлітових вкраплень іпрошарків до­датково утруднює просування дислокацій і підви­щує міцність.

Крім лінійної, існують ще гвинтова, об'ємна та точкова дислокації (рис. 2.2). Наявність у моно­кристалі початкових пошкоджень кристалічної гратки, наприклад, атомів легуючих домішок (рис. 2.2, б, в), також утруднює пересування дис­локацій, зумовлених силовими впливами, і тим самим дає змогу уникнути прояву пластичних де­формацій та сприяє зростанню міцності. Необ­хідно зазначити, що поблизу межі зерна крис­талічна гратка дуже деформована. Це також є фактором, який позитивно впливає на міцність.

Для одержання оптимальної структури сталь піддають термічній обробці. За звичайних темпе­ратур розчинність вуглецю у фериті незначна і практично весь він зосереджений на межах зерен. За високих температур атоми вуглецю є скла­довими частинами кристалічної гратки аустеніту. При нагріванні сталі до температури переходу гратки фериту в аустеніт (890...920 °С) через не­рівномірне збагачення зерен фериту вуглецем на місці зерна фериту утворюється кілька зерен аус­теніту. Під час повільного охолодження на повітрі в різних частинах зерен аустеніту цементит ут­ворюється також неодночасно, що, в свою чергу, розбиває його на кілька зерен фериту. Цей процес називається нормалізацією. У результаті сталь стає більш однорідною, зростає її в'язкість і плас­тичність.

При швидкому охолодженні (наприклад, во­дою) сталі, нагрітої до температури фазового перетворення, відбувається гартування. Сталь зберігає переохолоджену гратку аустеніту і містить вуглець у твердому розчині. Така струк­тура нестійка. Для її стабілізації здійснюють від­пуск — повторне нагрівання з повільним охолод­женням. Найчастіше відпуск виконують при ниж­чих температурах, ніж гартування — до 700 °С. При цьому отримують дрібнозернисту феритову структуру, рівномірно зміцнену перлітовими про­шарками і вкрапленнями. Це так званий сорбіт відпуску, який має високу міцність і в'язкість. По­трібна структура може бути отримана і без від­пуску, якщо належним чином вибрано швидкість охолодження після гартування.

Під час термічної обробки одночасно знімають­ся внутрішні напруження, що також сирияє по­ліпшенню властивостей сталі.

Незважаючи на мізерну розчинність вуглецю у фериті, все ж деяка його частина під час крис­талізації розплаву залишається у складі зерен у вигляді твердого розчину. З часом атоми вуг­лецю дифундують до меж зерен, збільшуючи там кількість карбіду заліза. Виділяються також кар­біди і нітриди інших елементів, внаслідок чого зростає міцність сталі, але одночасно знижуються її пластичність, опір крихкому руйнуванню, ди­намічним і ударним навантаженням. Цей процес називається старінням металу. З підвищенням температури, при періодичному нагріванні та охо-

Лодженні 1іід дією постійних і особливо змінних напружень, під час механічних впливів старіння прискорюється.

Якість сталі оцінюють за механічними влас­тивостями та хімічним складом. Як зазначено вище, робота сталі під навантаженням значною мірою залежить від міцності й роботи поверхонь зерен та прошарків між ними. На початкових ста­діях завантаження пластичні деформації зерен фериту стримуються опором контактних повер­хонь, прошарків перліту та інших вкраплень. При напруженнях, що дорівнюють межі текучості ат (рис. 2.3), їх онір долається. Енергія деформації, накопичена зернами фериту та стримувана зміц­нювальними структурами, виділяється, і відбу­вається загальний зсув. На діаграмі з'являється ділянка текучості. У високоміцних сталей опір перлітових вкраплень, легуючих компонентів та їх карбідів і нітридів настільки великий, що ділян­ка текучості не виявляється. В цьому випадку відзначають умовну межу текучості сти2 (рис. 2.3).

Зі збільшенням навантаження при пластичних деформаціях зв'язок між частинами кристалів на площинах ковзання зменшується. Відповідно до цього зменшується і модуль деформацій, а діа­грама стає щоразу пологішою, поки не буде до­сягнута межа міцності см, за якої рівновага між навантаженнями і внутрішніми напруженнями неможлива, а метал руйнується.

Відносне видовження зразка після розриву є показником пластичності. Відносне видовжен­ня будівельних сталей залежно від складу і структури змінюється у широких межах від

20...25 % для м'яких маловуглецевих сталей зви­чайної міцності, до 8...10 % — для високоміцних.

