МК_Справочник_том_1

Классы прочности и категория качества по хладостойкости. Как уже указывалось, в целях унификации применяемые в строительных металлоконструкциях стали по гарантированным значениям предела текучести и временного сопротивления разрыву разделены на семь основных уровней (классов) прочности (табл.1.4) [2]. Сталь класса С 225 (sò ³ 225 МПа) условно принято называть сталью нормальной прочности, трех следующих классов (sò ³ 285, ³ 325, ³ 390 ÌÏà) – сталью повышенной прочности и остальных трех классов (sò ³ 440, ³ 590, ³ 735 ÌÏà) – сталью

высокой прочности.

Таблица 1.4. Классы прочности и группы качества по хладостойкости проката строительных сталей [2]

Обычно первому классу прочности соответствует прокат углеродистой стали обыкновенного качества в горячекатаном состоянии, последующим классам проч- ности от второго до пятого – прокат низколегированной стали в горячекатаном или нормализованном состоянии, шестому и седьмому классам прочности – прокат экономно легированной стали, поставляемой, как правило, в термоулучшенном состоянии. Однако возможно также получение проката второго и третьего классов путем термического и термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Наряду с требованием гарантированной прочности к строительным сталям предъявляется требование гарантированного сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Оно регламентируется показателями ударной вязкости при отрицательной температуре и при температуре плюс 20 °С после механического старения. Все строительные стали по хладостойкости условно можно разделить на три группы:

I – без гарантированной хладостойкости;

II – с гарантированной хладостойкостью для металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных температурных условиях (расчетная температура не ниже минус

40°Ñ);

III – c гарантированной хладостойкостью, но для конструкций, эксплуатируе-

мых при расчетной температуре ниже минус 40 °С («северное исполнение»).

В табл.1.4 приведена температура испытаний, при которой должна быть гарантирована ударная вязкость стали каждой группы качества по хладостойкости. Ука-

31

занным группам соответствуют определенные марки стали и категории качества, предусмотренные стандартами на сталь. Так, по ГОСТ 27772-88* группе I соответствует сталь С235, группе II – стали С255 и С285, стали С345 и С375 категории 1 и 3, сталь С590, группе III – стали С345 и С375 категории 2 и 4, сталь С590К.

Все температуры испытаний в табл.1.4 (как и в ГОСТ 27772-88*) указаны для условий определения ударной вязкости KCU на стандартных образцах с полукруглым надрезом (радиус 1 мм) типа I по ГОСТ 9454-78*, вырезаемых из листов и широкой полосы в направлении поперек направления прокатки, а из фасонных профилей и сортовой стали – вдоль направления прокатки. Вместе с тем в последнее время остро ставится вопрос о переходе при аттестации стали к более жестким условиям определения ударной вязкости KCV на образцах с острым треугольным надрезом (радиус 0,25 мм) типа II по ГОСТ 9454-78*. Использование этих образцов соответствует международной практике.

Согласно имеющимся методическим исследованиям, единый переход от норм KCU к нормам KCV, общий для всех металлоизделий, отсутствует и необходимо учитывать индивидуальные особенности, включающие в себя как вид металлопроката, так и качество стали. Все же общим для такого перехода является необходимость повышения температуры испытания, которая для металлопроката строительной стали эквивалентной хладостойкости при прочих равных условиях (то же направление вырезки образцов, та же метрологически обоснованная величина ударной вязкости 0,3 мДж/м2) составляет примерно 40 °С. Таким образом нормам KCU, при минус 40 °С и минус 70 °С будут близко соответствовать нормы KCV при 0 °С и минус 30 °Ñ.

Под влиянием колебания содержания элементов в интервале марочного состава, неоднородности слитка и условий прокатки прочностные характеристики cтали каждой марки варьируются в широких пределах. Стремление более полно использовать фактическую прочность проката в конструкциях привело к идее селективного разделения на металлургических заводах всей совокупности металлопродукции данной марки на отдельные группы прочности, отличающиеся гарантируемыми значениями предела текучести и временного сопротивления разрыву.

