Основой для производства современных металлоконструкций служит сталь обычного и повышенного качества из углеродистых и низколегированных марок, а иногда титановые и алюминиевые сплавы. Более высокие эксплуатационные характеристики металлоизделий из прокатной стали постепенно снижают интерес к металлу, производимому по технологии чугунного и стального литья.
Особенности стали, используемой для металлоконструкций
При выборе стали для производства металлоконструкций учитывают такие характеристики исходного сырья:
- Механические параметры – предел прочности и текучести, ударная вязкость и относительное удлинение при нагрузках на разрыв.
- Технологические параметры – свариваемость, осадка и т.д.
- Химические параметры – содержание в составе определенных компонентов.
Механические параметры
Для определения механических характеристик проводят специальные испытания нормальных образцов.
Пределом прочности при растягивающих нагрузках является такое напряжение, которое соответствует наибольшему значению нагрузки до разрушения образца. Это условный параметр, который рассчитывается по значению первоначальной площади сечения образца.
Предел текучести – это минимальное значение напряжения, при котором происходит удлинение образца без существенного увеличения параметров нагрузки. В большинстве случаев за предельный параметр текучести образца принимают напряжение, при котором остаточное значение удлинения составляет 0,2 % от его длины. Пределом текучести характеризует способность металла сопротивляться деформационным процессам.
Относительным (предельным) удлинением при нагрузках на разрыв является отношение параметра приращения длины испытуемого образца к его начальной длине. На значение этого параметра также влияет отношение длины к площади образца. Для определения пластических свойств металла принято учитывать длину площадки текучести.
Ударная вязкость позволяет определить подверженность металла к хрупкости и старению и его динамическое сопротивление при пластических деформациях. На этот параметр могут влиять металлургические свойства металла:
- раскисленность;
- шлаковые включения и т.п.
Технологические параметры
Они позволяют определить способность металла деформироваться или принимать воздействия, которые будут характерны для металлоконструкции. При оценке качества учитывается внешний вид поверхности после проведенных испытаний.
При проверке параметров загиба определяется способность заготовки или сварного участка принимать требуемую по размеру форму. При пробах на осадку проверяется способность заклепочной стали выдерживать заданные параметры деформации на сжатие.
Химические элементы в составе стали
На свойства стали влияет и е химический состав:
- Углерод. В строительных металлоконструкциях его содержание обычно составляет не более 0,22 %, иногда – 0,35%. Большее добавление углерода повышает прочность, но снижает параметры пластичности, ухудшая свариваемость и снижая ударную вязкость.
- Марганец. При наличии в составе металла 0,8% марганца, Параметр прочности на растяжение и текучесть материала повышается без ухудшения пластичности. При увеличении включения до 1% и более, падает ударная вязкость и устойчивость к коррозии, металл становится более твердым и хуже сваривается. При очень маленьком содержании марганца значительно снижается предел прочности материала.
- Кремний. Для обычных сталей процент кремния в составе составляет до 0,32, а в низколегированных до 1,1. Этот компонент увеличивает предел прочности и текучести, снижает вязкость, может ухудшать свариваемость.
- Сера. Для предотвращения ломкости, хрупкости (при высоких температурах) и уменьшения прочности в составе стали не должно быть более 0,06% серы.
- Фосфор. Может стать причиной хладноломкости стали. Его содержание в составе обычных сталей обычно не превышает 0,08%.
- Азот. При наличии в составе более 0,015 % азота или других растворенных газов повышается хрупкость металла.
- Хром и никель. Увеличивают твердость и прочность, но уменьшают пластичность. Для строительных низколегированных сталей характерно содержание не более 0,9 и 0,8 процентов элементов, соответственно.
- Медь. Повышает характеристики прочности и устойчивости к коррозии. Обычно составляет до 0,65 % от общего состава.
Способ выплавки
Сталь по способу выплавки бывает:
- Мартеновской. Отличается невысокой пористостью и низким содержанием вредных примесей.
- Конверторной (бессемеровской и томасовской). Для томасовской стали характерна низкая ударная вязкость при нормальных температурных показателях. Она не используется для строительных конструкций. Бессемеровская сталь более пориста, чем мартеновская.
По способу раскисления стали бывают:
- Спокойные.
- Кипящие.
- Полуспокойные.
В составе кипящей мартеновской стали большее количество газов, чем в спокойной, она имеет менее однородную структуру. Бессемеровская сталь по прочности не уступает мартеновской, но последняя менее подвержена старению и хрупкости.
Применение стали различных марок
При строительстве металлоконструкций широкое применение находят такие марки стали:
- Углеродистые обычного качества:
- мартеновские - Ст0, Ст2, СтЗкп, Ст3, Ст4, Ст5;
- бессемеровские – БСтЗкп.
- Углеродистые повышенного качества:
- мартеновская —М16, М18а, М31а.
- Низколегированные конструкционные стали:
- 15ХСНД (НЛ2, СХЛ1), 10ХСНД (СХЛ4), 14Г2, 15ГС, 10Г2СД (МК).
При строительстве несущих металлоконструкций используют такие марки стали:
- при высоких статических нагрузках - СтЗкп;
- при непосредственном динамическом воздействии подвижных вибрационных нагрузок - Ст3;
- при интенсивном действии подвижной нагрузки - М16, М18а;
- при подвижной нагрузке и температуре —25° и ниже - М16 и М18а;
- при тяжелой нагрузке и больших пролетах - 14Г2, 15ГС, 15ХСНД, 10ХСНД.
Для низколегированной стали характерна более высокая прочность, чем для обычной. Ее ограниченное использование в строительных конструкциях объясняется высокой стоимостью производства и недостаточным количеством промышленно освоенных марок этой стали.
Хорошими эксплуатационными параметрами обладают также алюминиевые и титановые сплавы. Они пластичны, легко поддаются обработке под давлением, хорошо свариваются и позволяют уменьшить вес металлоконструкций. Но их производство обходится дороже, и требует специфических условий.
