Лекции_строительные материалы и конструкции

перлит, сорбит или троостит. Эти структуры отличаются друг от друга количеством и степенью дисперсности зерен цементита, а также степенью дисперсности зерен. Свойства неравновесных структур стали приведены в табл.8.1.

Таблица 8.1

Механические свойства неравновесных структур стали

Троостит имеет твердость 400…450 НВ, он тверже сорбита. Троостит более мелкозернистая структура, чем сорбит. Троостит игольчатой структуры (игольчатый троостит) называется бейнитом. Сорбит имеет твердость 250…300 НВ. Сорбит тверже перлита и имеет более мелкозернистую структуру, чем перлит. Твердость сплавов проявляется в сопротивлении пластической деформации при сдвиге. Чем выше при закалке скорость охлаждения стали, тем мельче зернистость структуры и тем выше твердость стали, так как увеличивается блокировка сдвигов.

На практике закалку осуществляют нагревом стали до температуры на

доэвтектоидных сталей на 30…50 °С выше верхней критической точки Ас3 (линия GS). Для заэвтектоидных сталей она на 30…50 °С выше нижней критической точки Ас1 (линия PSK). Длительность выдержки при температуре закалки определяется временем, необходимым для превращения исходной структуры в аустенит. Скорость охлаждения определяется получением требуемой структуры. Скорость охлаждения регулируется подбором закалочной среды (воды, масла, расплава соли и др.).

Охлаждающая способность закалочной среды зависит от ее физических свойств, температуры и объема. Все закалочные среды делят

111

на три группы: с малой (воздух, расплав натриевой селитры, сжатый воздух), умеренной (масло, вода при температуре 50…75 °С) и большой скоростью охлаждения (чистая вода с температурой не более 40…50 °С, водные растворы едких щелочей, поваренной соли, кислот, соды, водяной душ).

В зависимости от состава и назначения стали а также вида изделий применяют такие виды закалки, как полная, неполная, ступенчатая, изотермическая, с самоотпуском, светлая и поверхностная.

При полной закалке нагрев деталей производят до температуры на 30…50 °С выше верхней критической точки. Неполную закалку применяют для заэвтектоидных сталей. Ее осуществляют нагревом деталей, до температуры, превышающей только нижнюю критическую точку АС1. После неполной закалки в структуре присутствует мартенсит и оставшиеся от исходной структуры зерна цементита. Изотермическая закалка предполагает нагрев изделий выше верхней критической точки, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение в расплавленных солях с заданной температурой (350…500 °С) до полного распада аустенита. При ступенчатой закалке охлаждение также производится в солях, нагретых до заданной температуры, но выдержка при температуре ванны дается только для выравнивания температуры по сечению изделия. Структурных превращений при выдержке не происходит. Дальнейшее охлаждение ведется ускоренно для получения структуры мартенсита. Светлая закалка осуществляется нагревом деталей в защитной атмосфере и охлаждением в масле для защиты от окисления и потери углерода в поверхностном слое. Поверхностную закалку выполняют быстрым нагревом поверхности детали выше верхней критической точки и последующим охлаждением в соответствующей закалочной среде. Нагрев поверхности можно произвести токами высокой частоты в индукторе. Чем выше частота тока, тем меньше глубина закалки.

Отпуск применяется с целью уменьшения остаточных напряжений, частичного снижения твердости закаленных изделий, повышения вязкости и улучшения обрабатываемости резанием. При отпуске сталь нагревают ниже критической точки Ас1, выдерживают при этой температуре и охлаждают с заданной скоростью. Известны 3 вида отпуска стали: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске изделия нагревают до 130…240 °С. В них начинается процесс выделения углерода из мартенсита с образованием высокодисперсного цементита. Распад мартенсита при низком отпуске происходит незначительно. Структура после низкого отпуска

112

называется мартенситом отпуска. При этом немного снижается твердость и хрупкость закаленных изделий.

При среднем отпуске с нагревом закаленной стали до 240…450 °С происходит распад мартенсита и образование мелкозернистой ферритно-цементитной структуры. Концентрация углерода в твердом растворе стремится к равновесной. Формируются очень мелкие, не различимые под микроскопом зерна цементита. Структура металла среднего отпуска носит название троостит отпуска. Средний отпуск повышает предел упругости и предел выносливости.

Закаленная сталь, подвергнутая высокому отпуску, имеет структуру сорбита отпуска. Высокий отпуск осуществляют нагревом стали до 450…700 °С. В сорбите отпуска при больших увеличениях видны зерна выделившегося цементита. С повышением температуры отпуска прочность и твердость понижаются, а относительное удлинение и вязкость возрастают.

Самое удачное соотношение прочности и вязкости обеспечивается после закалки и высокого отпуска. Такая термическая обработка называется улучшением.

Отжиг предпринимают для получения равновесного фазового и структурного состояния стали.

Отжиг первого рода устраняет неоднородность строения металла, вызванную предшествующей обработкой. Он применяется для гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Его производят при температуре выше и ниже температуры фазовых превращений. При гомогенизации крупные отливки и слитки нагревают до 1100…1200 °С, выдерживают в течение 8…20 ч и медленно охлаждают.