В нашей стране такое разделение на группы прочности осуществлено для строительных углеродистых и низколегированных марок стали первого, второго и третьего классов прочности [26] и нашло отражение в ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 27772-88*. По этим нормам каждая марка углеродистой и низколегированной стали разделена на две группы прочности, причем для второй группы гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления на 10–40 МПа выше, чем для первой. Высокая надежность соблюдения норм прочности и пластичности (с вероятностью не ниже 95 %) обеспечивается специальными статистическими процедурами приемки и контроля. Металлопрокат, поставляемый по этим нормам, получил название сталь с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности.

1.3. ÑТАЛЬ УГЛЕРОДИСТАЯ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

Прокат из углеродистой стали обыкновенного качества является материалом, наиболее широко применяемым в строительных металлоконструкциях. По имеющимся данным [27] относительное количество этого проката составляет около 80 % по массе всего проката, используемого в сварных конструкциях и в ближайшие 10–15 лет может уменьшиться лишь незначительно. Марки и общие технические требования к углеродистым сталям содержатся в ранее действовавшем ГОСТ 38071**, новых действующих ГОСТ 380-88* и ГОСТ 27772-88* и ТУ 14-1-3023-80. Сталь изготовляется горячекатаной: сортовой, фасонной, толстолистовой, тонко-

32

листовой, широкополосной и холоднокатаной – тонколистовой. Из стали изготовляются также трубы, поковки и штамповки, лента, проволока и метизы. Сталь выплавляется, как правило, в мартеновских печах или кислородных конвертерах с различной степенью раскисления, в зависимости от которой она может быть кипящей, спокойной или полуспокойной.

Ïî ÃÎÑÒ 380-71* в зависимости от назначения стали разделяются на три группы (А, Б, В), семь марок ( Ст0 – Ст6) с возрастанием содержания углерода от 0,06– 0,12 – в стали марки Ст1 до 0,38–0,49 % – в стали марки Ст6. Поставляются они шести категорий качества – в зависимости от количества гарантируемых характеристик химического состава и механических свойств, трех степеней раскисленности: кипящая, полуспокойная и спокойная (условные обозначения кп, пс и сп). Из них для строительных металлоконструкций согласно строительным нормам и правилам (СНиП II-23-81*) используются исключительно только стали, поставляемые по группе В марки Ст3: ВСт3кп, Вст3пс, ВСт3Гпс и ВСт3сп. При этом в целях унификации кипящая сталь используется только категории 2, полуспокойная – только категории 6, спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца – только категории 5; им соответствуют марочные обозначения ВСт3кп2, ВСт3пс6, ВСт3сп5, ВСт3Гпс5 и ВСт3Гсп5.

Для всех этих вариантов нормируемыми показателями являются химический состав, механические свойства при растяжении и изгибе в холодном состоянии. Кроме того, для стали марки ВСт3псб нормируется ударная вязкость при плюс 20 °С после механического старения, а для сталей ВСт3сп5, ВСт3Гпс5 и ВСт3Гсп5 еще и ударная вязкость при минус 20 °С. В табл.1.5 и 1.6 приведены нормы их химического состава при плавочном контроле и в готовом прокате, а в табл.1.7 и 1.8

– требования по механическим свойствам.

Таблица 1.5. Химический состав (плавочный анализ ковшовой пробы) углеродистых сталей по ГОСТ 380-71**, используемых в сварных строительных металлоконструкциях

П р и м е ч а н и я : 1. В стали, выплавленной на базе керченских руд, допускается массовая доля мышьяка до 0,15%, фосфора – до 0,05%. 2. При раскислении полуспокойной стали алюминием, титаном или другими раскислителями, не содержащими кремний, а также несколькими раскислителями (ферросилицием и алюминием, феросилицием и титаном и др.) массовая доля кремния в стали допускается менее 0,05%. Раскисление титаном, алюминием и другими раскислителями, не содержащими кремния, указывается в сертификате. 3. Для проката из стали всех степеней раскисления толщиной до 12 мм включительно допускается снижение массовой доли марганца до 0,10%. 4. Массовая доля азота в готовом прокате, а также в слитках, блюмсах, слябах, сутунках и заготовках, предназначенных для дальнейшей прокатки из кислородно-конвертерной и мартеновской стали должна быть не более 0,008%. 5. Для кипящей химически закупоренной стали в готовом прокате допускается массовая доля кремния до 0,15%, за исключением случаев, когда сталь предназначена для холодной высадки и вытяжки или штамповки, что должно быть оговорено в заказе.

