- •1.1. Требования к свойствам строительных сталей
- •1.1.5. Технико-экономическая эффективность
- •1.2. Классификация сталей
- •1.3. Сталь углеродистая обыкновенного качества
- •1.8. Стали специального назначения
- •Список литературы
- •2.12. Стальные канаты
- •Перечень Государственных стандартов на стальные профили, листовой прокат и трубы
- •Перечень технических условий на металлопродукцию
- •Перечень стандартов и технических условий на стальные канаты, рекомендуемые для применения в металлических конструкциях
- •Список литературы
- •3.1. Виды соединений
- •3.2. Сварные соединения
- •Список литературы
- •Список литературы
- •Список литературы
- •6.1. Общие понятия и условия технологичности
- •Список литературы
- •Список литературы
- •9.2. Абсолютные технико-экономические показатели
- •9.2.2. Затраты на материалы при изготовлении
- •9.2.3. Трудоемкость заводского изготовления
- •9.2.4. Технологическая себестоимость изготовления
- •9.2.7. Транспортные затраты
- •9.2.8. Трудоемкость монтажа
- •9.2.10. Себестоимость монтажа
- •9.2.11. Себестоимость в деле
- •Список литературы
- •12.3.2. Металлизационные покрытия
- •12.8. Защитно-декоративная отделка алюминия
- •Список литературы
- •14.4.2. Линии
- •14.4.7. Сокращения слов
- •Список литературы
- •Список литературы
- •18.6. Решение треугольников
- •18.10. Ординаты дуги окружности
- •18.11. Элементы окружности
- •19.1. Общие положения
- •Список литературы
Установлено, что для уменьшения анизотропии вязкости и пластичности следу ет добиваться по-возможности более низкого содержания в стали серы (например, не выше 0,010 %) и кислорода. Когда этого недостаточно (особенно для проката толщиной менее 20 мм с большой вытяжкой в одном направлении, в частности, для широкополосной стали) прибегают к направленному воздействию на химиче ский состав, форму, размеры и распределение неметаллических включений - мо дифицированию [19]. Равномерно распределенные сульфидные включения ком пактной формы, слабо деформируемые при прокатке, образуются при введении в
сталь небольших добавок металлов-модификаторов: циркония, титана, редкозе мельных элементов (РЗМ) или кальция, а также модификаторов металлоидов: тел лура или селена. Наиболее благоприятные результаты получают при модифициро вании кальцием и его соединениями, а также кальцием в сочетании с РЗМ, так как в этом случае одновременно с модифицированием сульфидных включений достигается наиболее полное удаление включений глинозема.
Для оценки сопротивления стали вязкому разрушению пригодны характеристи ки предельной пластичности (гк, о, \|/) и истинное сопротивление разрыву (Sk), получаемые при испытании на растяжение, в том числе на образцах, вырезанных из проката в направлении толщины, полные диаграммы деформирования в коор динатах истинные напряжения - истинные деформации, а также уровень ударной вязкости при вязком разрушении («верхнее плато» на температурной зависимости ударной вязкости).
1.1.5. Технико-экономическая эффективность применения того или иного вари анта строительной стали в металлоконструкциях определяется в основном показа телями двух категорий, отражающими изменение массы конструкций и изменение их стоимости. Возможность снижения массы конструкции при повышении проч ности стали уже рассматривалась ранее. Однако одно только снижение массы кон струкции в большинстве случаев еще не является достаточным стимулом для при менения более прочной стали. Другое непременное условие - получение экономи ческого эффекта.
Стоимость стали повышенной и высокой прочности, как правило, выше стои мости традиционной углеродистой стали, поэтому замена будет рентабельной только в том случае, если возможное удорожание металла перекроется экономией в результате снижения массы конструкции. При этом, вопреки распространенному мнению, достигаемое здесь удешевление обусловлено не только тем, что с умень шением массы конструкции снижается стоимость израсходованного материала, а в значительной мере также и тем, что с уменьшением массы почти пропорциональ но1 снижаются затраты на изготовление, транспортировку, окраску и монтаж кон струкции.