Схильність сталі до крихкого руйнування при ударному навантаженні оцінюється за ударною в'язкістю — роботою, необхідною для руйнування стандартного зразка ударним вигином. Для буді­вельних сталей не допускається зниження цього показника нижче 0,3 МДж/м2. Значення ударної в'язкості залежить не лише від складу та струк­тури сталі, але й від температури. Гіри темпе­ратурі нижче 0 °С значення ударної в'язкості різ­ко зменшується, і лише сталі, до складу яких входять легуючі компоненти, мають належну пра­цездатність при низьких температурах.

Основним видом обробки на заводах, що ви­готовляють металеві конструкції, є обробка у хо­лодному стані (різання, пробивання отворів, гнут­тя тощо). Тому важливою є здатність сталі плас­тично деформуватися при звичайних температу­рах без утворення тріщин. За цим показником оцінку ведуть після загинання стрічкового зразка навколо круглої оправки. Показником є наймен­ший діаметр круглої оправки, навколо якої зразок згинається на 180° без утворення тріщин. Пере­важно для будівельних сталей цей показник не повинен бути більшим за дві товщини зразка

Хімічний склад сталі характеризується про­центним вмістом у ній різних домішок. Сталі з однаковим хімічним складом і механічними влас­тивостями об'єднують у марки.

Залежно від гарантій постачальників сталі поділяють на групи та категорії. Розрізняють три групи вуглецевих сталей:

Група А — сталь має гарантовані механічні якості;

Група Б — сталь має гарантований хімічний склад;

Група В — сталь має гарантовані механічні якості та хімічний склад.

Для будівельних конструкцій використовують лише маловуглецеву сталь групи В, оскільки для забезпечення міцності конструкцій необхідні га­
рантовані механічні властивості, а для зварюва­ності — хімічний склад. За способом виплавлення будівельні сталі найчастіше бувають мартенівсь­кими або конверторними. Сучасна технологія ви­плавлення конверторної сталі дає метал, близь­кий за якістю до отриманого в мартенах. Тому при поставках спосіб виплавлення не зазначають. Перспективною є сталь з губчастого заліза пря­мого відновлення, яке отримують переробкою рудного концентрату в спеціальних печах. Оста­точно сталь отримують переплавленням губчас­того заліза з необхідними домішками в електро­печах. Така сталь відзначається підвищеною чис­тотою.

Після виплавлення сталь містить розчинені гази (переважно 02, СО та С02) як наслідок окис - нення вуглецю чавуну. При охолодженні ці гази бурхливо виділяються. Сталь ніби кипить, звідси й походить назва кипляча сталь. Виділення газів під час кристалізації призводить до неоднорід­ності металу. З цієї причини і внаслідок підви­щеного вмісту кисню така сталь має знижений опір крихкому руйнуванню. З метою поліпшення якості при закінченні плавки в сталь вводять роз - кисники, що зв'язують кисень. Реакція окиснення вуглецю припиняється, і сталь кристалізується спокійно. Як розкисники найчастіше використо­вують відносно дешевий кремній, рідше — до­рожчі марганець, алюміній, інколи кальцій чи ти­тан. Таку сталь називають спокійною. Вона значно однорідніша, а вміст кисню низький. Розкисники одночасно поліпшують властивості металу і зу­мовлюють подорожчання сталі.

Напівспокійна сталь є компромісом між кип­лячою і спокійною. Витрата розкисників у два— п'ять разів менша, ніж для спокійної сталі. Від­повідно нижчою є і вартість. Але за якістю така сталь поступається спокійній. Тому для важливих конструкцій та елементів використовують спокій­ні сталі. Більшість будівельних легованих сталей виплавляють спокійними.

Для виготовлення будівельних металевих кон­струкцій найчастіше застосовують вуглецеві сталі таких марок: ВСтЗкп2, ВСтЗпсб, ВСтЗспб, ВСтЗГспй, де В — група поставки сталі; СтЗ — порядковий номер сплаву; кп, пс і сп — скорочені позначки (відповідно киплячої, напівспокійної і спокійної) ста­лей. Остання цифра марки позначає категорію по­ставки.

Для всіх категорій поставки гарантуються такі механічні властивості, як межа текучості, чи умовна межа текучості, межа міцності, відносне видовження після розриву. Різняться категорії переважно гарантіями щодо ударної в'язкості. Ударна в'язкість може не гарантуватися (кате­горія 2), гарантуватися при +20 °С (категорія 3), а також гарантуватися при різних від'ємних тем­пературах, у тому числі й після старіння: кате­горії 4—6 для вуглецевих сталей і до 15 категорії для низьколегованих. Наприклад, для вуглецевої сталі категорії 4 гарантується ударна в'язкість до —20 °С; категорії 5 до _20 °С і після механіч­ного старіння; 6 — тільки після механічного старіння. У низьколегованих сталей гарантії по­ширюються на ще нижчі температури.

