Строительные материалы и изделия

Черные металлы и стали

Продуктами доменного производства являются чугун, домен­ный шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль.

• Чугун, выплавляемый в доменных печах, по своему назначе­нию делят на три группы: литейный, передельный и ферросплавы. Из всей выплавки более 80 % составляет передельный чугун. Это преимущественно белый чугун, в котором весь углерод содержится в химически связанном состоянии в виде Fe3C. Пере­дельный чугун применяют для производства стали. Около 20% приходится на долю литейных чугунов и ферросплавов. Литей­ный серый чугун используют для получения фасонных отливок. Ферросплавы, содержащие повышенное количество кремния и марганца, применяют в качестве добавки при производстве стали повышенного качества.

В строительстве применяют главным образом серый чугун для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, ко­лонн), а также санитарно-технических (отопительных радиато­ров, труб) и архитектурно-художественных изделий. Значитель­ное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Некоторые виды чугунных строительных изделий показаны на рис. 9.2.

Серые чугуны обладают хорошими литейными качествами — жидкотекучестью, мягкостью, хорошо обрабатываются, сопротив­ляются износу. Установлены следующие марки отливок из серого чугуна: СЧ 00; СЧ 120-280; СЧ 150-320; СЧ 180-360; СЧ 210-400; СЧ 240-440; СЧ 280-480; СЧ 320-520; СЧ 360-560; СЧ 400-600 и СЧ 440-640. СЧ обозначает серый чугун. Первое число показы­вает предел прочности (МПа) при испытании на разрыв, а второе — на изгиб. Серый чугун марки СЧ 00 не испытывается.

• Стали по химическому составу делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, в свою очередь, бывают обыкновенного качества, качественные конструкционные (для машиностроения и наиболее ответственных конструкций) и ин­струментальные (для изготовления режущих инструментов, штампов, матриц). Легированные стали выпускают конструк-

ционные, инструментальные и специального назначения, отли­чающиеся некоторыми специфическими свойствами.

Стали, применяемые для строительных целей, различаются по качеству, назначению и способу выплавки (мартеновская или конвертерная).

По качеству и назначению сталь бывает: углеродистая обык­новенного качества: углеродистая горячекатаная для мосто­строения; углеродистая толстолистовая и широкополосная, термически обработанная; углеродистая качественная конструк­ционная для железнодорожных и крановых рельсов; низколеги­рованная конструкционная.

В зависимости от способа обработки строительные стали делят на три группы: I — горячего проката (рис. 9.3), II — хо­лодной вытяжки (выпускается в виде высокопрочной холодно­тянутой проволоки круглого и периодического профийя, а также в виде холоднотянутой проволоки обыкновенного качества); Пі — комбинированной обработки — гнутые профили.

Сталь углеродистая обыкновенного качества находит основ­ное применение в строительстве. Она представляет собой сплав Железа с углеродом. В ней присутствуют кроме углерода (0,06...0,62%) примеси кремния, марганца. Наиболее нежела­тельно присутствие фосфора, который вызывает хрупкость стали при низких температурах (хладноломкость), и серы при высоких температурах.

В зависимости от назначения и гарантируемых механических характеристик сталь углеродистую обыкновенного качества делят На две группы и одну подгруппу: группа А — поставляемая по механическим свойствам; группа Б — поставляемая по хими­ческому составу; подгруппа В — поставляемая по механическим

9 10

rvpjri. пал, ^ лиидра і пал, и

уголки: 5—равиобокий; 6—иеравнобокий профили: 7 — зетовый; 8, 9 — тавровый; 10 — двутавровый; 11 иый; 13 — оконный: 14 — шпуитовый: 15 — швелл<

свойствам с дополнительными требованиями по химическому составу. Для строительных целей используют в основном сталь группы А.

Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без термообработки. Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А производят следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб и 07. С увеличением содержания углерода марка стали повышается, растут прочность и твердость, снижаются пластичность и ударная вязкость.

Оаль группы Б изготовляется тех же марок, что и сталь группы А, но перед маркой стали ставят букву Б (БОО, БОЇ). Оаль группы В изготовляют марок В02, ВСтЗ, В04 и ВОб.

В легированных сталях в качестве легирующих веществ применяют кремний — С, хром — X, никель — Н, молибден—М, марганец — Г, вольфрам — В, алюминий — А, медь — Д, кобальт — К. Обозначение мерки легированной стали, напри­мер 25ХГ2С, используемой для арматуры предварительно напряженных железобетонных конструкций, показывает, что в ней содержится 0,25% углерода, 1% хрома, 2% марганца и 1 % кремния. Таким образом, первые две цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях процента, а остальные цифры — содержание легирующего элемента, стоящего перед цифрой в целых процентах. При мар­кировке высококачественной легированной стали (с низким со­держанием серы и фосфора) в конце ставится буква А. Напри­мер, ЗОХМА — легированная хромомолибденовая сталь высокого качества.

Механические свойства некоторых легированных конструкцион­ных сталей приведены в табл. 9.1.

Высоколегированные стали подразделяются на три группы: нержавеющие и кислотостойкие, окалиностойкие и жаропрочные н сплавы с высоким электросопротивлением.