Экономический эффект применения нового материала в конструкциях обычно подсчитывают методом приведенных затрат, включая три следующих этапа [20,
21]:
•определение удельного (и общего) изменения массы металла, обусловленного применением более эффективной стали вместо традиционной;
•расчет удельной стоимости металлоконструкций «в деле» при изготовлении их из традиционной и новой стали;
•определение изменения стоимости металлоконструкций «в деле» для эквива лентного количества традиционного и нового материала (собственно экономи ческий эффект).
1 Пропорциональность нарушается некоторым повышением трудоемкости изготовления и монтажа конструкции.
23
Правильно оценить технико-экономическую эффективность, как характеристи ку данного материала (мало зависящую от его относительного количества), можно путем отнесения полученной экономии к массе элемента, в котором эта сталь применена. Причем методически удобно производить сравнение с массой эле мента, получаемой при изготовлении его из нового более эффективного материала (стали повышенной или высокой прочности). При этом снижение массы конст рукции определяется коэффициентом приведения кн или коэффициентом эконо мии массы <?н, зависящими от расчетных сопротивлений традиционного (т) и но вого (н) материалов:
kH= G T/GH |
(1.18) |
q = ( G , - G H)/GH=kH- l |
(1.19) |
Применительно к конструкциям, в которых можно пренебречь влиянием изме нения массы элементов на расчетную нагрузку, для расчетных элементов, испыты
вающих растяжение или сжатие, коэффициент кп может быть записан в виде: |
|
kH= RH/ R I; |
(1.20) |
для поперечно-изогнутых элементов компактногоквадратного или круглого сече ний
k H=^j(RH/ R T)2 ; |
(1.21) |
то же, но для элементов прямоугольного сечения с одинаковой шириной |
|
кн= ДГ7Х; |
(i-22) |
для сжато-изогнутых (продольно-изогнутых) элементов
(1.23)
(pT_/vT
Вэтих формулах G - масса элемента; R - основное расчетное сопротивление материала; ср - коэффициент продольного изгиба.
ВЦНИИпроектстальконструкции были установлены значения коэффициентов
кн и qHдля различных элементов конструкций из стали разных уровней прочности с учетом виданагрузок в сравнении с аналогичными элементами из углеродистой стали маркиВСтЗсп по ГОСТ 380-71**. Например, дляэлементов конструкций промышленных зданий из высокопрочной стали марки 16Г2АФ с пределом текуче сти 440 МПа при различных видах нагружения: растяжении, сжатии с продольным изгибом, поперечном изгибе коэффициент приведения имеет значения 1,87, 1,25 и 1,42 соответственно. Далее, с учетом доли растянутых, сжатых и изогнутых элемен тов в металлоконструкциях были подсчитаны средневзвешенные значения коэф фициентов кн и qHдля стали каждого уровня прочности. Некоторые из этих значе ний приведены в табл. 1.3.
Общая экономия металла, т, может быть подсчитана умножением массы при
мененной новой стали на соответствующее значение qn |
|
a G = q HGH. |
(1-24) |
В частном случае, когда одна, более прочная сталь «1» заменяется другой, еще более прочной сталью «2», коэффициент приведения выразится соотношением
^н2-1 = ^н2/ Ъ |
(1-25) |
|
а общая экономия металла формулой |
|
|
a G = |
2 -1 Оп2, |
( 1-26) |
^н1 где кпЪ кн2 ~ соответствующие коэффициенты приведения для сталей «1» и «2» по табл. 1.3.
