Материал металлоконструкций

Материал металлоконструкций - stroyone.com

Основным материалом строительных металлических конструкций является горячекатаная углеродистая сталь обыкновенного и повышенного качества, а в некоторых случаях низколегированная сталь повышенной прочности. Чугунное и стальное литье, широко применявшееся раньше для опорных частей и других элементов конструкций, в настоящее время вытесняется сварными деталями из прокатной стали.

Для строительных конструкций могут применяться также алюминиевые сплавы, вес которых в 2,5—2,8 раза, а модуль упругости в три раза меньше, чем стали. Наиболее прочные из этих сплавов соответствуют по прочности низколегированной стали, но имеют пониженную сопротивляемость коррозии и не совсем пригодны для сварки. Сплавы же с большей сопротивляемостью коррозии обладают меньшей прочностью. Алюминиевые сплавы пока значительно дороже стали.

Однако намеченное на ближайшее время значительное увеличение производства алюминия открывает широкие возможности для применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях.

Основными характеристиками стали

Основными характеристиками стали определяющими ее применение в конструкциях, являются:

  1. механические характеристики — предел прочности, предел текучести, относительное удлинение при разрыве е и ударная вязкость;
  2. технологические характеристики — загиб в холодном состоянии, свариваемость, осадка и пр.;
  3. характеристики химического состава — предельное содержание углерода, кремния, серы, фосфора и пр.

Эти характеристики устанавливаются соответствующими стандартными испытаниями, пробами и анализами образцов стали. Механические характеристики устанавливаются испытанием нормальных образцов на растяжение и иллюстрируются диаграммой растяжения.

Пределом прочности при растяжении называют напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Это напряжение является условным, отнесенным не к действительной площади сечения образца, а к первоначальной. Для всех металлов, разрывающихся с образованием шейки, характеризует при растяжении сопротивление металла пластической деформации (при величине ее примерно до 15%) и не имеет никакого отношения к разрушающему напряжению.

Пределом текучести называют наименьшее напряжение, при котором образец удлиняется без заметного увеличения нагрузки. Конкретный физический смысл имеет только для тех технических металлов, для которых диаграмма растяжения характеризуется наличием площадки текучести. Для остальных металлов, не обнаруживающих площадку текучести, за условный предел текучести принимают напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение в 0,2% расчетной его длины.

Предел текучести характеризует сопротивление металла пластическим деформациям. На пределе текучести происходит наиболее интенсивное их нарастание — сталь течет.

Поэтому предел текучести является пределом нормативных сопротивлений. Он определяет границу напряжений, при которых деформации оказываются еще настолько малыми, что можно пользоваться методами расчета по стадии упругой работы материала.

Относительное удлинение (предельное) есть отношение приращения длины образца (после разрыва) к его первоначальной расчетной длине. Оно представляет собой сумму двух слагаемых: отношения к исходной длине образца его равномерного удлинения при растяжении до максимальной нагрузки и сосредоточенного удлинения после достижения максимума, и образования шейки вплоть до разрыва.

Второе слагаемое лишено физического смысла потому, что деформация удлинения после образования шейки не простирается на всю длину образца. Таким образом, эта характеристика является условной.

Она зависит также и от отношения расчетной длины к площади образца. Поэтому различают относительные удлинения для длинного образца и для короткого образца. Более правильной характеристикой пластичности является относительное сужение в шейке, непосредственно связанное с пластичностью материала в момент наибольшего ее развития.

Пластические свойства металла принято характеризовать длиной площадки текучести, относительным удлинением при разрыве и относительным сужением шейки образца в месте разрыва.

Ударная вязкость (удельная) характеризует склонность металла к хрупкости и старению, а также динамическое сопротивление пластической деформации. Она равна работе, расходуемой для ударного излома на копре образца данного типа, отнесенной к рабочей площади его поперечного сечения (в месте надреза).

