Классификация строительных 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.

Стали обычной прочности (s_y < 29 кН/см²). К этой группе отно­сят низкоуглеродистые стали (С235...С285) различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии. Обладая отно­сительно небольшой прочностью, эти стали очень пластичны: протяженность площадки текучести составляет 2,5 % и более, соотношения s_y / s_u 0,6...0,7. Хорошая свариваемость обес­печивается низким содержанием углерода (не более 0,22 %) и крем­ния. Коррозионная стойкость - средняя, поэтому конструкции, вы­полненные из сталей обычной прочности, следует защищать с по­мощью лакокрасочных и других покрытий. Однако благодаря невысокой стоимости и хорошим технологическим свойствам стали обычной прочности очень широко применяют для строительных ме­таллических конструкций. Потребление этих сталей составляет свы­ше 50% от общего объема. Недостатком низкоуглеродистых сталей является склонность к хрупкому разрушению при низких температу­рах (особенно для кипящей стали С235), поэтому их применение в конструкциях, эксплуатирующихся при низких отрицательных тем­пературах, ограничено.

Стали повышенной прочности (29 кН/см² ≤ s_y < 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 термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С345Т). Пластичность стали при этом несколько снижается и протяженность площадки текучести уменьшается до 1...1,5%.

Стали повышенной прочности 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 малоуглеродистым сталям. Более высокой коррозионной стойкостью обладают стали с повышенным содержанием меди (С345Д, С375Д, С390Д).

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%.

Стали высокой прочности (s_y ≥ 40 кН/см²). Прокат из стали вы­сокой прочности (С440...С590) получают леги­рованием и термической обработкой. Для легирования используют нитридообразующие элементы, способствующие образованию мел­козернистой структуры.

Стали высокой прочности могут не иметь площадки текучести (при s_y ≥ 50 кН/см²), и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже. Отношение s_y / s_u увеличивается до 0,8...0,9, что не позволяет учитывать при расчете конструкций из этих сталей пластические деформации.

Подбирая химический состав и режим термообработки, можно значительно повысить сопротивление хрупкому разрушению и обеспечить высокую ударную вязкость при температурах до - 70°С. Однако высокая прочность и низкая пластичность сталей 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. Эффект разупрочнения снижает введение в состав стали некоторых карбидообразующих элемен­тов (молибден, ванадий).

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

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 отвида 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.

Нераскисленные стали кипят при разливке вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более за­соренной газами и менее однородной.

Степень раскисления обозначается буквами: кп - кипящая; сп -спокойная; пс - полуспокойная.

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. Кроме того, при соединении с ки­слородом раскислители образуют 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 спокойными. Спокойная сталь более однородна, лучше сва­ривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Ее применяют при изготовлении ответствен­ных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

Спокойные стали примерно на 12 % дороже кипящих, что несколько ограничивает их применение.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной меж­ду кипящей и спокойной. Ее раскисляют меньшим количеством кремния - 0,05...0,15 % (редко алюминием). По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное положение. Низколегированные стали поставляют в основном спо­койной (редко полуспокойной) модификации.

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.

Оценку свариваемости стали проводят по углеродному эквива­ленту (%):

, (2.3)

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

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

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 6категорий: 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.

Все эти факторы указывают в марке стали. Так, например, ВСтЗпсб - это сталь 3, полуспокойная, с гарантией в пределах вели­чин, установленных стандартом для этой стали, механических харак­теристик, химического состава и ударной вязкости после механиче­ского старения. В строительстве в основном используют стали марок ВСтЗкп2, ВСтЗпсб и ВСтЗсп5, а также сталь с повышенным содер­жанием марганца ВСтЗГпс5.

Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы. Так, сталь С235 соответствует стали ВСтЗкп2, сталь С245 - ВСтЗпсб, сталь С255 - ВСтЗсп5. Рекомендации по такой замене приведены в нормах проектирования.