24
Таблица 1.3. Технико-экономическая эффективность применения в строительных металлоконструкциях стали разных уровней прочности [21]
|
|
Предел |
|
Средне |
|
|
|
|
|||
|
|
текучести и |
|
|
Относитель |
|
|
||||
|
|
|
взвешен |
Экономиче |
|||||||
|
|
основное |
|
ная стои |
|||||||
|
|
ные значе |
|||||||||
|
|
расчетное |
мость метал |
ский эффект, |
|||||||
Сталь марки |
ТУ или ГОСТ |
|
|
ния |
|
|
|||||
сопротивле |
|
|
|
|
локонструк |
% от базовой |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
ние1, МПа |
|
|
|
|
|
|
ции |
стоимости |
|
|
|
по СНиП |
|
К |
|
|
|
|
«в деле» 2 |
|
|
|
|
II—23—81* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВСтЗсп5 (база) |
ГОСТ 380-71** |
235/225 |
|
1 |
|
|
0 |
|
1 |
- |
|
ВСтЗсп5-1 |
ТУ 14-1-3023-80 |
235/230 |
0 |
, 0 |
2 |
0 |
, 0 |
2 |
1 , 0 1 |
0,7 |
|
ВСтЗсп5-2 |
То же |
265/260 |
1 |
, 1 |
2 |
0 |
, 1 |
2 |
1,03 |
8,9 |
|
09Г2С-6-1 |
То же |
325/315 |
1,24 |
0,24 |
1 , 1 2 |
1 1 |
, 6 |
||||
09Г2С-6-2 |
То же |
345/335 |
1,37 |
0,37 |
1,14 |
2 2 |
, 8 |
||||
14Г2АФ |
ГОСТ 19282-73* |
390/370 |
1,46 |
0,46 |
1,23 |
23,4 |
|||||
16Г2АФ |
То же |
440/400 |
1,55 |
0,55 |
1,27 |
28,4 |
|||||
12Г2СМФ |
ТУ-14-1-1308-75 |
590/515 |
1,92 |
0,92 |
1,56 |
35,8 |
1
2
Для листовой стали толщиной 11—20 мм: перед чертой — предел текучести, за чертой — расчетное сопротивление.
При одинаковом коэффициенте трудоемкости изготовления (сложности конструкции) Т.И=1,3.
Удельная стоимость металлоконструкций «в деле» Сд представляет совокупность затрат на основные материалы Сом, изготовление Си, перевозку Ст и монтаж кон струкций См:
Сд = 1,32(Сом + Си)+ 1,15СТ+ 1,14СМ руб/т, |
(1.27) |
где 1,32; 1,15 и 1,14 - коэффициенты, учитывающие заготовительно-складские расходы и нормативную рентабельность при изготовлении, а также накладные рас ходы и плановые накопления при монтаже конструкции. Они взяты для условий конкретных отечественных предприятий промышленного строительства опреде ленного периода и зависят от структуры производства. Каждую из указанных за трат можно подсчитать по формулам:
Сом = 1>035£ОТХ(ЦМ£ДОП+ т); |
|
||
|
= ^у.и(^2^т.и^ + ^вн)> |
(1.28) |
|
С |
- к |
С |
|
М |
— |
у .М М |
|
гДе Чм - оптовая цена прокатной стали, руб/т; кОТК- расходный коэффициент ме талла (в среднем по отрасли составляет 1,04-1,05); кдоп - коэффициент приплат за дополнительные требования к прокатной стали; m - средняя стоимость доставки металлопроката от станции назначения до завода металлоконструкций, руб/т; 1,035 - коэффициент стоимости прочих основных материалов; куЖ, ку М- коэффи циенты удорожания изготовления и монтажа, которые в зависимости от прочности стали изменяются в пределах 1-1,6 и 1-1,3 соответственно; к2 - коэффициент, учитывающий основную зарплату производственных рабочих и долю накладных расходов при изготовлении (к2 = 4,11); к1М - коэффициент трудоемкости изготов ления, обусловленный сложностью конструкции; Т - время на изготовление 1 т конструкции с единичной трудоемкостью (к^ и = 1) чел.-ч; Свн - стоимость внепроизводственных расходов, руб/т; См - удельная стоимость монтажа конструк ции из традиционной стали, руб/т.
