книги из ГПНТБ / Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование)

М. М. ЖЕРБИН

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

(ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ)

ИЗДАТЕЛЬСТВО «БУДІВЕЛЬНИК:

К И Е В - 1 9 7 4

Жербин М. М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование). Киев, «Будівельник», 1974, стр. 160.

I

В В Е Д Е Н И Е

Строительные стали различных марок широко применяются в металлических конструкциях промышленных сооружений, мостов, башен и мачт, в каркасах высотных гражданских и обществен­ ных зданий, в целом ряде специальных сооружений, а также в цесущих сварных металлических каркасах тяжелого оборудова­ ния металлургической, горной и других отраслей промышлен­ ности. В связи с общей тенденцией к более широкому исполь­ зованию в строительстве сварных стальных конструкций потребление строительных сталей неуклонно растет. Поэтому изыскание путей коренного снижения затрат сталей в металличе­ ских конструкциях является весьма важным и представляет большую народнохозяйственную задачу.

Одним из наиболее эффективных методов экономии металла является правильный выбор марок и видов сталей, наилучшим образом соответствующих типам конструкций и условиям их эксплуатации. При этом имеется в виду широкое применение бо­ лее качественного металла, в первую очередь сталей повышенной •и высокой прочности.

Изучение существующих металлических конструкций показы­ вает, что в ряде отраслей промышленности вопросам правильно­ го подбора марок сталей, особенно применению строительных сталей повышенной и высокой прочности, уделяется еще,мало внимания. Наиболее часто • для таких конструкций применяют углеродистую сталь обычного качества марки СтЗ. Низколеги­ рованные стали повышенной прочности используются пока еще недостаточно, а новые термически упрочненные стали высокой прочности находятся в стадии опытного и экспериментального внедрения.

Вместе с тем отечественный и зарубежный опыт применения высокопрочных сталей в различного вида сооружениях н кон­ струкциях, большое количество исследовательских, эксперимен­ тальных и опытно-конструкторских работ свидетельствуют о том, что применение сталей высокой прочности в сочетании с обыч­ ными низколегированными и углеродистыми сталями в ряде конструкций дает возможность сократить затраты металла почти вдвое, снизив при этом и их стоимость, а освоение отечественной металлургической промышленностью ряда новых-марок высоко­

Г л а в а I

СТАЛИ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ, ПОСТАВЛЯЕМЫЕ В ГОРЯЧЕКАТАНОМ СОСТОЯНИИ

§ I. Современные направления в развитии производства сталей для сварных металлических конструкций

Строительные стали для металлических конструкций могут быть разделены: 1) в зависимости от микроструктуры; 2) хими-. ческого состава и общих прочностных показателей.

Согласно первого качества их следует делить на стали фер­ рито-перлитной структуры; стали, обладающие бейнитной или мартенситной структурой; термически упрочненные, обладающие различной микроструктурой (определяемой легированием и при­ нятыми режимами термической обработки).

В зависимости от химического состава и общих прочностных показателей эти же стали делятся на углеродистые стали обыкно­ венного качества (обычной прочности) с содержанием углерода до 0,2 2 % и пределом текучести до 28 кг/мм2; низколегированные стали (повышенной прочности) с различным содержанием леги­ рующих компонентов и пределом текучести 29—40 кг/мм2-, низко­ легированные термически упрочненные стали высокой прочности с пределом текучести 45—90 кг/мм2.

Вышеприведенные группы сталей взаимно связаны. Так,, угле­ родистые и низколегированные стали в основном обладают фер­ рито-перлитной структурой. Термически упрочненные стали вы­ сокой прочности могут обладать различными структурами, в том числе феррито-перлитной, бейнитной и мартенситной.

Поскольку каждая из приведенных групп объединяет значи­ тельное количество различных марок сталей, поставляемых как в горячекатаном, так и в термически упрочненном состоянии, в зависимости от величины предела текучести и предела прочности стали разделяются на условные классы прочности, которые в соответствии с новой редакцией СНиП на металлические кон­ струкции П-В. 3—72 обозначаются букой С и дробной величи­ ной, где числитель — минимальный предел прочности данной стали, а знаменатель — минимальный предел текучести стали в кг/мм2. Всего СНиП П-В.З—72 предусматривает семь классов прочности, охватывающих основную гамму марок сталей: С38/23, С44/29, С46/33, С52/40, С60/45, С70/60 и С85/75. В дальнейшем, по-видимому, появятся и другие классы, объединяющие марки сталей с более высокими прочностными характеристиками (на­ пример С100/90 и т. д.).

В табл. I. 1 даны механические характеристики сталей при растяжении по принятым классам прочности.

5

текучести принимается напряжение, соответствующее остаточному относительному удлинению 0,2% (0 0 ,2).

Принятое новое обозначение классов прочности взамен старо­ го дает более полное представление о прочностных характеристи­ ках марок сталей, входящих в данный класс. Ранее в обозначение вводился только предел текучести в кг/мм2, например, СЗЗ, С45, С60.

Итак, классы охватывают различные марки сталей с одинако­ вой величиной предела текучести и предела прочности. Ими удобно пользоваться в практике. Вместе с тем объединение в одном классе сталей, имеющих различную структуру и хими­ ческий состав, с различными отдельными механическими харак­

трудняет выбор оптимальной марки, наилучшим образом соот­ ветствующей рассматриваемой конструкции. Кроме того, стали одного и того же класса могут отличаться общей конструктивной прочностью, склонностью к хрупким разрушениям, обладать раз­ личным сопротивлением' начальным пластическим деформациям. Наконец, общий вид диаграммы растяжения может быть у ста­ лей одного класса также различен. Особенно это касается сталей высокой прочности, поставляемых термически упрочненном со­ стоянии. Таким образом, правильный выбор стали для конкрет­ ной конструкции требует всестороннего учета ее свойств, и выбор стали только по классам прочности является недостаточным.