Холодное деформирование металла приводит к наклепу – искажению упорядоченного кристаллического строения, которое сопровождается ростом внутренних напряжений в металле. Наклеп снимают при рекристаллизационном отжиге: металл нагревают выше температуры порога рекристаллизации, обычно до 700 °С, выдерживают 0,5…1,5 ч и медленно охлаждают. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для изделий после литья, сварки, резания, шлифования. В зависимости от вида обработки изделия нагревают до 160…700 °С, выдерживают 2…3 ч и медленно охлаждают.

Отжиг второго рода снижает фазовую неоднородность стали и позволяет получить сталь равновесной структуры. Полный отжиг применяют для перекристаллизации доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна и снятия остаточных напряжений. При этом сталь

113

Таблица 8.4

Предельно допустимые нормы содержания в сталях вредных примесей

По степени раскисления стали классифицируют:

- на спокойные, раскисленные до разливки в изложницу ферромарганцем, ферросилицием или алюминием;

-полуспокойные, раскисленные частично до изложницы и частично в изложнице ферромарганцем и ферросилицием;

-кипяшие, раскисленные в изложнице ферромарганцем.

Маркировка сталей. В соответствии с ГОСТ 380-94 углеродистые стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок:

Ст 0, Ст I кп, Ст I пс, Ст I сп, Ст 2 кп, Ст 2 пс, Ст 2 сп, Ст 3 кп,Ст 3 пс, Ст 3 сп, Ст 3 Г пс, С г 3 Гсп, Ст 4 кп, Ст 4 пс, Ст 4 сп, Ст 5 пс, Ст 5 сп, Ст 5 Г сп, Ст 6 пс, Ст 6 сп.

Буквы «Ст» обозначают «сталь», цифра - условный номер марки, в зависимости от содержания углерода, марганца и кремния. Буквы «кп», «пс» и «сп» - степень раскисления (соответственно кипящая, полуспокойная, спокойная). Химический состав стали в зависимости от марки приведен в табл. 8.5.

Таблица 8.5

116

Массовая доля хрома, никеля, кальция должна быть не более 0,3 % для каждого элемента. Доля азота не должна превышать 0,01 %, массовая доля серы должна находиться в пределах 0,06 %, фосфора - соответственно не более 0,07 %. Массовая доля мышьяка ограничивается количеством не более 0,08 %.

Для маркировки продукции используют цвета : Ст 0 - красный и зеленый; Ст 1 - желтый и черный; Ст 2 - желтый; Ст 3 - красный; Ст 3 Г пс - красный и коричневый; Ст 3 Г сп - синий и коричневый; Ст 4 - черный; Ст 5 - зеленый; Ст 5 Г пс - зеленый и коричневый; Ст 6 - синий. Примеры соответствия российских марок международным стандартам приведены в табл. 6.

Общим признаком маркировки качественных углеродистых конструкционных сталей (ГОСТ 1050-88) является двузначное число при отсутствии русских заглавных букв, указывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стоящие после двузначного числа строчные русские буквы «кп», «пс» указывают на степень раскисления стали. Буквы "сп" не ставятся.

Таблица 8.6

Примеры соответствия российских марок международным стандартам

Примечание. С - сталь спокойная, В - сталь полуспокойная, А - сталь кипящая, CF - сталь спокойная мелкозернистая.

Эти, а также все рассматриваемые ниже стали, поставляются и по механическим свойствам, и по химическому составу.

117

Примеры маркировки качественных углеродистых сталей: 05 кп, 08

кп, 10 кп, 11 кп, 15 кп, 20 кп, 08 пс, 10пс, 16 пс, 20 пс, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35,40,45, 50, 55, 58, 60.

Углеродистые инструментальные стали, в соответствии с ГОСТ1435-90, маркируют русской заглавной буквой "У", стоящей на первом месте. Число, следующее за символом "У", указывает среднее содержание углерода в стали в десятых долях процента. В конце марки высококачественной стали дополнительно ставится буква А. Инструментальные, а также все рассматриваемые ниже стали, изготовляются только спокойными.

Примеры маркировки углеродистых инструментальных сталей:

У7, У8, У8Г, У9, У10, УМ, У12, У13, У7А, У8А, У8ГА, У9А,У10А, У12А, У13А.

Маркировка всех легированных конструкционных сталей (ГОСТ 454391) отражает их примерный химический состав. Двузначное число, стоящее на первом месте в марке, означает содержание углерода в сотых долях процента. После них следуют буквенные символы, означающие присутствие тех или иных легирующих элементов. Легирующие элементы обозначаются в марках следующими заглавными буквами: азот – А (буква ставится в середине марки), алюминий - Ю, бор - Р, ванадий - Ф, вольфрам - В, кобальт - К, кремний - С, марганец - Г, медь - Д, молибден - М, никель - Н, ниобий - Б, селен - Е, титан - Т, фосфор -П, хром -X, цирконий - Ц.

