Выбор марок сталей по прочности для конструкций с учетом их назначения. Физико-механические характеристики стали.

Марку стали выбирают на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом СНиП П-23-81. В целях упрощения заказа металла при выборе марки стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению количества марок и профилей. Выбор марки стали для строительных конструкций зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

- температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция; этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах;

- характера нагружения, определяющего особенность работы материала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках;

- вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объемное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы);

- способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения;

- толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины.

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы в соответствии со СНиП 11-23-81.

К первой группе отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (например, подкрановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов, фасон-ки ферм и т. д.). Напряженное состояние таких конструкций характеризуется высоким уровнем и большой частотой загружения.

Конструкции первой группы работают в наиболее сложных условиях, способствующих возможности их хрупкого или усталостного разрушения, поэтому к свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.

Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двух-осного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригелиj рам, балки перекрытий и покрытий и другие растянутые, растянуто - из- гибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений.

Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы.

К третьей группе отнесены сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, ко- лонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато - изги - баемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а так-; же конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений.

Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важным является оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сварочных напряжений, более низкая концентрация напряжений и другие факторы улучшают их работу.

В пределах каждой группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах.

В СНиП П-23-81 содержится перечень марок сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.

Окончательный выбор марки стали в пределах каждой группы должен выполняться на основании сравнения технико-экономических показателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей завода-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных балках, фермах и т. п.) экономически целесообразно применение двух марок стали - более высокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, балок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решетка ферм, стенки балок).

Общие сведения. Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется:

- механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям (временным сопротивлением и пределом текучести при растяжении); сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударной вязкостью при различных температурах); показателями пластичности (относительным удлинением); сопротивлением расслоению (изгибом в холодном состоянии). Значения этих показателей устанавливаются государственными стандартами. Кроме того, качество стали определяется сопротивлением многократному нагружению (усталостью);

- свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства;

- коррозионной стойкостью.

По механическим свойствам стали делятся на три группы:

- обычной прочности (малоуглеродистые);

- повышенной прочности;

- высокой прочности.

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химического состава, вида термической обработки и технологии прокатки.

Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода (малоуглеродистые стали обычной прочности легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и другими элементами (низколегированные стали повышенной прочности); легированием и термическим упрочнением (стали высокой прочности).

Феррит весьма пластичен и малопрочен, цементит очень тверд и хрупок. Перлит обладает свойствами, промежуточными между свойствами феррита и цементита.

Зерна феррита и перлита в зависимости от числа очагов кристаллизации получаются различной величины. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства стали (чем мельче зерна, тем выше качество стали).

Вредные примеси. К ним в первую очередь относятся: фосфор, который, образуя раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладоломкость) и снижет пластичность при повышенных; сера, делающая сталь красноломкой (склонную к образованию трещин при температуре 800-1000°С) вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. Поэтому содержание серы и фосфора в стали ограничивается: так, в углеродистой стали Ст3 серы должно быть не больше 0,05% и фосфора - 0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0,0007 %), но, концентрируясь около включений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам блоков, вызывает в микрообъёмах высокие напряжения, что.приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению, снижению временного сопротивления и ухудшению пластических свойств. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

Термическая обработка. Значительного повышения прочности, деформационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой благодаря тому, что под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Старение. При температурах ниже температура образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решетки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и к уменьшению пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Наряду с углеродом выделяются азот и карбиды других элементов, которые производят аналогичное действие. Перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходят в течение достаточно длительного времени, поэтому такое явление называется старением.

Старению способствуют: а) механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение); б) температурные колебания, приводящие к изменению, растворимости и скорости диффузии компонентов и поэтому их выделению (физико-химическое старение, дисперсионное твердение). Невысоким нагревом (до 150- 200 °С) можно резко усилить процесс старения.

При пластическом деформировании и. последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.

Сталь, применяемая в металлических конструкциях, производится двумя способами: в мартеновских печах и конвертерах с поддувкой кислородом сверху. Стали мартеновского и кислородно-конвертерного производства по своему качеству и механическим свойствам практически одинаковы. Однако производство кислородно-конвертерной стали проще и дешевле.

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными, спокойными.

Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной.