25
Значения Ст, См принимаются по действующим прейскурантам оптовых
цен на строительные металлоконструкции и по единым районным единичным расценкам на их монтаж, значения Цм и £доп - по прейскурантам оптовых цен на стальной прокат.
Экономический эффект от применения новой стали вместо традиционной оп ределяется сопоставлением приведенных затрат по известной формуле, учитываю щей капитальные вложения в производственные фонды и их эффективность. Од нако в связи с тем, что при получении и использовании новой и традиционной стали капитальные вложения в производственные фонды практически одинаковы, нахождение удельного экономического эффекта Эуд сводится к сравнению стоимо сти металлоконструкции в «деле» для эквивалентных количеств традиционного и нового материалов
(1.29) Общий экономический эффект получают умножением удельного экономиче
ского эффекта на массу примененной новой стали |
|
Э = Эуд GH. |
(1.30) |
Эти формулы показывают, что экономический эффект определяется, вопервых, снижением металлоемкости (<?н, £н), т.е. прочностными характеристиками нового материала, и, во-вторых, стоимостью «в деле» изготовленных из него кон струкций (Сдн). При этом решающая роль принадлежит стоимости проката новой стали (оптовой цене и приплатам Цм, £дош достигающей 60 % и более стоимости металлоконструкций «в деле».
Экономическая эффективность для ряда строительных сталей разной прочности приведена в табл. 1.3. Видно, что возможный экономический эффект использова ния стали заметно возрастает по мере повышения ее прочности. Приведенные данные указывают на большие резервы экономии металла и снижения стоимости конструкции, заложенные в упрочнении строительной стали.
1.2. Классификация сталей
Стали, используемые в сварных строительных металлоконструкциях, различа ются по ряду признаков, отражающих их изготовление, служебные свойства и об ласть применения. Важнейшими из этих признаков являются способ выплавки и разливки, степень раскисленности, химический состав, состояние поставки, уро вень (класс) прочности и категория (группа) качества по хладостойкости.
По способу выплавки применяемую в сварных металлоконструкциях сталь мож но разделить на мартеновскую, кислородно-конвертерную и электросталь. Кроме того для особо ответственных конструкций перспективна сталь из железа прямого восстановления и после рафинирующего, преимущественно электрошлакового пе реплава.
До 1960 г. для строительных металлоконструкций использовали почти исключи тельно сталь, выплавленную в мартеновских печах. В последующий период во всем мире получил большое распространение наиболее производительный способ вы плавки в кислородных конвертерах. Качество кислородно-конвертерной стали не уступает качеству мартеновской и с 1971 г. сталь, выплавленную в мартеновских печах и кислородных конвертерах, в нормах на поставку и применение стального проката не разделяют. Необходимым условием для этого является высокая чистота используемого для продувки конвертерной плавки кислорода - не менее 99,5 % 0 2; при меньшей чистоте в сталь попадает азот воздуха, способствующий повыше нию склонности к механическому старению и снижению хладостойкости.
26
С пуском крупных элоктродуговых печей, имеющих массу плавки 100-250 т и более, увеличилась выплавка строительной стали в электропечах. Эта сталь отлича ется повышенной чистотой по содержанию вредных примесей - серы и фосфора. Еще более низкое содержание этих нежелательных элементов, а также примесей металлов: олова, сурьмы, висмута, способствующих отпускной хрупкости, удается получить в стали из железа прямого восстановления. Для этого материала исход ным продуктом служит не передельный чугун, выплавленный в доменных печах, а губчатое железо, получаемое обработкой рудного концентрата в специальных вос становительных печах. Окончательный продукт выплавляют в электродуговых пе чах и (или) кислородных конвертерах.