У позначках марок легованих сталей відобра­жено їхній хімічний склад, який впливає на ме­ханічні властивості сплавів. Літери є умовними позначками назви компонентів сплаву. Напри­клад: (У) вуглець підвищує міцність, знижує пластичність і зварюваність; (С) кремній вживає­ться як розкисник, впливає подібно до вуглецю, але дещо слабше; (Г) марганець підвищує міц­ність, слабо впливає на пластичність та зварю­ваність, компенсує вплив сірки; (Д) мідь підвищує корозійну стійкість та міцність, дещо знижує пластичність; (Ю) алюміній добрий розкисник, але дорожчий за кремній, нейтралізує дію фосфору, дещо підвищує ударну в'язкість; (А) азот у хімічно незв'язаному стані шкідливий, а у вигляді нітридів алюмінію, ванадію, титану покращує ме­ханічні властивості; (Н) нікель, (X) хром, (Ф) ва­надій, (В) вольфрам, (М) молібден, (Т) титан, (Р) бор — найпоширеніші легуючі компоненти, що по­ліпшують механічні властивості сталей і їхню стійкість до корозії. Для металевих конструкцій рекомендують такі леговані сплави: 09Г2, 14Г2 — марганцеві; 09Г2С, 10Г2С, 10Г2СІ — марганцево - кремнієві; 15ГФ та 15Г2СФ — марганцево-ва­надієві та марганце-ванадієво-кремнієві; 15ХСНД, 10ХСНДП — хромокремнієнікелевомідні; 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ, 12Г2СМФ, 14Х2ГМР, 14ХМНДФР, 14ХГН2МД — високоміцні екладнолеговані сталі. Дві перші цифри характеризують вміст вуглецю у сотих частках процента, а цифри перед умов­ними позначками елементів — їхній вміст у про­центах (вміст до 1 % цифрою не позначається).

Для кожної конкретної конструкції марку виз­начають згідно з призначенням споруди, видом напруженого стану, а також способом виготовлен­ня і умовами експлуатації. За цими показниками конструкції поділяють на чотири групи.

До першої групи належать зварні конструкції, які працюють в особливо важких умовах при не­сприятливих напружених станах. Остання, чет­верта, група об'єднує другорядні та допоміжні елементи, напружений стан і технологія виготов­лення яких сприяють безпеці експлуатації. Де­тальний опис ознак, за якими конструкції поді­ляють на групи та рекоменовані для них марки сталей, подано у додатку 5.

Щоб спростити визначення механічних харак­теристик сталей і створити передумови для їх взаємозаміни під час виготовлення конструкцій, у нормативних документах (СНиП П-23-81*) марки сталей згруповані. За ГОСТ 27772—88 сталі позначають так: С235, С245, С255, С275, С285, С345 та С345Т, С345К, С375 та С375Т, С390 та С390Т, С390К, С440, С590 і С590К. Наприклад, сталь С235 об'єднує рекомендовані для викорис­тання у металевих конструкціях марки: ВСтЗкп2, ВСТЗкіі2-1 та 18кп; сталь С245 — листовий про­кат товщиною до 20 мм і фасонний до ЗО мм марки ВСтЗгісб та марки ВСтЗпсб-1, 18пс; сталь С255 — марки ВСтЗспо, ВСтЗГпс5, ВСЗпсО (листовий про­кат товщиною 20...40 мм і фасонний понад ЗО мм), ВСтЗсгі5-1, ВСтЗГпс5-1, 18 сп, 18Гпс, 18Гсп, сталь С275 містить лише одну рекомендовану марку ВСтЗпсб-2; сталь С285 — дві марки, а саме ВСтЗсп5-2, ВСтГпс5-2; сталі С345 і С345Т — марки 09Г2, 09Г2С, 14Г2 (листовий і фасонний прокат товщиною до 20 мм), 15ХСНД (листовий прокат товщиною до 10 мм і фасонний до 20 мм) тощо. У назвах буква "С" є скороченням слова сталь, а подальші цифри вказують на найбільше значення нормативного опору сталі за межею те­кучості при розтягові (у мегапаскалях). Варто звернути увагу на те, що зі збільшенням товщини прокату характеристики міцності зменшуються, і прокат однієї й тієї ж марки, але різної товщини може належати до різних сталей. Окрім цього, в межах однієї позначки сталі прокат різної тов­щини має різні нормативні та розрахункові опори.