Ударная вязкость определяется при нормальной температуре (+20°) обычной стали и после ее механического старения, достигаемого растяжением заготовки на 10% расчетной длины и последующим отпуском при 250°. Для оценки склонности стали к переходу в хрупкое состояние при пониженной температуре служат испытания на ударную вязкость при температуре -20 и -40°. Ударная вязкость зависит от металлургических качеств металла:

  • раскисленности, структуры
  • наличия шлаковых включений и т. п.

Испытание на ударную вязкость введено в Н и ТУ как приемочное испытание углеродистых и низколегированных строительных сталей для ответственных конструкций, работающих на динамическую нагрузку.

Технологические характеристики определяются посредством соответствующих проб. Эти пробы выявляют способность металла принимать деформацию или воздействие, подобные тем, которые он должен претерпевать при его обработке или при дальнейшей работе в конструкции. При этом качество металла обычно оценивается по внешнему виду, т. е. по состоянию поверхности после испытания.

Для определения способности металла или сварного соединения принимать заданный по размерам и форме изгиб стальной образец толщиной (x), а испытывается на загиб в холодном состоянии обычно на 180° до соприкосновения сторон или же вокруг оправки диаметром (d = 2х или d = Зх (в зависимости от марки стали).

Проба на осадку служит для определения способности заклепочной стали принимать заданную по размерам и форме деформацию сжатия. Свойства стали в значительной степени зависят от ее химического состава и в первую очередь от количества углерода.

Углерод в строительных сталях

В сталях, применяемых в строительных конструкциях, углерода содержится до 0,22 и, реже, до 0,35%. Увеличение содержания углерода в стали увеличивает ее твердость, но снижает ее пластичность; при этом ухудшается свариваемость стали и снижается ее ударная вязкость.

Марганец в строительных сталях

Содержание в строительных сталях марганца в количестве до 0,8% повышает предел прочности при растяжении и предел текучести, хотя и в меньшей степени, чем углерод, но зато не вызывает заметного снижения пластичности.

При содержании марганца более 1 % снижается ударная вязкость и стойкость стали против коррозии, повышается ее твердость и ухудшается свариваемость. Очень малое содержание марганца снижает предел прочности. В перспективных низколегированных сталях содержание марганца доходит до 1,8%.

Кремний в строительных сталях

Кремний повышает повышает предел прочности при растяжении и предел текучести, снижает в и ударную вязкость, а также ухудшает свариваемость стали. В обычной стали кремния содержится до 0,32%, а в низколегированной—до 1,1%.

Сера в строительных сталях

Сера снижает прочность стали и делает ее красноломкой, т. е. хрупкой при температуре 800—1000°, и поэтому непригодной для горячей обработки. Содержание серы в строительной стали не должно превышать 0,06%.

Фосфор в строительных сталях

Наличие фосфора делает сталь хрупкой при низких температурах (хладно­ломкой), а поэтому содержание его в обычной стали ограничивается 0,08%. В количестве же до 0,12—0,15%, но в определенном сочетании с другими компонентами наличие фосфора дает возможность получать малохладноломкую низколегированную сталь повышенной прочности.

Азот в строительных сталях

Вредными примесями являются содержащиеся в стали растворенные газы (азот, кислород и др.). Так, например, содержание азота более 0,015% повышает хрупкость стали.



Хром и никель в строительных сталях

Хром и никель повышают прочность и твердость стали, но несколько снижают ее пластичность. Содержание их в строительных низколегированных сталях достигает соответственно 0,9 и 0,8%.

Медь в строительных сталях

Медь повышает прочность стали и ее стойкость против коррозии. Содержание меди в низколегированной стали доходит до 0,65%. Свойства стали зависят также и от способа ее изготовления. По способу выплавки строительные стали подразделяются на мартеновскую и конверторную (бессемеровскую и томасовскую), а по способу раскисления — на спокойную, кипящую и полуспокойную (последняя почти не вырабатывается).