В строительстве широко используют низкоуглеродистые и низколегированные стали. Их применяют для изготовления ме­таллических конструкций мостов, опор, транспортных галерей, подкрановых балок, мостовых кранов, арматуры железобетонных конструкций и др. Строительные стали применяют в горячеката­ном состоянии и после термической обработки. Стали постав­ляют в виде прутков, профилей, листов и широких полос.

Кроме того, применяют следующие изделия из стали: заклеп­ки, болты, гайки, шайбы, винты, гвозди, поковки, а также сталь­ные канаты. Заклепки используют для неразборного соединения металлических конструкций, а болты и гайки — для разъемных соединений, для крепления деревянной обшивки к металличе­скому каркасу и т. д. Болты выпускают с шестигранной голов­кой нормальной и повышенной точности. Болты повышенной точ­ности отличаются более точными размерами и обработанной поверхностью стержней. Они применяются редко. Поковки строительные изготовляют в виде скоб, применяемых при скреплении деревянных конструкций, для предотвращения их сдвига; штырей — для наращивания досок или брусьев; крючь­ев — для крепления настенных желобов и водосточных труб. Канаты стальные применяют для такелажных и монтажных Работ, а также для крепления подвесных ферм, висячих мос­тов, для оттяжек мачт и вантовых конструкций. Стальные канаты изготовляют из проволоки марки В (высшая). Проволоку применяют светлую или оцинкованную с пределом прочности при растяжении 1100...2000 МПа. Канаты изготовляют однопрядные или многопрядные с крестовой или односторонней свивкой, с органическим или металлическим сердечником.

• Термическая обработка придает стальным изделиям опреде. ленные механические свойства: высокую твердость, повысив этим сопротивление износу, меньшую хрупкость ДЛЯ улучшения обработки или повышения ударной вязкости и т. д. Это достига­ется нагревом и последующим охлаждением стали по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении изменяется структура стали, которая и определяет ее механические свойства.

Различают следующие виды термической обработки стали: закалку, отпуск, отжиг и нормализацию, а также обработку холодом и химико-термическую обработку.

Закалка — термическая обработка стали путем ее нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки при этой тем­пературе до завершения фазовых превращений с быстрым последующим охлаждением в воде, масле и других жидкостях При закалке увеличиваются твердость и прочность, но снижа­ется ударная вязкость. Закаленная сталь обладает большой хрупкостью, что делает ее малопригодной для практического использования.

Отпуску подвергают сталь после закалки для уменьшения хрупкости и ослабления внутренних напряжений. Отпуск стали заключается в нагреве ее ниже температуры закалки с после­дующим постепенным охлаждением на воздухе. В зависимости от вида отпуска изделие нагревают от 150 до 550°С. С повышением температуры отпуска сильно изменяются механические свойства закаленной стали: предел прочности и твердость понижаются, а относительное удлинение и вязкость возрастают.

Отжиг уменьшает структурную неоднородность стали, придает мелкозернистую структуру, снижает напряжение, возникшее при обработке давлением (ковке, волочении) или литьем, а также улучшает обрабатываемость стали резанием.

Нормализация — это, по существу, процесс отжига. Сталь­ное изделие нагревают до температуры несколько ниже темпе­ратуры закалки, выдерживают сталь при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате сталь получается более мелкозернистой, чем при отжиге, повышаются ее твер­дость, прочность, ударная вязкость по сравнению с отожженной сталью. •

Обработка холодом способствует более равномерной струк туре и повышает твердость стали. Закаленная сталь с содержа нием углерода более 0,6 % состоит из мартенсита с распределен ным в нем остаточным аустенитом, не успевшим перейти мартенсит при закалке. В результате структура стали оказыва ется недостаточно равномерной и несколько пониженной твердо сти, чем если бы она состояла только из мартенсита. Если ж такую сталь подвергнуть после закалки обработке холодом, процесс превращения аустенита в мартенсит продолжается.

g качестве охлаждающих сред, температура которых может постигать — 200°С и ниже, используют жидкий азот, аммиак, кислород и др.

Химико-термическая обработка стали заключается в изме­нении химического состава поверхностного слоя стального изде­лия путем насыщения его каким-либо другим веществом (угле­родом, азотом, цианом, хромом) с целью повышения твердости, износостойкости или коррозионной стойкости поверхности и со­хранения при этом высоких механических качеств самого изде­лия. Видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование и хромирование.

Цементацию стали осуществляют насыщением углеродом поверхностного слоя стального изделия при температуре среды

880.. .950°С, содержащей углерод.

Азотирование — насыщение азотом поверхностного слоя стального изделия при нагревании до 500...700°С в атмосфере аммиака NH3, при этом повышаются коррозионная стойкость, твердость, износоустойчивость и предел усталости стали. Азо­тированию подвергают легированные стали, содержащие в каче­стве легирующего вещества алюминий и прошедшие предвари­тельную термическую и механическую обработку, кроме окон­чательного шлифования. Глубина азотированного слоя 0,01... 1,0 мм.

Хромирование — насыщение поверхностного слоя хромом. Повышение коррозионной стойкости стали при действии пресной и морской воды, азотной кислоты, окислительной среды при вы­сокой температуре (окалиностойкость) достигается хромирова­нием. Твердость хромированного слоя низколегированной стали составляет НВ 250...300, а высокоуглеродистой — НВ 1200... 1300.