В процессе электрошлакового переплава исходные плоские заготовки (слябы) из стали мартеновской, кислородно-конвертерной или электропечной выплавок последовательно переплавляются в ванне из жидкой шлаковой смеси специального химического состава, нагреваемой электрическим током [22]. При этом содержа ние серы и кислорода в металле уменьшается в 2-3 раза. Неметаллические вклю чения, еще остающиеся в слитке, имеют малые размеры и равномерно распределе ны. В настоящее время этим способом получают слитки массой по 15-25 т, под вергаемые обычному переделу. Этой же цели - уменьшению содержания вредных примесей и более однородному их распределению служит получившая в последнее время применение внепечная обработка жидкой стали. Она производится после выпуска металла из сталеплавильного агрегата в ковш и может включать ряд опе раций: обработку в промежуточном ковше жидкими синтетическими шлаками, перемешивание металла струей газообразного аргона с одновременным вдуванием порошка энергичного раскислителя и десульфуратора (например, силикокальция), вакуумирование. Сталь после внепечной обработки по качеству в части содержа ния примесей и однородности их распределения часто не уступает металлу элек трошлакового переплава, выгодно отличаясь от него меньшей стоимостью.
По степени раскисленности сталь делят на кипящую, полуспокойную и спокой ную. При выплавке стали в печи или конвертере из передельного чугуна, содержа щего 3-4 % углерода, окисление углерода (до содержания 0,06-0,25 % С в стали) связано с образованием газообразных продуктов СО и С 02, вызывающих кипение металлической ванны. Если не проводить раскисления, то кипение продолжается после выпуска плавки в ковш и после разливки ее в изложницы до затвердевания слитка. Такая сталь называется кипящей.
Выделение газообразных продуктов при кристаллизации слитка кипящей стали приводит к резкому усилению его неоднородности по содержанию углерода, серы и фосфора, называемой ликвацией. Головная часть и сердцевина слитка обогаще ны примесями, а периферия и дно бедны ими. Наблюдаются также почти верти кальные полосы ликвации, называемые «усами». Зона максимального содержания ликвирующих элементов в слитке кипящей стали расположена на расстоянии 5-15 % высоты слитка от его верха, ликвация по углероду достигает 400 % и по се ре - 900 % среднего содержания этих элементов в плавке.
Идущая в отход при прокатке головная часть слитка (обрезь) кипящей стали составляет 4-10 % его массы. При такой обрези из обычного слитка массой 8-25 т возможно получение проката, в котором имеются обширные зоны ликвации с со держанием углерода до 0,3-0,4 % и серы до 0,15% при среднеплавочном со держании 0,12-0,22% С и < 0,05% S. В результате разные листы или профили, входящие в одну партию (плавку) кипящей стали, но изготовленные из разных частей слитка (головной, средней или донной) неодинаковы по содержанию угле рода, серы и фосфора.
27
По сечению готового проката углерод и примеси также распределены неравно мерно: центральные слои обогащены ими, наружные бедны. Неоднородность хи мического состава проката сопровождается неоднородностью микроструктуры и механических свойств.
Другими особенностями кипящей стали являются высокое содержание кисло рода, низкое содержание таких элементов, как кремний, марганец, алюминий и повышенная склонность к образованию крупнозернистой микроструктуры. Вслед ствие этого кипящая сталь характеризуется пониженными показателями прочности и сопротивления хрупкому разрушению, особенно в прокате значительной толщи ны (20 мм и более).
Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате, а также в ковше при выпуске из печи. При этом в жидкий металл вводятся энергичные раскислители: марганец, кремний, алюминий, иногда кальций или титан. Эти элементы обладают большим сродством к кислороду, чем углерод, поэтому окисление угле рода прекращается, и сталь перестает кипеть. Благодаря этому слитки спокойной стали гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящей. Ликвация по углероду лишь на 60 %, а по сере на 110 % превышает среднеплавочное содержание этих элементов.