Томасовская сталь, имеющая весьма низкую ударную вязкость при нормальных температурах, в строительных конструкциях не применяется. Мартеновская сталь менее пориста, чем бессемеровская, и содержит меньше вредных примесей.

Кипящая мартеновская сталь по сравнению со спокойной более засорена газами и имеет менее однородную структуру. Прочность бессемеровской стали не меньше прочности мартеновской, однако последняя, особенно спокойная, более надежна против хрупкого разрушения и старения.

Марки строительной стали и области их применения

Вырабатываемая металлургической промышленностью сталь подразделяется по качеству и назначению на стандартные сорта, называемые марками.

Марки стали должны отвечать требованиям стандартов и предусмотренным вних дополнительным требованиям заказчика. Этими требованиями определяются основные и дополнительные характеристики механических и технологических свойств стали, а также ее химического состава.

Для строительных металлоконструкций применяются:

  1. Углеродистая сталь обыкновенного качества, группы I, поставляемая по механическим свойствам:
    1. мартеновская — марок Ст. 0, Ст. 2, Ст. Зкп, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5;
    2. бессемеровская — марки БСт.Зкп;
  2. Углеродистая сталь повышенного качества, группы III, поставляемая одновременно по химическому составу и по механическим свойствам: мартеновская — марок М16, М18а, М31а. Классификация марок этой стали и общие технические требования даны в ГОСТе 380—57. Втобозначениях марок стали индекс «кп» означает — кипящая; для стали группы III цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента;
  3. Низколегированная конструкционная сталь (повышенной прочности), поставляемая по механическим свойствам и химическому свойству согласно ГОСТу 5058-57, марок: 15ХСНД (НЛ2, СХЛ1), 10ХСНД (СХЛ4), 14Г2, 15ГС, 10Г2СД (МК). В обозначениях марок стали двухзначные цифры слева указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от этих цифр обозначают:
    1. Г — марганец,
    2. С — кремний,
    3. X — хром,
    4. Н — никель,
    5. Д — медь; цифры после букв указывают (приблизительно) процентное содержание соответствующего элемента в целых единицах.

Несущие элементы металлоконструкций следует проектировать:

  1. в конструкциях, воспринимающих статическую нагрузку — из стали марки Ст. Зкп;
  2. в конструкциях, воспринимающих непосредственное динамическое воздействие от подвижных нагрузок (например, при легком и среднем режиме работы кранов), а также непрерывно действующие вибрационные нагрузки — из Ст. 3, с дополнительной гарантией по ударной вязкости согласно ГОСТу 350—57;
  3. при интенсивном действии подвижной нагрузки (например, при тяжелом режиме работы кранов в три смены) из стали М16, М18а;
  4. при подвижной нагрузке и температуре —25° и ниже — из стали М16 и М18а с гарантией ударной вязкости по ГОСТу 380—57;
  5. при тяжелой нагрузке и больших пролетах, а при специальном технико­экономическом обосновании и для малых пролетов — из стали марок: 14Г2, 15ГС, 15ХСНД, 10ХСНД.

Для металлоконструкций находят применение также другие марки стали и чугун. Так, например, стали марок Ст. 4 и Ст. 5 с дополнительной гарантией для Ст. 5 в отношении углерода допускаются в клепаных, а при специальном технико-экономическом обосновании и специальной технологии применения электродов и флюсов и в сварных конструкциях при статической нагрузке.

Сталь марки М31а допускается при технико-экономическом обосновании для клепаных и сварных (при особых условиях) конструкций. Сталь марки БСт. Зкп допускается для клепаных конструкций, не подверженных непосредственному воздействию динамических нагрузок и не предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур (—30° и ниже).

Сталь марки Ст. 0 применяется для нерасчетных, а при специальном обосновании и для несущих элементов — при статической нагрузке. Для листовых конструкций (резервуары, трубопроводы и др.) применяется сталь марок Ст. 2, Ст. Зкп; при пониженных температурах — Ст. 2, Ст. 3, а при специальном обосновании—М16, 09Г2, 14Г2,15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2СД.

