Стали, применяемые в строительстве

 

Конструкционные стали

Стали, применяемые в строительстве, называют конструкционными. Они могут быть углеродистыми и легированными, обладающими высокими механическими свойствами. В них содержится не более 0,5-0,6 % углерода. Их разделяют на стали общего назначения и сталь качественную.

Углеродистые конструкционные стали общего назначения при плавке меньше очищают от вредных примесей, чем качественные стали, и поэтому они содержат больше серы и фосфора. Из них отливают крупные слитки. Применяют для горячекатаного проката – полуфабриката, представляющего балки, швеллера и уголки, листы, прутки, а также для изготовления строительных конструкций.

Углеродистые качественные стали имеют более высокие показатели качества и химического состава, чем стали общего назначения. Их применяют для сварных конструкций в мостостроении, судостроении, машиностроении.

Углеродистой называют нелегированную сталь, содержащую 0,04…2 % углерода. Кроме того, в состав стали входят постоянные примеси – кремний и марганец, а также вредные – фосфор и сера (их содержание не должно превышать 0,05…0,06 %). В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на низко - (до 0,25 % углерода), средне - (до 0,25…0,6 %) и высокоуглеродистые (свыше 0,65 %). С повышением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали объясняется увеличением содержания в стали твердого компонента – цементита.

По назначению углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные стали содержат углерода не более 0,65 %. Их применяют для изготовления арматуры железобетонных конструкций. Используемые в строительстве конструкционные углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и специальные.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на группы А, Б, В, учитывающие условия поставки. Сталь группы А поставляют потребителям по механическим свойствам: пределам прочности и текучести, относительному удлинению, способности к изгибу в холодном состоянии. В стали группы Б нормируют химический состав, а группы В – одновременно химический состав и механические свойства.

Маркировка сталей. Каждая группа включает несколько марок стали – от Ст0 до Ст6. С увеличением номера возрастает прочность стали и уменьшается ее пластичность.

Легированные стали

Легированными, или специальными, называют стали, в которые вводят легирующие элементы (от греческого «лега» − сложное). Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее структуры и свойств. К ним относятся: Сu, Aℓ, Si, Ti, V, Cr, Nb, W, Mo, Ni, Mn, Co и др.

Легированием повышают коррозионную стойкость сталей, придают им стойкость в условиях низких и высоких температур и давлений, повышают прочность, твердость, износостойкость и др. Отдельные легирующие элементы: Сu, Si, Cr, Mo, Ni и др. повышают у стали коррозионную стойкость; Si, Cr, W, Ni, Mn и др. – твердость и прочность; V, Cо, Ni – вязкость; Cr, Ni, Mn – сопротивление истиранию и т.д.

Конструкционные строительные низколегированные стали отличаются коррозионной стойкостью и применяются для изготовления строительных стальных конструкций (ферм, мостов, нефтепроводов, газопроводов и др.), а также арматуры для железобетонных конструкций.

В железобетонных конструкциях применяют простые углеродистые стали и низколегированные арматурные стали в виде проволоки и стержней гладких или периодического профиля. Ненапряженные железобетонные конструкции, в которых сталь испытывает небольшие напряжения, армируют простыми углеродистыми сталями и низколегированными сталями.

Свойства сталей

Широкому использованию в строительстве сталь обязана высоким физико-механическим показателям, технологичности (возможности получения из нее конструкций различными методами) и большим объемом производства. Сталь обладает рядом характерных свойств.

Плотность стали – 7850 кг/м³, что приблизительно в три раза выше плотности каменных материалов.

Прочность и деформативные свойства обычно определяются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение – деформация». Сталь, как и другие металлы, ведет себя как упругопластичный материал (рис. 12.6). В начале испытаний деформации у стали пропорциональны напряжениям. Максимальное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется пределом пропорциональности σ_у (при этом напряжении остаточные деформации не должны превышать 0,05 %).

При дальнейшем повышении напряжения начинает проявляться текучесть стали – быстрый рост деформаций при небольшом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее началу течения, называют пределом текучести σ_т.

Затем наступает некоторое замедление роста деформаций при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего происходит разрушение образца. Наибольшее напряжение называется временным сопротивлением σ_в, что является фактическим пределом прочности стали R_р.

Относительное удлинение стали ε в момент разрыва характеризует ее пластичность. Оно рассчитывается по формуле

(12.1)

где ℓ₀ – начальная длина расчетной части образца, мм;

ℓ₁ – длина этой части в момент разрыва образца, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей. Модуль упругости стали составляет 2,1∙10⁵ МПа.

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (НR) по величине вдавливания индентера (закаленного шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь. Ее вычисляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цементацией – насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).

Ударная вязкость – свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у Ст3 ударная вязкость при +20 °С составляет 0,5…1 МДж/м², а при -20 °С − 0,3…0,51 МДж/м².

С помощью технологических испытаний обнаружена способность стали принимать определенные деформации, аналогичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего производят пробу на холодный изгиб.

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и составляет около 70 Вт/(м∙°С).

Коэффициент линейного термического расширения стали составляет 11,7∙10^-6 К^-1.

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500…1300 °С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагревании в ней происходят полиморфные превращения, приводящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 °С; после достижения температуры 500…600 °С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их необходимо защищать от действия огня, например, покрытием цементными растворами.

Сортамент стального проката

Прокатом называются детали и изделия, изготовленные способом прокатки. Сортаментом называют совокупность профилей (форм поперечного сечения изделий) и размеров изделий. Прокатка металла происходит при прохождении его между двумя валками прокатного стана, вращающимися в противоположные стороны, при этом металл под давлением валков обжимается, вследствие чего уменьшается толщина полосы и увеличиваются ее ширина и длина. Путем прокатки изготавливают листы, квадратный и круглый профили, швеллеры, рельсы, балки и др. (рис. 12.7).

Основную массу прокатных стальных изделий прокатывают в горячем состоянии при температуре 900-1250 °С (горячая прокатка), а небольшую часть – в холодном состоянии (холодная прокатка).

Прокатка является одним из самых распространенных способов обработки металлов давлением. Прокаткой обрабатывается около 75 % всей выплавляемой стали. Стальной прокат широко применяется в строительстве зданий, сооружений, мостов, на железнодорожном транспорте, в других отраслях производства.

Стальной прокат разделяют на четыре основные группы: листовая сталь, сортовая сталь, специальные виды стали и трубы.

Листовую сталь разделяют на два основных вида: тонколистовую – листы толщиной меньше 4 мм и толстолистовую – листы толщиной больше 4 мм. Эта сталь имеет разнообразное применение.

Сортовая сталь разделятся на два вида: первый – профили общего назначения (лента, полосовая, квадратная и угловая сталь, проволока различного профиля, швеллеры, двутавровые балки и др.); второй – профили специального назначения (шпунты, рельсы и др.). Среди всей прокатной продукции наибольшую часть составляет сортовая сталь (около 50 %).

К специальным видам проката (рис. 12.8) относятся периодические профили (попеременное поперечное сечение по длине проката), гнутые профили, цельнокатаные колеса, бандажи и др. К периодическим профилям проката относится, в частности, применяемая в железобетоне арматурная сталь. Гнутые профили изготавливают из ленты или листа толщиной 0,2-20 мм; они весьма широко применяются в строительстве – в оконных переплетах, в строительных конструкциях и др.

Стальные трубы выпускаются бесшовные и сварные. Причем в настоящее время производство сварных труб быстро увеличивается.