Содержание кислорода в спокойной стали менее высокое. Наличие в химиче ском составе элементов-раскислителей и, главное, остаточного алюминия делает спокойную сталь менее склонной к росту зерна. Поэтому прочностные свойства и сопротивление хрупкому разрушению в более однородном и мелкозернистом про кате спокойной стали выше, чем в прокате кипящей.
Вместе с тем затвердевание слитка спокойной стали связано с образованием большой усадочной раковины. Для получения здорового тела слитка сталь разли вают в изложницы с теплоизолирующими прибыльными надставками. Усадочная раковина образуется в верхней утепленной части слитка, которую при прокатке удаляют. Обрезь составляет 12-16 % массы слитка. Поэтому выход годного проката из слитков спокойной стали меньше, чем из слитков кипящей. Вследствие этого, а также из-за большей продолжительности плавки за счет операции раскисления, дополнительного расхода ферросплавов и алюминия спокойная сталь дороже ки пящей.
Низкое качество кипящей стали и небольшая технико-экономическая эффек тивность спокойной послужили стимулом к разработке варианта с промежуточной степенью раскисленности - полуспокойной стали [23]. Она выплавляется как ки пящая, но в ковше или при разливке в изложницы обрабатывается небольшим количеством раскислителей, гораздо меньшим, чем при выплавке спокойной ста ли. Обычно применяют комплексное раскисление ферросилицием и алюминием. Быстрое прекращение кипения и затвердевание головной части слитка предотвра щают развитие большой химической неоднородности. При этом для ликвации в слитках полуспокойной стали характерно превышение среднеплавочного содержа ния углерода на 80 % и серы на 150 %. Расстояние осевой ликвационной зоны от верха слитка составляет 15-30 % его высоты; головная обрезь - 3-5 % массы слитка.
Производство полуспокойных сталей характеризуется высокой технико экономической эффективностью. В сравнении с производством спокойной стали выход годного проката из слитков выше на 8-10 %, расход ферросилиция на рас кисление снижен в 2-5 раз, алюминия в 5 раз, существенно уменьшается ко личество изложниц и трудоемкость их подготовки. Себестоимость и цена проката из полуспокойной стали на 2-9 % ниже, чем из спокойной. Вместе с тем по каче ству в части однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, сопротивлению хрупкому разрушению и показателям прочности прокат
28
полуспокойной стали уступает прокату спокойной стали, занимая между ним и прокатом кипящей стали промежуточное положение.
Способ разливки также влияет на качество готового проката. Имеются разные способы разливки на слитки в изложницы. Однако их различие (связанное с ре шением тех или иных технологических задач) не вносит принципиальных измене ний в структуру и свойства готового проката.
Значительно большие изменения возникают при переходе на новый прогрес сивный способ получения слитков на машинах непрерывного литья заготовок
[24]. Новый способ имеет большое народнохозяйственное значение, так как позво ляет избежать прокатки слитков на обжимных, заготовительных станах; при этом резко увеличивается выход годного проката из слитков, уменьшаются энергетиче ские и материальные затраты производства. Вместе с тем специфическая структура слитка, отражающая условия формирования непрерывнолитой заготовки в полом водоохлаждаемом кристаллизаторе при непрерывном вытягивании, является при чиной возможного возникновения специфических дефектов. Главные из них - осевая рыхлость, осевая химическая неоднородность, осевые трещины. В попереч ном сечении листовой заготовки (сляба) эти дефекты располагаются в зоне, имеющей вид прямолинейной полосы, проходящей по центру сечения параллель но большим граням слитка.
В готовом прокате осевая химическая неоднородность проявляется в виде силь но обогащенного углеродом, серой и фосфором (иногда и марганцем) централь ного слоя толщиной 0,5-3 мм в срединной плоскости листа. Этот слой служит ме стом образования неблагоприятной микроструктуры, снижает пластичность и прочность при растяжении в направлении толщины; в нем концентрируются не металлические включения и нарушения сплошности. Часто нарушения сплошно сти в виде трещин слоистого разрушения в зоне осевой ликвации листов из непре рывнолитых заготовок образуются у потребителя при сварке, огневой резке, рубке на ножницах, штамповке и гибке.