Для заклепок применяются сталь марок Ст. 2 иСт. 3, а также низколегированная сталь 09Г2. Болты изготовляются из стали марок Ст. 3, Ст. 5, 09Г2 и 15ХСНД. Отливки (опорные части и т. п.) проектируются из углеродистой стали марок 15Л, 35Л и из серого чугуна марок СЧ 12—28н-СЧ28—48. В обозначении марок чугуна первые двузначные числа указывают предел прочности при растяжении, а вторые предел прочности при изгибе (в кг/см 2).

Сталь марки Ст. Зкп, применяемая для изготовления сварных конструкций, предназначенных под статическую нагрузку, имеет следующие основные характеристики: ст>-2 400 кг/см2 (при толщине проката до 40 мм);

Предел прочности при растяжении = 3 800 — 4 700 кг/см2. Механические характеристики стали марок М16 и М18а немногим лучше, чем стали марки Ст. Зкп. Однако стали М16 и М18а имеют более высокие характеристики ударной вязкости при температуре —20° и после механического старения, благодаря чему их применение особенно рационально в конструкциях, работающих под динамическими нагрузками и в условиях отрицательной температуры.

Применение стали марок Ст. 5 и М31а рационально в тех случаях, когда материал конструкции должен иметь более высокие механические характеристики, чем сталь марки Ст. 3. Наиболее мягкая и пластическая сталь марки Ст. 2 применяется для листовых конструкций, требующих большого количества гибочных и отбортовочных работ, сопровождающихся появлением значительных пластических деформаций, а также для заклепок.

Низколегированная сталь, более прочная, чем обычная, в строительных конструкциях до последнего времени используется еще далеко недостаточно. Это объясняется ограниченным числом освоенных промышленностью марок этой стали, относительно высокой ее стоимостью (в частности, стали марки 15ХСНД — НЛ2, получившей наибольшее практическое применение в строительстве) и не полной изученностью условий и режима сварки стали новых марок.

Вследствие неизменности модуля упругости степень выгодности применения низколегированной стали (повышенной прочности) для элементов, подвергающихся различным видам силового воздействия (растяжению, изгибу, сжатию), неодинакова. Так, наибольшее снижение веса достигается при применении низколегированной стали для растянутых элементов.

Эффективность применения этой стали значительно ниже для изгибаемых и особенно для сжатых гибких элементов. Из-за относительно низкого предела выносливости низколегированной стали применение ее нерационально для конструкций, работающих на переменные и знакопеременные усилия.

Основное расчетное сопротивление стали марок 15ХСНД, 10Г2СД, 14Г2 и 15ГС на 38% выше, чем стали марок Ст. Зкп, Ст. 3 и М18а.

Стоимость стали 15ХСНД в среднем на 35% выше стоимости стали Ст. Зкп, на 20% выше стали Ст. 3 и на 4% ниже стали М18а. Применение стали 15ХСНД взамен широко используемой в стальных конструкциях стали марки Ст. Зкп экономически невыгодно. Эффективно эта сталь может быть использована взамен стали марок Ст. 3 и М18а. В 1956 г. из стали 15ХСНД были изготовлены сварные конструкции колонн и рабочих площадок для мартеновского цеха металлургического завода в Индии.

Применение стали 15ХСНД в пролетных строениях мостов обеспечило экономию свыше 3000/летали. Еще больший эффект должно дать применение низколегированной безникелевой стали наиболее дешевых марок 14Г2 и 15ГС в тяжелых конструкциях взамен стали марки Ст. Зкп. Существенным преимуществом низколегированной стали по сравнению с углеродистой является ее высокая коррозийная стойкость.

Марки стали (обычной и низколегированной), имеющие большую стоимость, следует применять лишь в тех случаях, когда это является необходимым по условиям работы конструкции, а также когда это может привести к меньшей затрате материала и обеспечить снижение стоимости конструкции.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть