Вопрос 4. Стали для строительных конструкций. Требования к ним.

Реферат

По курсу металлических конструкций

 

 

Выполнила: студентка 312 гр.

Воронова Алина

 

Проверил: С.Д. Шафрай

 

Новосибирск 2016

Вопрос 4. Стали для строительных конструкций. Требования к ним.

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.

В твердом состоянии сталь является поликри­сталлическим телом, состоящим из множества различно ориентиро­ванных кристаллов (зерен). В каждом кристалле по­ложительно заряженные ионы расположены упорядоченно в узлах пространственной решетки. Для стали характерны кубические кристаллические объемно-центрированная и гранецентрированная решетки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Кубическая кристаллическая решетка:

а - объемно-центрированная; б - гране­центрированная

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

Температура плавления чистого железа равна 1539°С. При охлаждении образуются кристаллы d -железа с объемно-центрированной решеткой (рис. 2.1, а); при температуре 1400°С происходит перекристаллизация и d -железо пе­реходит в g -железо с гранецентрированной решеткой (рис. 2.1, б). При 910°С и ниже кристаллы g -железа вновь превращаются в объем­но-центрированные с сохранением такого состояния в обычных ус­ловиях (a -железо).

При дальнейшем остывании стали образуется твердый раствор углерода в g -железе, называемый аустенитом, в котором атомы углерода распо­лагаются в центре гранецентрированной кристаллической решетки. При темпе­ратуре ниже 910°С начинается распад аустенита. Образующееся a -железо (феррит) плохо растворяет углерод. По мере выделения феррита аустенит обога­щается углеродом и при температуре 727°С превращается в перлит - смесь феррита и карбида железа Fe₃С (цементи­т).

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.

Структура низколегированных сталей аналогична структуре малоуглеродистой ста­ли. Низколегированные стали тоже содержат мало углерода, повышение их прочности достигается легированием - добавками, которые, как правило, находятся в твердом растворе с ферритом и, растворяясь, упрочняют его. Легирующие добавки образуют карбиды и нитриды, также упрочняющие ферритовую основу и способствуют образованию мелкозернистой структуры.

Основные химические элементы, применяемые при легировании:

Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и углерода с неко­торой добавкой кремния или алюминия, марганца, меди.

Углерод (У), повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает сва­риваемость; поэтому в строительных сталях, которые должны быть достаточно плас­тичными и хорошо свариваемыми, углерод допускается в количестве не более 0,22 %.

Кремний (С), повышает прочность ста­ли, ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как хороший раскислитель; в малоуглеро­дистые стали добавляется до 0,3 % кремния, в низколегированные - до 1 %.

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

Марганец (Г) повышает прочность и вязкость стали, хороший раскислитель, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. В ма­лоуглеродистых сталях марганца содержится до 0,64 %, в легированных - до 1,5 %; при содержании марганца более 1,5 % сталь становится хрупкой.

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

Молибден (М) и бор (Р) обеспечивают высокую устойчивость аустенита при охлаждении, что очень важно для получения высокопрочного проката боль­ших толщин. После закалки и высокого отпуска сталь становится мелкозернистой, на­сыщенной карбидами. Такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.

Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, особенно при низких температурах. Его не должно быть более 0,008 %.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется также присадкой металлов: марганец (Г), хром (Х), ваннадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т).

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали.

Вредные примеси. Фосфор - повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладноломкость), и снижает пластичность при повышенных; сера - делает сталь красноломкой (склонной к об­разованию трещин при температуре 800 - 1000 °С). Поэтому содержание серы и фос­фора в стали ограничивается: так, в углеродистой стали Ст3 серы дол­жно быть не больше 0,05 % и фосфора - 0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насы­щение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, нахо­дящийся в расплавленном состоянии. Кислород повышает хрупкость стали, несвязан­ный азот также снижает качество стали, водород (всего 0,0007 %) 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.

Значительного повышения прочности, де­формационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой. Под влиянием температу­ры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, ве­личина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключает­ся в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последую­щего охлаждения на воздухе. После нормализации структура стали получается более упорядоченной, снимаются внутренние напряжения, что приводит к улучшению проч­ностных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости.

Надежность и долговечность ме­таллических конструкций во многом определяется механическими свойствами стали.

Прочность - сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения.

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

Пластичность - свойство материала сохранять несущую способность в процессе деформирования.

Хрупкость - склонность к разрушению при малых деформациях.

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

Твердость - свойство поверхностного слоя ме­талла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.

Прочность металла при статическом нагружении, а также его уп­ругие и пластические свойства определяют испытанием стан­дартных образцов (прямоугольного или круглого сечения) на рас­тяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением s и относительным удлинением e.

; , (2.1)

где F – нагрузка;

A – первоначальная площадь поперечного сечения образца;

l₀ – первоначальная длина рабочей части образца;

Δl – удлинение рабочей части образца.

Рисунок 2.1 – Образец и диаграмма растяжения стали

а - образец для испытания на растяжение; б – диаграммы растяжения сталей и чугуна (1 – малоуглеродистая сталь; 2 – чугун; 3 – высокопрочная сталь)

Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопротивление и предел текучести. Временное сопротивление (s_u) - предельная разрушающая нагрузка, отне­сенная к первоначальной площади поперечного сечения образца. Предел текучести (s _y) - напряжение, которое соответствует оста­точному относительному удлинению после разгрузки, равному 0,2%. В мягких сталях при таком напряжении начинается интенсивный процесс развития деформаций, которые растут без изменения нагрузки с образованием площадки текучести - металл "течет". Для сталей, не имеющих площадки текучести, вводят понятие условного предела те­кучести s₀₂, величину которого определяют по тем же правилам.

Классификация сталей

По прочностным свойствам стали условно делят на три груп­пы: обычной прочности (s_y < 29 кН/см²); повышенной прочности (29 кН/см² ≤ s_y < 40 кН/см²); высокой прочности (s_y ≥ 40 кН/см²). Повышение прочности стали достигается легированием и терми­ческой обработкой.

Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойко­сти металлических 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 хладостойкостью, поэтому применение стали С345К рекомендуют при толщинах не более 10 мм.

В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функ­ции (например, мембранные покрытия), широко используют тонко­листовой прокат. Для повышения долговечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки ОХ18Т1Ф2, не содержащей никеля. В больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной хруп­костью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщи­ной до 2 мм) позволяют применять его в конструкции при расчет­ных температурах до -40°С.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки (медь, хром и т.д.) специально не вво­дятся и могут попасть в сталь из руды.

Углерод, повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому для строительных металлических конструкций применяют только малоуглеродистые 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 применяют низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5 %.

В зависимости от вида поставки стали подразделяются на:

- горячека­таные;

- термообработанные (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 существенного повышения прочности не происходит. Термическое улучшение (закалка в воде и высокотемпе­ратурный отпуск) позволяют получить стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению.

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

Нормирование сталей.

Основным стандартом, регла­ментирующим характеристики сталей для строительных металличе­ских конструкций, является ГОСТ 27772 - 88. Согласно ГОСТу, фа­сонный прокат изготовляют из сталей С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345к, С375, для листового и универсального проката и гну­тых профилей используются также стали С390, С390К, С440 и С590К. Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повы­шенным содержанием меди (для улучшения коррозионной стойко­сти) при этом к обозначению стали добавляют букву Д.

Буква С в наименовании означает сталь строительную, цифра показывает значе­ние предела текучести в МПа, буква К - вариант химического состава.

Прокат поставляют как в горячекатаном, так и в термообработанном состоянии. Выбор варианта химического состава и вида тер­мообработки определяется заводом. Например, листовой прокат стали С345 может изготовляться из стали с химическим составом С245 с термическим улучшением. В этом случае к обозначению стали добавляют букву 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, С375-2.

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

Строительные металлические конструкции изготовляют также из сталей, поставляемых по ГОСТ 380 - 88* "Сталь углеродистая обык­новенного качества", ГОСТ 19281 - 89 " Прокат из стали повышен­ной прочности. Общие технические условия." и другим стандартам.

Различий между свойствами стали, имеющими одинаковый химический состав, но поставляемым по разным стандартам, нет. Разница в способах контроля и обозначениях. Так, по ГОСТ 380-88* в обозначении марки стали указываются 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.

Для малоуглеродистых сталей в зависимости от вида испытаний на ударную вязкость установлено 6 категорий: категории 1, 2 - испы­тания на ударную вязкость не проводят, 3 - проводят при t = +20°С, 4 - при -20°С, 5 - при -20°С и после механического старения, 6 - по­сле механического старения.

 

Выбор стали зависит от следующих факторов, 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.

При выборе стали необходимо учитывать группу конструкций.

К первой группе относят 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 нагружения.

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 относят сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции второй 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 относят 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.

В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а также конструкции третьей группы при отсутствии сварных соеди­нений.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оце­нивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющим 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 предъявляют требования по ударной вязкости при различных температурах.

В СНиП II-23-81 содержится перечень марок сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.

Влияние температуры на стали.

Механические свойства стали при нагревании ее до температуры t = 200...250 °С практически не меняются.

 

1 – модуль упругости; 2 – временное сопротивление; 3 – предел текучести

При температуре 250...300°С проч­ность стали не­сколько повышает­ся, пластичность снижается. Сталь становится более хрупкой. При этой температуре не следует сталь дефор­мировать или подвергать удар­ным воздействиям.

При нагревании выше 400°С резко падает предел текуче­сти и временное сопротивление, а при t = 600...650°С наступает температурная пластичность и сталь теряет свою несущую способ­ность.

При отрицательных температурах прочность стали возрастает, ударная вязкость падает и сталь становится более хрупкой (рис. 2.2.2).

В строительных конструкциях применяют в основном прокатную сталь, поставляемую с металлургических заводов в виде профилей различной формы поперечного сечения. Для стальных конструкций используют листовую и профильную сталь. Профильную сталь под­разделяют на сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавры, швеллеры и другие фасонные профили). Кроме того, ши­роко применяют вторичные профили: сварные, получаемые сваркой полос или листов, и гнутые, образованные холодной гибкой полос и листов.