Число, стоящее за буквой, обозначающей легирующий элемент, указывает его содержание в целых процентах. Число отсутствует в том случае, если содержание элемента составляет примерно I %. Качество стали обозначается так же, как и для углеродистой инструментальной. Русская заглавная буква Ш в конце марки указывает, что сталь особо высококачественная.

Примеры марок легированных конструкционных сталей: 40Х, 10Г2, 38X210, ЗОХЗМФ, 40Х2Н2МА, ЗОХГС-Ш.

Легированные инструментальные стали в соответствии с ГОСТ 5950-73 маркируют аналогично легированным конструкционным. Отличие состоит в маркировке содержания углерода. Содержание углерода указывается в начале марки в десятых долях процента. Буквой Ш в конце марки обозначают, что сталь

118

особовысококачественная. Отсутствие буквы Ш показывает, что сталь высококачественная.

Примеры марок легированных инструментальных сталей: 4ХС; 6Х6ВЗМФС, 9ХВГ, Х12, ЗХЗМЗФ-Ш.

Высоколегированные конструкционные стали (ГОСТ 5632-72) коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные содержат не менее 10 % легирующих элементов. По основным свойствам их делят:

- на коррозионно-стойкие (нержавеющие), стойкие против электрохимической и химической коррозии; - жаростойкие, предназначенные для эксплуатации при температуре более 550 °С без нагрузки;

- жаропрочные, предназначенные для работы в нагруженном состоянии при высоких температурах.

Двузначное число, стоящее первым в марке, указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указание на качество стали аналогично маркировке качества легированной инструментальной стали. Буквы ЭИ (ДИ, ЗИ) означают «исследуемая сталь».

Примеры марок высоколегированных сталей с особыми свойствами:

20X12, 16X11Н2В2МФ, 08Х18Т1, 09Х17Н7Ю.

В некоторых марках легированных сталей буква, стоящая в начале марки, указывает ее назначение, например: Ш - шарикоподшипниковая, Р - быстрорежущая, Э - электротехническая. Марки экспериментальных сталей, еще не включенных в ГОСТы, обозначаются двумя русскими заглавными буквами и числом после них, означающем порядковый номер, например: ЭП (ДП, ЗП) - пробная сталь.

Маркировка чугунов. В маркировке обычного серого чугуна (ГОСТ 1412-85) на первом месте содержатся русские заглавные буквы СЧ, затем указывается число, означающее временное сопротивление разрыву, кг/мм2.

Примеры марок серых чугунов для отливок с пластинчатым графитом:

СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45.

119

В маркировке высокопрочного серого чугуна (ГОСТ 7293-85) на первом месте стоят русские заглавные буквы ВЧ. Затем приводится число, указывающее временное сопротивление разрыву, кг/мм2.

Примеры марок высокопрочных серых чугунов для отливок с шаровид-

ным графитом: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50 , ВЧ60,ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 .

В маркировке ковкого серого чугуна (ГОСТ 1215-79) на первом месте ставятся русские заглавные буквы КЧ. Затем следуют два числа: первое число указывает временное сопротивление разрыву, кг/мм2, а второе - указывает относительное удлинение в процентах.

Примеры марок чугунов отливок с хлопьевидным графитом: КЧ 30-6,

КЧ 33-8, КЧ 55-4, КЧ 80-1,5.

8.6. Металлические конструкции

Металлы и сплавы – это конструкционные материалы, наиболее полно отвечающие требованиям прочности, надежности, долговечности. Благодаря высокой надежности их применяют для возведения наиболее ответственных сооружений. Наибольшее применение в строительстве нашли конструкции из железоуглеродистых и алюминиевых сплавов, отличающиеся рядом преимуществ. Например, известно, что стальные конструкции имеют в 5 раз меньшую массу по сравнению с железобетонными, более транспортабельны, более технологичны при сборке, легко поддаются усилению в случае роста нагрузок. Недостатки стальных конструкций состоят в сравнительно низкой огнестойкости, в подверженности коррозии и, вследствие этого, повышенных затратах на эксплуатацию. К числу достоинств конструкций из алюминиевых сплавов относят низкую среднюю плотность, стойкость к коррозии, архитектурную выразительность, отсутствие порога хладноломкости. Недостатки – низкий модуль упругости и более высокий коэффициент температурного расширения.

В XVII…XVIII веках чугунные конструкции стали применять в виде балок, колонн, лестниц, ферм. Из истории возведения металлических сооружений известно, что первый чугунный мост был построен через р. Северн в Англии в 1779 г. Он имел пролет 30,3 м. Первый чугунный мост в России был возведен в Петербурге в 1784 г. Эти конструкции по форме повторяли очертания каменных сооружений.

Большое значение для распространения металлических строительных конструкций имело производство эффективных прокатных профилей, наиболее полно соответствующих работе металла в сооружениях. Вальцовка прокатных профилей началась в 1769 г. Угловые, тавровые и зетовые профили начали прокатывать 1820 г. в

120