Механические свойства несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномерного распределения химических элементов. Особенно это относится к головной части, которая получается наиболее рыхлой (вследствие усадки и наибольшего насыщения газами), и в ней происходит наибольшая ликвация вредных примесей и углерода. Поэтому от слитка отрезают дефектную головную часть, составляющую примерно 5 % массы слитка. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество малоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния от 0,12 до 0,3% или алюминия до 0,1 %; кремний (или алюминий), соединяясь с растворенным кислородом, уменьшает его вредное влияние. При соединении с кислородом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты, и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, что ведет к повышению ее качества и механических свойств. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спокойными. От головной части слитка спокойной стали отрезают часть, составляющую примерно 15 %. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали применяются при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

Однако спокойные стали примерно на 12 % дороже кипящих, что заставляет ограничивать их применение и переходить, когда это выгодно по технико-экономическим соображениям, на изготовление конструкций из полуспокойной стали.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния- в размере 0,05-0,15% (редко алюминием). От головной части слитка отрезается меньшая часть, равная примерно 8 % массы слитка. По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное положение.

Малоуглеродистые стали обычной мощности. Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургической промышленностью по ГОСТ 380-71, с изм., для строительных металлоконструкций применяется сталь марок Ст3 и Ст3Гпс

Сталь марки Ст3 производится кипящей, полуспокойной и спокойной. Малоуглеродистые стали хорошо свариваются. В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трем группам:

А - по механическим свойствам;

Б - по химическому составу;

В - по механическим свойствам и химическому составу.

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В

В зависимости от вида конструкций и условий их эксплуатации к стали, из которой они изготовляются, предъявляются те или иные требования по ГОСТ 380-71. Углеродистая сталь разделена на шесть категорий. Для всех категорий стали марок ВСт3 и ВСт3Гпс требуется, чтобы при поставке гарантировались химический состав, временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном состоянии. Требования ударной вязкости для каждой категории различны.

Кипящая сталь изготовляется по 2-й категории - ВСтЗкп2, полуспокойная - по 6-й категории - ВСтЗпс6, спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца - по 5-й категории - ВСтЗсп5 и ВСтЗГпс5.

Маркировка стали согласно ГОСТ 380 - 71 (с изм.): вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы поставки, затем марки, далее степень раскисления и в конце категория, например обозначение ВСтЗпс6.

ГОСТ 23570 - 79 "Прокат из стали углеродистой свариваемой для строительных металлических конструкций" ограничивает содержание азота, мышьяка, устанавливает более строгий контроль механических свойств.

В обозначение марки стали по ГОСТ 23570 - 79 входят содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисления и при повышенном содержании марганца буква Г. Прокат изготовляют из сталей 18кп, 18пс, 18сп, 18Гпс и 18Гсп. По сравнению с ГОСТ 380 - 71 (с изм.) несколько повышены прочностные характеристики проката.

Значительная часть проката имеет механические свойства т, т выше установленных ГОСТ380 - 71 (с изм.). Институтом электросварки им. Е. О. Патона в целях экономии металла прокат из углеродистой стали марок СтЗ, СтЗГпс и низколегированной стали марок 09Г2 и 09Г2С предложено дифференцировать по прочности на 2 группы с минимальными и повышенными показателями прочности, так, для стали ВСтЗ 1-й группы принято т=250 - 260 МПа, а для 2-й группы т=280 - 290 МПа, временное сопротивление отрыву в повышено на 20 - 30 МПа. Прокат из такой стали поставляется по ТУ 14-1-3023-80 "Прокат листовой, широкополосный универсальный и фасонный из углеродистой и низколегированной стали с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности".

Стали повышенной прочности. Сталь повышенной прочности можно получить как термической обработкой малоуглеродистой стали, так и легированием.

Малоуглеродистая термически обработанная сталь марки ВстТ поставляется по ГОСТ 14637 - 79. Эта сталь получается термической обработкой стали СтЗ кипящих, полуспокойных и спокойных плавок. Для металлических конструкций рекомендуются стали полуспокойной и спокойной плавок; стали кипящие как весьма неоднородные не рекомендуются.

Сталь марки ВСтТпс имеет предел текучести 295 МПа, временное сопротивление 430 МПа. Показатели ударной вязкости этой стали выше, чем показатели стали СтЗ (0,35 МДж/м2 при температуре - 40 °С).

