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

5и 6.

Всоответствии с указанными группами, углеродистые стали обыкновенного качества выпускаются следующих марок: в груп­

пе А — СтО, Сті, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5 и Стё; в группе Б — БСтО, БСтІ, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5 и БСтб; в группе В — ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСтБ.

По степени раскисления стали всех трех групп с номерами ка­ тегорий 1—4 поставляются спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп); категорий 5 и 6 — только полуспокойными и спокойными. Разделение сталей на категории дает возможность точно регламентировать нормируемые показатели в зависимости от требований, предъявляемых к сталям. Для каждой группы стали перечень нормируемых показателей различен. Для груп­ пы В они представлены к>табл. I. 2. Как правило, сталь группы В категорий'3—б поставляется полуспокрйной и спокойной.

Т а б л и ц а 1.2

П р и м е ч а н и е . Знак (+ ) обозначает, что показатель нормируется; {—) — не нормируется.

Номер категории стали ставится в конце марки. Например, полное обозначение марки по группе А будет СтЗпс2, по группе

Б— БСтЗкп2 и по группе В — ВСтЗспБ, ]ВСт5сп2 и т. д.

Для металлических конструкций, как правило, используются

стали группы В. При этом основной сталью, применяемой для строительных металлических конструкций, является сталь ВСтЗ (класс С38/23*), обладающая, сравнительно высокой прочностью, значительным относительным удлинением и хорошей сваривае­ мостью. Сталь ВСт2 менее прочна, чем ВСтЗ, более мягка и пла­ стична, применяется редко и в основном для листовых конструк­ ций, а также при наличии гибочных работ.

* Здесь и далее, в основном, классы сталей даются в соответствии со СНиП П-В. 3—72.

10

i

Сталь ВСт5 более прочна, чем сталь ВСтЗ, однако сваривается неудовлетворительно, малопластична и склонна к хрупкому раз­ рушению при пониженных температурах. Применяется ВСт5 только для клепаных конструкций. Сталь ВСт4, как и ВСт5, для строительных металлических конструкций применяется редко.

В основном для большинства сварных строительных металли­ ческих конструкций следует рекомендовать к применению сталь ВСтЗ категории 5.

Возможна также поставка полуспокойных сталей ВСтЗ и ВСт5 с повышенным содержанием марганца, что несколько повышает предел прочности стали. В этом случае сталь обозначается ВСтЗГпс и ВСтбГпс. Полуспокойная сталь ВСтЗГпс может быть рекомендована к применению в ответственных сварных металли­ ческих конструкциях наравне со спокойной сталью ВСтЗпс.

Углеродистые стали могут быть как мартеновскими, так и кон­ верторными. До 1965 г. мартеновские стали поставлялись по ГОСТ 380—60, конверторные — по ГОСТ 9543—60. Однако в свя­ зи с увеличением производства кислородно-конверторной стали и получением ее с качествами, не уступающими мартеновской, в 1965 г. ГОСТ 9543—60 был аннулирован, а конверторные стали включены в ГОСТ 380—60 с указанием в названии марки стали способа выплавки (например, сталь СтЗ мартеновская— МСтЗ, конверторная — КСтЗ). Так как в настоящее время практически свойства мартеновской и конверторной сталей одинаковы и при заказе стали нет необходимости уточнять способ ее изготовления, то в новом ГОСТ 380—71 способ выплавки, в отличие от ранее действующего ГОСТ 380—60, не оговаривается и из обозначения марок исключен. На стали, изготовляемые бессемеровским спо­ собом, ГОСТ 380—71 не распространяется.

Механические характеристики углеродистых сталей представ­ лены в табл. 1.3. Так как предел текучести стали несколько сни­ жается при увеличении толщины проката, то ГОСТ предусматри­ вает разделение проката в зависимости от толщины на четыре разряда, а предел текучести стали и относительное удлинение устанавливаются различными для каждого из разрядов (см. табл. 1.3).

Снижение предела текучести стали с увеличением толщины проката в основном объясняется уменьшением степени обжатия заготовки при больших ее толщинах, сокращением числа прохо­ дов й уменьшением интенсивности охлаждения при остывании после прокатки [4].

Следует иметь в виду, что сталь одной марки, выплавленная на разных металлургических заводах и разных плавильных агре­ гатах, будет обладать различными, но достаточно близкими, ме­ ханическими характеристиками. Вместе с тем, учитывая, что пре­ дел текучести является переходным напряжением от упругого вида деформаций к пластической работе материала и что факти­ ческие напряжения в конструкции, как правило, не должны пре-

11

12

вышать предела текучести, необходимо назначать предел теку­ чести как одну конкретную величину для данной марки стали, являющейся низшим браковочным пределом.

Важность установления уровня механических свойств сталей вынуждает производить систематические испытания, количество которых весьма велико, со статистической обработкой получае­

Весьма важной характеристикой стали является ударная вяз­ кость, которая для стали группы В марок ВСтЗ, ВСтЗГ и ВСт4 должна соответствовать нормам, указанным в табл. I. 4.

Химический состав углеродистых сталей нормируется для ста­ лей группы Б как поставляемых по химическому составу и опре­ деляется по плавочному анализу ковшевой пробы (табл. 1.5). Для стали группы В химический состав должен соответствовать нормам, указанным для группы Б; химический состав стали груп­ пы Ане регламентируется, но указывается в'сертификате.

Содержание отдельных элементов в сталях оказывает значи­ тельное влияние на их свойства.

Углерод, являющийся основным компонентом, повышая проч­ ность стали, вместе с тем снижает ее пластичность, ухудшает свариваемость, повышает хладноломкость и чувствительность к старению. В сварных соединениях повышение содержания угле­ рода увеличивает хрупкость околошовной зоны. В особенности указанные свойства углерода отрицательно сказываются на ки­ пящей стали. Таким образом, при применении углеродистых ста­ лей для сварных строительных металлических конструкций не­ обходимо ограничивать верхний предел содержания углерода в них. Обычно в мартеновской и конверторной сталях содержание углерода составляет 0,14—0,22%, в -бессемеровской — менее

0,12%.

13

Т а б л и ц а 1.4

~

Наличие марганца положительно влияет на качество стали.

без снижения пластичности и понижает температуру порога хлад­ ноломкости. По данным исследования [6], при повышении со­ держания марганца от 0,44 до 1,15% в стали СтЗмост порог хладноломкости снижается от —45° до —60°С. Увеличение от­ ношения содержания марганца к углероду также ведет к сни­ жению температуры хрупкости. Обычно содержание марганца в

14

П р и м е ч а н и е . Содержание хрома, никеля и меди должно быть не более 0,30%, а мышьяка — 0,08%.

строительных углеродистых сталях составляет 0,25—0,8% и с повышением углерода увеличивается.

Кремний, являясь сильным раскислителем, повышает прочно­ стные характеристики стали.(0,1% кремния, например, повышает предел текучести на 0,5—0,8 кг/мм2, предел прочности на 1 кг/мм2), уменьшая ее пластичность. Присутствие кремния в углеродистых сталях незначительно — до 0,35%.

К числу химических элементов, отрицательно влияющих на ка­ чество углеродистых сталей, относятся сера, фосфор, кислород, азот и водород.

Сера способствует красноломкости при температуре 800— 1000°С, что опасно для сварных конструкций вследствие образо­ вания трещин при сварке. Содержание серы в углеродистых ста­ лях составляет около 0,05%, распространение ее в стали весьма •неоднородно. Сёра снижает ударную вязкость стали. Отрица-

15

тельное влияние ее увеличивается с повышением состава угле­ рода.

Фосфор повышает склонность стали к хладноломкости при од­ новременном упрочнении ее. Вредное влияние фосфора также увеличивается с повышением в стали углерода. В мартеновских и конверторных сталях содержание фосфора составляет около 0,04%, 'в бессемеровских — около 0,08%. Хорошее раскисление стали алюминием может нейтрализовать отрицательное действие фосфора.

Строительные углеродистые стали могут содержать мышьяк, являющийся вредной примесью и загрязняющий металл, а также остаточные примеси никеля, меди и хрома, которые довольно существенно влияют на прочность стали. Примером тому служит сталь СтЗ, выплавленная на базе природнолегированных руд Орско-Халиловского металлургического комбината с содержани­ ем остаточного никеля до 0,7%, у которой предел текучести выше на 3—4 кгімм2 по сравнению с обычной сталью без остаточного никеля.

Наличие в малоуглеродистых сталях остаточной меди (более 0,18%) увеличивает чувствительность стали к старению, и порог хладноломкости перемещается в область положительных темпе­ ратур. Отрицательное влияние меди может быть ликвидировано путем повышения концентрации марганца. Остаточные примеси никеля,'меди и хрома несколько повышают прочность малоугле­ родистых сталей. Так, при добавлении 0,01%) каждого из этих элементов предел прочности возрастает соответственно на 0,028; 0,056, и 0,042—0,14 кгімм2 [4].