33

Таблица 1.6. Допускаемые отклонения по химическому составу в готовом прокате углеродистых сталей группы В по ГОСТ 380-71**

П р и м е ч а н и я : 1. Отклонение от нижнего предела массовой доли углерода (см.табл.1.5) не является браковочным признаком. В готовом прокате плюсовые отклонения по углероду от норм, указанных в табл.1.5, для стали марки ВCт3 всех степеней раскисленности и для стали марки ВСт3Г (сп, пс) не допускаются. 2. В готовом прокате стали, выплавленной на базе керченских руд, массовая доля фосфора не должна превышать 0,045% для категории 4–6 и 0,055 – для категории 1–3; серы не более 0,055% для всех категорий.

Таблица 1.7. Механические свойства при растяжении и условия испытания на изгиб проката углеродистых сталей по ГОСТ 380-71**, используемых в сварных строительных металлоконструкциях

П р и м е ч а н и я : 1. Допускается превышение верхнего предела временного сопротивления на 50 МПа по сравнению с указанным при условии выполнения остальных норм, а при согласии заказчика – без ограничения верхнего предела. 2. Для листов универсальной стали всех толщин и фасонной св. 20 мм значение предела текучести допускается на 10 МПа ниже по сравнению с указанным. 3. Для листовой стали толщиной 8–4 мм допускается снижение относительного удлинения на 1% абс. на каждый миллиметр уменьшения толщины. Нормы относительного удлинения для листов толщиной менее 4 мм устанавливаются соответствующими стандартами. 4. Допускается снижение относительного удлинения для листовой, универсальной и фасонной стали всех толщин на 1% абс. 5. Сталь марки Ст3Гсп предназначена для листового проката толщиной 21–40 мм группы В категории 4–6.

Ïî ÒÓ 14-1-3023-80 прокат с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности, изготовляется из углеродистой стали марок ВСт3кп, ВСт3пс, ВСт3сп и ВСт3Гпс всех категорий в соответствии с ГОСТ 380-71**. При этом прокат из стали марок ВСт3пс, ВСт3сп и ВСт3Гпс поставляется двух групп прочности с дифференцированными по группам значениями продела

34

текучести и временного сопротивления (табл.1.9). Прочие требования – по ГОСТ 380-71** и в зависимости от категории стали. В марочном обозначении стали группа прочности указывается цифрой в конце: ВСт3кп2-1, ВСт3пс6-1, ВСт3пс6-2 и т.д.

Таблица 1.8. Ударная вязкость проката углеродистых сталей по ГОСТ 380-71**, используемых в сварных строительных металлоконструкциях

Ï ð è ì å ÷ à í è å : 1. Çíàê “–” означает, что испытание не проводится. 2. Ударную вязкость листовой и универсальной стали толщиной 5; 7,5 и 10 мм, прокатанной с отклонением на минусовый допуск, определяют на образцах толщиной, равной толщине стали. 3. Определение ударной вязкости стали круглого сечения производится с диаметра 12 мм, квадратного

– начиная со стороны квадрата 11 мм, фасонной стали – с толщин, из которых может быть вырезан образец для испытаний в соответствии с ГОСТ 9454-78*. 4. При испытании стали на ударную вязкость допускается снижение ударной вязкости на одном образце на 10 Дж/см2 ïðè ïëþñ 20°Ñ è íà 5 Äæ/ñì2 при минус 20°С и после механического старения, при этом среднее значение не должно быть ниже норм, указанных в этой табл.