Повышенная прочность низколегированных сталей получается введе- нием марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия. При этом некоторые марки стали подвергаются термическому упрочнению. Подбор легирующих элементов обеспечивает хорошую свариваемость. Прокат из этих сталей поставляется по ГОСТ 19281 - 73 "Сталь низколегированная сортовая и фасонная", по ГОСТ 19282 - 73 "Сталь низколегированная толстолистовая и широкополосная универсальная" и различным техническим условиям.

В зависимости от нормируемых свойств (химического состава, временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости при разных температурах и после механического старения) согласно ГОСТу эти стали подразделяются на 15 категорий.

За счет более высоких прочностных характеристик применение сталей повышенной прочности приводит к экономии металла до 20 - 25%.

Сталь высокой прочности. Прокат из стали с пределом текучести 440 МПа и временным сопротивлением 590 МПа и выше получают путем легирования и термической обработки.

При сварке термообработанных сталей вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соединения происходят различные структурные превращения. На одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной прочностью и хрупкостью (жесткие прослойки), на других металл подвергается высокому отпуску и имеет пониженную прочность и высокую пластичность (мягкие прослойки).

Разупрочнение стали в околошовной зоне может достигать 5 - 30 %, что необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей.

Введение в состав стали некоторых карбидообразующих элементов (молибден, ванадий) снижает эффект разупрочнения.

Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла на 25 - 30 % по сравнению с конструкциями из малоуглеродистых сталей и особенно целесообразно в большепролетных и тяжело нагруженных конструкциях.

Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости металлических конструкций применяют низколегированные стали, содержащие в небольшом количестве (доли процента) такие элементы, как хром, никель и медь.

В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавкой фосфора (например, стали 10ХНДП и 10ХДП). На поверхности таких сталей образуется тонкая окисная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищающая металл от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшается. Кроме того, в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладостойкостью, поэтому применение сталей 10ХНДП и 10ХДП рекомендуется при толщинах не более 16 мм. В больших (12 - 50 мм) толщинах следует применять сталь 12ХГДАФ.

В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мембранные покрытия), широко применяется тонколистовой прокат. Для повышения долговечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки ОХ18Т1Ф2, не содержащей никеля. Механические свойства стали ОХ18Т1Ф2: в = 500 МПа, т = 360 МПа, б5>=ЗЗ%. В больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной (хрупкостью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяют применять его в конструкции при расчетных температурах до - 40°С.

54. Сварные соединения элементов стальных конструкций: виды сварных швов и соединений, конструктивные требования. Сварочные материалы.

 

Процесс сварки состоит в молекулярной диффузии металлов свариваемых изделий и плавящегося электрода, находящихся в жидком или высокопластичном состоянии и в совместной кристаллизации металлов при остывании.

Процесс сварки сопровождается структурными и химическими изменениями металла в зоне сварного соединения и возникновением остаточных напряжений и деформаций.

Виды сварки, сварных швов и соединений

В строительстве главным образом применяется электродуговая сварка: ручная, автоматическая, полуавтоматическая.

Сварные швы классифицируют по конструктивному признаку, назначению, положению, протяженности и внешней форме.

Швы могут быть рабочими или конструктивными (связующими); заводскими или монтажными; сплошными или прерывистыми (шпоночными).

По положению в пространстве во время выполнения сварных швов они бывают: нижними, вертикальными, горизонтальными и потолочными. Швы, расположенные параллельно осевому усилию, называют фланговыми, а перпендикулярно усилию – лобовыми.

Различают следующие виды сварных соединений: стыковые, внахлестку, угловые и тавровые (впритык), комбинированные.

Конструктивные требования к сварным соединениям

В конструкциях со сварными соединениями следует: предусматривать применение высокопроизводительных механизированных способов сварки; обеспечивать свободный доступ к местам выполнения сварных соединений с учетом выбранного способа и технологии сварки.

Размеры и форму сварных угловых швов следует принимать с учетом следующих условий:

- катеты угловых швов должны быть не более , где - наименьшая толщина соединяемых элементов;

- катеты угловых швов следует принимать по расчету, но не менее указанных в табл. 38 СНиП II-23-81*;

- расчетная длина углового сварного шва ограничивается условием

(за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяжении шва), но не менее 40 мм;

- размер нахлестки должен быть не менее , где - минимальная тощина наиболее тонкого из свариваемых элементов;

- соотношения размеров катетов угловых швов следует принимать .