Согласно многочисленным (главным образом зарубежным) исследованиям ис ключить или уменьшить осевую химическую неоднородность и вероятность обра зования связанных с ней дефектов удается комплексом мероприятий, включаю щим повышение чистоты стали по неметаллическим включениям, например внепечной обработкой, снижением температуры литья, точным регулированием зазора между роликами, вытягивающими заготовку из кристаллизатора, применением устройств для электромагнитного перемешивания затвердевающего расплава в слитке и др. К сожалению, в нашей стране этой проблеме пока не уделяется необ ходимого внимания.
В настоящее время разливка на машинах непрерывного литья заготовок произ водится главным образом для спокойных сталей, реже - для полуспокойных. Раз ливка этим способом кипящих сталей затруднена образованием в слитках крупных газовых пор.
Химический состав стали - главная ее характеристика. Химический состав стали определяет ее марку. При этом содержание химических элементов для данной марки стали задается не дискретно, а некоторым интервалом, в пределах которого изменение химического состава не должно сопровождаться выведением свойств за границы гарантируемых уровней. Ширина интервала связана с возможностью ста леплавильного производства соблюдать заданную композицию.
Стали, в которых отсутствуют специальные добавки легирующих элементов или имеется лишь небольшое их количество, обусловленное технологией выплавки, называются углеродистыми. По содержанию углерода различают стали низкоугле родистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,6 % С) и высокоуглеродистые
29
(свыше 0,6 % С). Для сварных строительных металлоконструкции используют пре имущественно стали с низким содержанием углерода. Они поставляются по ГОСТ 380-88*, ГОСТ 14637-89* и ГОСТ 27772-88*. В некоторых случаях используется углеродистая сталь по ГОСТ 1050-88*, главным образом, в виде труб.
Стали, в которые специально вводятся добавки легирующих элементов для обеспечения требуемых свойств, называются легированными. Они могут содержать один, два, три и более легирующих элемента. Так, различают марганцовистую, хромистую, кремнемарганцовистую, хромоникельмолибденовую и другие легиро ванные стали.
Легированные стали с небольшим содержанием легирующих элементов, обычно в сумме не превышающим 2-3 % по массе, и с низким содержанием углерода, используемые в строительстве, машиностроении, судостроении для изготовления сварных металлоконструкций, выделены в особую группу, их называют низколе гированными. Потребитель применяет эти стали, как правило, в состоянии постав ки, т.е. без дополнительной термической обработки. Прокат низколегированных сталей для строительных металлоконструкций поставляется по ГОСТ 19281-89* (сортовой и фасонный), ГОСТ 19282-73* (листы и широкие полосы), ГОСТ 6713-91, ГОСТ 27772-88* и ряду технических условий.
Стали с общим содержанием легирующих элементов более 10 % по массе при содержании одного из элементов не менее 8 % называются высоколегированными. Они являются носителями особых свойств: коррозионной стойкости, жаростойко сти, жаропрочности, хладостойкости при низких отрицательных (криогенных) температурах и др. Их используют в строительных металлоконструкциях только для специальных целей. Эти стали поставляются по ГОСТ 5632-72* и специальным техническим условиям.
Состояние поставки является важным показателем качества, так как обычно в строительных конструкциях металлопрокат используется в том виде, в котором он выпускается металлургическими заводами. В большинстве случаев металлопрокат поставляется непосредственно после обычной горячей прокатки. В этом состоянии он редко обладает оптимальным сочетанием свойств. Возможна также поставка стали в термически обработанном состоянии, причем различают два основных ви да термической обработки проката: нормализацию и термическое улучшение.