Таблица 1.9. Механические свойства проката углеродистой стали по ТУ 14-1-3023-80 (с изменениями ¹6)

35

Продолжение табл.1.9

Ïî ÃÎÑÒ 27772-88* требования к прокату углеродистых сталей для строительных металлоконструкций по-существу повторяют с некоторыми изменениями нормы химического состава и механических свойств, предусмотренными ГОСТ 380-71** и ТУ 14-1-3023-80. Введены новые обозначения марок стали (наименование стали), отражающие в соответствии с международной практикой уровень гарантируемого предела текучести: С235, С245, С255, С275 и С285. Устранены нормы нижнего предела содержания химических элементов. В табл.1.10–1.12 приведены требования к прокату углеродистой стали по новому стандарту. В табл.1.13 указывается, каким маркам стали по ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 380-71** соответствуют стали по ГОСТ 27772-88*.

Таблица 1.10. Химический состав (плавочный анализ ковшовой пробы) углеродистой стали по ГОСТ 27772-88* для строительных стальных конструкций

П р и м е ч а н и е . В стали марок С245, С275, С255 и С285 допускается увеличение массовой доли марганца до 0,85 %.

36

Таблица 1.11. Механические свойства фасонного проката углеродистых сталей по ГОСТ 27772-88* для строительных стальных конструкций

Таблица 1.12. Механические свойства листового и широкополосного универсального проката по ГОСТ 27772-88* для строительных

стальных конструкций

37

Продолжение табл.1.12

* Для листов и полосы толщиной 5 мм норма ударной вязкости 39 Дж/см2

П р и м е ч а н и я : 1. Для листового проката толщиной 4 – 8 мм норма относительного удлинения уменьшается на 2 % абс. 2. Нормы ударной вязкости приведены для проката толщиной 5 мм и более. 3. Допускается снижение ударной вязкости на одном образце на 30%. При этом среднее значение результатов испытаний должно быть не ниже норм, приведенных в табл. 1.12.

Таблица 1.13. Марки стали по ГОСТ 380-71** и ТУ 14-1-3023-80, которым соответствует прокат углеродистой стали по ГОСТ 27772-88*

38

Сварка углеродистой стали с химическим составом по табл.1.5, 1.6 и 1.10, благодаря умеренному углеродному эквиваленту, обычно не вызывает затруднения и может производиться всеми общепринятыми способами. Однако необходимо учи- тывать степень раскисленности стали.

Выше отмечалось, что для кипящей углеродистой стали характерна существенная неоднородность в содержании углерода, серы и фосфора как от листа к листу и от профиля к профилю в партии проката, так и по сечению проката в пределах одного листа или профиля. Неоднородность химического состава сопровождается неоднородностью микроструктуры и механических свойств. Кроме того, кипящая сталь характеризуется пониженными показателями прочности и, главное, малым сопротивлением хрупкому разрушению. Вследствие этого кипящая сталь поставляется без гарантии хладостойкости, выражаемой значениями ударной вязкости при отрицательной температуре и после механического старения. Поэтому в сварных строительных металлоконструкциях кипящую сталь применяют только в наименее ответственных элементах (связях, прогонах, фахверках), а также в элементах, испытывающих при эксплуатации преимущественное сжатие, при котором хрупкое разрушение менее вероятно, например в колоннах промышленных и гражданских зданий. Другая возможная область применения кипящих сталей – элементы конструкции из проката малой толщины – менее 5 мм, так как с уменьшением толщины вероятность хрупкого разрушения резко снижается.

Отмечалось также, что важное преимущество спокойной стали заключается в ее однородности. Углерод и вредные примеси – сера и фосфор распределены в ней более равномерно. Прочностные свойства и, что особенно важно, сопротивление хрупкому разрушению в более однородном и мелкозернистом прокате спокойной стали выше, чем в прокате кипящей. Сталь поставляется с гарантированными зна- чениями ударной вязкости при отрицательной температуре и после механического старения. Трещины при сварке в соединениях спокойной стали обычно не образуются, так как сера распределяется равномерно. Поэтому выбор электродов для сварки спокойных сталей значительно проще, чем для сварки кипящих сталей: пригодны электроды с рутиловым, руднокислым и фтористокальциевым покрытием. Менее привлекательной особенностью спокойной стали является ее более высокая цена, обусловленная дополнительными затратами в металлургическом производстве.

Спокойная сталь применяется в ответственных элементах сварных металлоконструкций, подвергающихся при эксплуатации динамическим и переменным силовым воздействиям (подкрановые балки, элементы мостов и эстакад, балки рабочих площадок металлургических цехов) или находящихся в сложном напряженном состоянии (узловые фасонки стропильных и подстропильных ферм).

Наиболее широко в сварных строительных металлоконструкциях применяется полуспокойная сталь. Выгодно отличаясь от спокойной стали более высокими тех- нико-экономическими показателями, полуспокойная сталь лишь немного уступает ей в однородности химического состава и механических свойств. По сопротивлению хрупкому разрушению и показателям прочности полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. Вместе с том прокат полуспокойной стали поставляется с гарантией ударной вязкости при отрицательной температуре и после механического старения.

Уровень механических свойств углеродистых спокойной, полуспокойной и кипящей сталей в различных профилях проката в большой мере определяется толщиной проката: с уменьшением толщины и, следовательно, с увеличением степени

39

обжатия, снижением температуры конца прокатки и повышением скорости охлаждения измельчается зерно феррита горячекатаной стали всех трех степеней раскисления. Это существенно повышает предел текучести и особенно ударную вязкость при отрицательных температурах и после механического старения.

Действующими строительными нормами и правилами СНиП II-23-81* применение проката углеродистой полуспокойной стали регламентировано для широкой области элементов сварных строительных металлоконструкций (стропильные и подстропильные фермы покрытий, балки и ригели рамных конструкций и др.), эксплуатируемых в обычном диапазоне климатических температур (расчетная температура не ниже минус 40 °Ñ.)

Еще более высокое качество проката углеродистой полуспокойной стали, не уступающей по основным показателям качеству проката спокойной стали, удается получить при дополнительном легировании полуспокойной стали марганцем. Производство этих сталей, так же как и углеродистых полуспокойных сталей с обычным содержанием марганца, обеспечивает более высокий (на 8–10 %) выход годного проката из слитков по сравнению с производством спокойных углеродистых сталей. Вместе с тем однородность химического состава, размер действительного зерна, полосчатость микроструктуры, загрязненность неметаллическими включениями в прокате аналогичных профилей полуспокойной стали марки Ст3Гпс и спокойной стали марки Ст3сп практически одинаковы. Характеристики прочности, пластичности и сопротивления хрупкому разрушению полуспокойной стали марки Ст3Гпс не ниже аналогичных характеристик спокойной стали марки Ст3сп и даже их превышают.

По показателям свариваемости сталь марки ВСт3Гпс мало отличается от спокойной стали ВСт3сп [23, 28], поэтому сварку полуспокойной стали марки ВСт3Гпс следует производить, применяя те же режимы и сварочные материалы, что и для сварки стали марки ВСт3сп.

Строительными нормами и правилами СНиП II-23-81* применение проката углеродистой полуспокойной стали с повышенным содержанием марганца марки ВСт3Гпс5 предусмотрено в тех же конструкциях и при тех же расчетных температурах, что и проката углеродистой спокойной стали марки ВСт3сп5 (соответствующее наименование стали по ГОСТ 27772-88*: С255 и С285).

Значительное повышение предела текучести и временного сопротивления разрыву проката углеродистых сталей, являющееся резервом снижения металлоемкости и стоимости конструкции, при сохранении и даже улучшении других служебных свойств, может быть достигнуто термическим (термомеханическим) упроч- нением или контролируемой прокаткой. Более подробно эти возможности рассматриваются в п.1.6.

1.4. ÍИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ

До сравнительно недавнего времени основным материалом для изготовления строительных металлоконструкций служила «мягкая» углеродистая сталь, которая за длительный период своего существования до настоящего времени почти не претерпела изменений (см.п.1.3) и по своим механическим характеристикам весьма близка к железу технической чистоты.

Стремление к повышению эффективности металлоконструкций привело к разработке свариваемых низколегированных сталей повышенной прочности. В нашей стране они появились в конце первой половины текущего столетия, первоначально

40