Наличие в сталях газов оказывает отрицательное влияние на физические и механические свойства сталей и зависит от спосо­ ба выплавки стали. Повышение содержания в стали кислорода ведет к снижению предела прочности и ударной вязкости и уве­ личению склонности к хрупкости, вызывает крупнозернистость стали. На рис. I. 2 показано влияние кислорода на механические характеристики малоуглеродистых сталей. Содержание кисло­ рода в мартеновской стали составляет 0,01—0,02%, в бессемеров­ ской— 0,03—0,04%). После раскисления содержание кислорода в спокойной стали составляет около 0,005, а полуспокойной — око­ ло 0,015%,.

Азот влияет на механические свойства сталей аналогично фос­ фору. С увеличением содержания азота предел прочности и пре­ дел текучести стали возрастают, а пластические свойства и ударная вязкость понижаются (рис. 1.3). Содержание азота в мартеновской и конверторной сталях составляет до 0,008, в бес­ семеровской— до 0,01—0,04%). В конверторной стали при повы­ шенной чистоте выдуваемого кислорода количество газов зна­ чительно меньше по сравнению с мартеновской сталью. Так, при повышении чистоты кислорода от 98,5 до 99,1 % содержание азо­ та понижается до 0,005%).

16

ных поперек проката) и допускать изгиб в холодном состоянии на 180° до соприкосновения сторон. Наличие волокна в изломе на ударных образцах, испытанных при комнатной температуре, должно быть не менее 70% общей площади излома.

Механические характеристики стали следующие: о пч^ >-38 кг/мм2; сгт^23 кг/мм2и относительное удлинение 65 не менее 22%. Химический состав стали, проц.:

В' мостовых конструкциях применяются два вида углеродистых сталей: М16С для сварных конструкций и СтЗмост — для клепа­ ных (класс С38/23), поставляемых по ГОСТ 6713—53 «Стальгорячекатаная для мостостроения». Механические характери­ стики указанных сталей представлены в табл. 1. 6.

Т а б л и ц а 1.6

Испытание сталей М16С и СтЗмост на холодный изгиб на 180° при толщине проката до 25 мм должно производиться до сопри­ косновения сторон. При большей толщине — вокруг оправки с диаметром, равным толщине проката.

Химический состав стали для мостостроения, проц., следую­ щий:

Для трубчатых элементов металлических конструкций также применяется качественная конструкционная углеродистая сор­ товая сталь по ГОСТ 1050—60 * марки 20 (спокойная), с таки­ ми механическими характеристиками: предел прочности не ме­ нее 42 кг/мм2\ предел' текучести — не менее 25 кг/мм2 и относи­ тельное удлинение — 25% (в обозначении марок двухзначные цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента). Указанные качественные конструкционные стали вы­ пускаются двух групп: 1 — с обычным содержанием марганца и с химическим составом, аналогичным углеродистым сталям обык­ новенного качества; 2 — с повышенным содержанием марганца (например, сталь 20Г), а следовательно, с более высокими проч­ ностными свойствами.

18

Для металлических конструкций сталь 20 применяется по первой группе.

Сталь 18Гпс. СНиП П-В.З—72 предусматривает применение в сварных металлических конструкциях в классе С38/23 помимо углеродистых сталей по ГОСТ 380—71 также сталь 18Гпс, обла­ дающую преимуществами по сравнению с обычной углеродистой

сталью СтЗ. Полуспокойная сталь 18Гпс была разработана Ин­ ститутом черной металлургии совместно с Институтом электро­ сварки им. Е. О. Патона АН УССР и ЦНИИСК им. Кучеренко и предложена для широкого применения взамен спокойной стали ВСТЗсп в толстом прокате без каких-либо ограничений по при­ менению [7]. Исследования показывают, что механические свой­ ства стали 18Гпс несколько выше, чем СтЗсп (оу больше «а 1—2, (7 ПЧ— на 1—4 кг/мм2, чем у СтЗсп, относительное удлинение у них одинаково).

Сталь 18Гпс по сравнению с СтЗсп имеет более высокие зиачечения ударной вязкости и волокнистости в изломе при всех температурад испытаний. По значениям ударной вязкости после механического старения полуспокойная сталь 18Гпс также пре­ восходит спокойную сталь СтЗсп.

Служебные свойства стали 18Гпс (сопротивляемость зарожде­ нию и распространению хрупких трещин), исследовались в Ин­ ституте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР. Критическая температура зарождения хрупких трещин для стали 18Гпс на 10°С ниже чем СтЗсп (рис. 1.4), а разрушающие напряжения несколько выше. Сопротивляемость стали 18Гпс распростране­ нию хрупких трещин также выше, чем спокойной стали СтЗсп (рис. 1.5). Сопротивляемость сварных соединений из стал’и 18Гпс усталостным разрушениями не отличается от сварных со­