Помимо разделения на группы и классы прочности, строитель­ ные стали различаются в зависимости от способов выплавки и раскисления, химического состава и свариваемости.

Так, по способу выплавки в СССР очень распространен мар­ теновский процесс. Наиболее крупные мартеновские печи в отечественной металлургической промышленности и США имеют емкость 650—900 г. Сталь, в основном, выплавляется на жидком чугуне с добавлением металлического лома.

6

Пока еще имеет место бессемеровский процесс выплавки стали, вследствие наличия в СССР исходного сырья с пониженным со­ держанием фосфора, что является необходимым для получения качественной стали. При продувке воздухом расплавленный ме­ талл насыщается азотом, а количество серы и фосфора в процессе плавки сохраняется почти без изменений. По этой причине бессе­ меровская сталь получается хуже мартеновской. При понижен­ ных температурах она склонна к хрупкому разрушению, более чувствительна к старению. Однако прочность бессемеровской стали на растяжение обычно выше мартеновской. Содержание углерода в бессемеровской стали по сравнению с мартеновской понижено, а содержание фосфора, серы, азота и кислорода по­ вышено.

За последние годы в нашей стране широко применяется кон­ верторный процесс, дающий возможность получить высококаче­ ственную сталь, не уступающую по качеству мартеновской. Емкость конверторов увеличилась до 100—250 г. Предполагается дальнейшее увеличение конверторов до 400 т.

Томасовский процесс для выплавки строительной стали в СССР

не применяется, а бессемеровский резко сокращается.

Весьма важным является раскисление металла, существенно влияющее на качество выплавляемой стали. Раскисление про­ изводится добавкой ферросилиция, а также ферромарганца, ти­ тана или алюминия. Добавка алюминия является наиболее эф­ фективным способом раскисления.

Углеродистые стали обыкновенного качества по степени рас­ кисления разделяются на три вида: спокойная, полуспокойная и кипящая (в зависимости от интенсивности выделения газов при кристаллизации и тенденции к росту или усадке головной части слитка).

Лучшей является спокойная, худшей кипящая сталь. Спокой­ ная сталь (наиболее раскисленная) отличается от кипящей бо­ лее мелкозернистой структурой, большей структурной и химиче­ ской однородностью. При добавлении в сталь раскислителей остывание стали в изложницах происходит спокойно (отсюда и и название «спокойная сталь»), без бурного выделения газов («кипения»), что уменьшает возможность образования в стали газовых пузырей, около которых возможно концентрирование неметаллических включений (например, сернистых соединений), приводящих к расслоению стали при прокатке. Спокойные стали обладают лучшими физико-механическими свойствами, в част­ ности, более низким порогом хладноломкости. Однако стоимость их на 10—12% выше кипящих, а выход годного проката на 10% ниже.

Кипящие стали, являющиеся более загрязненным металлом, склонны к трещиноватости после сварки, старению и их при­ менение в ответственных конструкциях, работающих на дина­ мические нагрузки и при низких температурах, нежелательно.

7

Полуспокойные стали ие полностью раскислены и по качеству занимают среднее положение между спокойными и кипящими.

По количеству кремния в стали можно судить о степени ее раскисления. Так, в спокойной стали содержание кремния состав­ ляет 0,12—0,30%, в полуспокойной — 0,05—0,17 и в кипящей — не более 0,05%.

Низколегированные стали в основном выпускаются спокой­ ными.

Важным является вопрос увеличения прочности и качества строительных сталей. Прочность углеродистых сталей в основном зависит от содержания в них углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее, однако при этом она теряет свои пластические свойства, хуже сваривается.

Поскольку свариваемость и есть одно из основных условий для строительных сталей, то увеличение прочности углеродистых сталей за счет повышения содержания углерода является непри­ емлемым. В связи с этим в настоящее время можно рассматри­ вать два основных способа увеличения прочности строительных сталей: путем легирования различными элементами и путем термической обработки металла (или путем совмещения этих способов). При этом наиболее эффективна термическая обра­ ботка специально легированных сталей, позволяющая получать металл высокой прочности. Отечественная металлургическая промышленность выпускает значительное количество низколеги­ рованных сталей повышенной прочности различных марок, клас­ сов и химического состава (марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремнемарганцевые, ванадиевые и др.). Изготовление сложнолегированных термически упрочненных сталей высокой прочности в настоящее время также осваивается металлургиче­ скими заводами.

Проведенные отечественные и зарубежные исследования по­ казывают, что теоретически можно создать стали весьма высо­ кой прочности с пределом прочности 300—400 кг/мм2. В настоя­ щее время уже выпускаются сверхпрочные стали, обладающие пределом текучести 130—180 кг/мм2. При этом повышение проч­ ности сталей может осуществляться, помимо обычной термиче­ ской обработки, также и термомеханической обработкой с использованием деформации взрывом. -

Повысить качество сталей можно не только путем легирова­ ния и термической обработкой. Весьма важным является выплав­ ка металла, обладающего наименьшим количеством неметалли­ ческих включений, .в состав которых чаще всего входит сера и кислород. На сегодня существуют способы металлургической обработки стали, позволяющие значительно снизить загрязнение металла неметаллическими включениями и уменьшить содержа­ ние кислорода и серы. Это прежде всего рафинирование стали жидкими синтетическими шлаками, которые почти вдвое сокра­ щают содержание серы в металле, а также неметаллических

8