Нормализация - нагрев, до 890-950 °С с последующим охлаждением на воздухе измельчает микроструктуру и делает ее более однородной, повышает вязкость и пластичность. Термическое улучшение включает закалку - резкое охлаждение про ката в воде или водяным душем после нагрева до 890-950 °С и отпуск - нагрев и выдержка при 550-700 °С. Термическое улучшение существенно измельчает мик роструктуру стали, повышает прочность и хладостойкость. Различают термическое улучшение с закалкой после специального нагрева (в камерной и методической печах) и с закалкой с использованием тепла прокатного нагрева.
В последнее время находит применение производство проката, при котором измельчение микроструктуры, повышение прочности и хладостойкости достигается непосредственно в процессе горячей деформации надлежащим выбором темпера- турно-деформационных режимов, уменьшением температуры конца прокатки и увеличением обжатий при этих пониженных температурах. Такой процесс носит название контролируемой прокатки [25].
Еще более благоприятный комплекс свойств прочности и хладостойкости уда ется получить с помощью технологии, в которой контролируемая прокатка сочета ется с ускоренным охлаждением, близким к охлаждению при закалке при термиче ском улучшении. Этот технологический процесс называют термомеханической обработкой или высокотемпературной термомеханической обработкой.
30
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 раз рыву разделены на семь основных уровней (классов) прочности (табл. 1.4) [2]. Сталь класса С 225 (от > 225 МПа) условно принято называть сталью нормальной прочности, трех следующих классов (ох>285, >325, >390 МПа) - сталью повы шенной прочности и остальных трех классов (от >440, > 590, >735 МПа) - сталью
высокой прочности.
Таблица 1.4. Классы прочности и группы качества по хладостойкости проката строительных сталей [2]
|
|
Механические свойства при |
рас |
Температура, при которой |
|||||
|
|
|
тяжении |
|
|
||||
|
|
|
|
|
гарантируется ударная |
||||
|
|
|
|
|
|
||||
Условный |
Прежнее |
предел |
временное |
относи |
вязкость KCU не менее |
||||
класс |
сопроти |
тельное |
0,3 М дж/м2, для групп |
||||||
обозначение |
текучести, |
||||||||
прочности |
вление, |
удлинение, |
качества по хладостойко |
||||||
|
|
МПа |
МПа |
|
% |
|
сти |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
не менее |
|
|
I |
II |
III |
|
|
|
|
|
|
|
Не га |
|
- |
|
С225 |
С38/23 |
225 |
375 |
|
25 |
ранти |
- 2 0 |
||
|
|
|
|
|
|
руется |
|
|
|
С285 |
С44/29 |
285 |
430 |
|
2 1 |
- |
-40 |
-70 |
|
С325 |
С46/33 |
325 |
450 |
|
2 1 |
- |
-40 |
-70 |
|
С390 |
С52/40 |
390 |
510 |
|
19 |
- |
-40 |
-70 |
|
С440 |
С60/45 |
440 |
590 |
|
16 |
- |
-40 |
-70 |
|
С590 |
С70/60 |
590 |
685 |
|
1 2 |
- |
-40 |
-70 |
|
С735 |
С85/75 |
735 |
830 |
|
1 0 |
- |
-40 |
-70 |
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 - про кат экономно легированной стали, поставляемой, как правило, в термоулучшен ном состоянии. Однако возможно также получение проката второго и третьего классов путем термического и термомеханического упрочнения или контролируе мой прокатки.
Наряду с требованием гарантированной прочности к строительным сталям предъявляется требование гарантированного сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Оно регламентируется показателями ударной вязкости при от рицательной температуре и при температуре плюс 20 °С после механического ста рения. Все строительные стали по хладостойкости условно можно разделить на три группы:
I - без гарантированной хладостойкости;
II - с гарантированной хладостойкостью для металлоконструкций, эксплуати руемых в обычных температурных условиях (расчетная температура не ниже минус
40°С);
III - с 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 гаран тирована ударная вязкость стали каждой группы качества по хладостойкости. Ука
31