СКЛАД І ВЛАСТИВОСТІ БУДІВЕЛЬНИХ СТАЛЕЙСКЛАД І ВЛАСТИВОСТІ БУДІВЕЛЬНИХ СТАЛЕЙ

• Хімічний склад і технологія виробництва сталі • Оцінка властивостей сталі та діаграма деформування сталі • Нормативні і розрахункові опори сталі • Маркування сталі та вибір марки сталі • Сортамент

Властивості, що важливі для Властивості, що важливі для будівельної сталібудівельної сталі

Властивості сталей

Висока міцність

Чим міцніша сталь, тим менше її витрати.(А) Механічні

Оброблюваність

При виготовленні конструкцій повинна бути забезпечена

можливість гнуття, різання, стругання, свердління отворів.

(Б) Технологічні

(В) Експлуатаційні

Достатня пластичність

Пластичне руйнування відбувається плавно, поступово. Це дуже важливо для безпеки

конструкції.

Стійкість до крихкого руйнування

Крихке руйнування відбувається миттєво та при менших деформаціях. Дуже небезпечне.

Зварюваність

Зварювання є основним способом з'єднання елементів

металевих конструкцій.

Корозійна стійкість

Підвищує довговічність конструкцій.

Відсутність схильності до старіння

Старіння полягає в зниженні пластичності та стійкості до крихкого руйнування.Всі перераховані властивості залежать від

хімічного складу сталі.

Хімічний склад сталіХімічний склад сталіСталь - це сплав заліза з вуглецем і деякими добавками. Залізо забезпечує високу пластичність, а вуглець (при вмісті до 1%) - міцність. Однак вуглець знижує пластичність і погіршує зварюваність, тому його вміст у будівельних сталях становить не більше 0,22%. Присутність в сталі нормальних домішок (кремній, марганець, фосфор, сірка, кисень) викликане умовами її отримання.

Вміст вуглецю Найменуванняне більше 0,22% будівельні сталіне більше 0,65% конструкційні сталі0,65…1,5 % інструментальні сталі2,14…6,67 %(звичайно 2,8…4 %)

чавуни

Діаграма стану сплавів «залізо-вуглець»

Хімічний склад Хімічний склад будівельних сталейбудівельних сталей

Залізо забезпечує пластичність. Пластичне руйнування відбувається поступово, цьому передують значні деформації, тому розвинені пластичні властивості мають істотне значення для безпечної роботи конструкції.

Вуглець забезпечує міцність, але знижує пластичність і зварюваність, тому зміст вуглецю обмежується ( не більше 0,22 %).

Легуючі добавки ( кремній, марганець, мідь, хром, нікель, ванадій, молібден, алюміній ) підвищують міцність і пластичність сталі. В основному застосовуються низьколеговані сталі з сумарним вмістом легуючих добавок не більше 5%.

Шкідливі домішки ( сірка, фосфор, кисень, водень, незв'язаний азот ) підвищують крихкість сталі; їх зміст обмежується ( не більше 0,04 ... 0,05 %). Щоб уникнути потрапляння шкідливих домішок при зварюванні розплавлений метал необхідно захищати від впливу атмосфери.

Шкідливі домішки і Шкідливі домішки і отримання сталіотримання сталі

Шкідливі домішки - фосфор , сірка , атмосферні гази (кисень , водень , азот).Вони погіршують зварюваність, знижують пластичність сталі та її стійкість до крихкого руйнування.Фосфор підвищує крихкість сталі при знижених температурах ( холодноламкість ).Сірка сприяє утворенню тріщин при температурі 800 ... 1000 ° С ( красно ламкість ).Вміст шкідливих домішок в сталі обмежується. Крім того, при зварюванні метал необхідно захищати від впливу атмосфери.Сталь отримують в конвертерах з продувкою киснем в мартенах або електропечах.Початковою сировиною є чавун, який відрізняється від сталі більш високим вмістом вуглецю, кремнію, марганцю, сірки, фосфору.Не виключено використання в якості сировини металобрухту.

Конвертер в похилому положенні в момент

заливки чавуну

Мартенівська піч

Класифікація сталі за Класифікація сталі за ступенем розкисленняступенем розкислення

Після плавки сталь розливають ковшами в виливниці, де відбувається охолодження і кристалізація металу. У процесі кристалізації виділяється велика кількість газів - сталь «кипить», це погіршує її якість.Отриману сталь називають киплячою, вона придатна лише для невідповідальних конструкцій.Спокійне остигання досягається використанням розкислювачів (кремнію, марганцю, алюмінію), які пов'язують гази, утворюючи шлак.Шлаки концентрується у верхній частині злитка; її згодом зрізують і відправляють на переплавку.Отримана сталь називається спокійною, вона на 10-12 % дорожче киплячій і застосовується у відповідальних конструкціях.При неповному розкисленні ( меншій кількості розкислювача ) виходить напівспокійна сталь. За ціною і якістю вона займає проміжне положення між киплячою і спокійною.

Розливка сталі

Способи підвищення Способи підвищення міцності сталіміцності сталі

Для підвищення міцності сталі застосовується термічна обробка і легування.Основні види термічної обробки - загартування, нормалізація, відпуск і оджиг. Вони відрізняються температурою нагріву та умовами охолодження.Легування сталі полягає в додаванні спеціальних легуючих елементів, що підвищують її міцність і пластичність. Деякі добавки пов'язують шкідливі домішки , перетворюючи їх на корисні.Однак легуючі добавки погіршують зварюваність сталі.Тому в будівництві застосовують низьколеговані сталі , в яких сумарний вміст легуючих добавок становить не більше 5 %.

Виливниці

Сталь Розкислювач (кремній), %

Частина зливка, що

зрізується, %кипляча (кп) - 5напівспокійна (пс) 0,05…0,15 8спокійна (сп) 0,12…0,80 15

Легуючі добавкиЛегуючі добавкиБудівельні сталі легують переважно хромом. В окремих випадках застосовується нікель. Добавки-розкислювачі (кремній, марганець) одночасно є і легуючими. Ванадій і молібден запобігають розміцненню термообробленої сталі при зварюванні. Мідь підвищує стійкість сталі до атмосферної корозії.

Нержавіюча сталь (високолегована)

Склад, %

Вуглець 0,1…0,2Хром 17…20Нікель 8…11

Основний склад Шкідливі домішки Добавки-розкислювачі Легуючі добавкизалізо - сіра не більше

0,03…0,05 %кремній до 0,8 % хром 0,3…0,4 %

фосфор марганець до 1,7 % ванадій 0,07…0,15%вуглець не більше

0,22 %кисень,водень, азот

не більше 0,015…0,025%

алюміній до 0,1 % молібден 0,15…0,25 %мідь не більше 0,7 %

Хімічний склад будівельної сталі

Прокатка сталі та її Прокатка сталі та її вплив на міцністьвплив на міцність

Прокатка є одним з видів гарячої обробки металів тиском і виконується на прокатних станах .Розігріті злитки багаторазово пропускаються між двома валками, що обертаються назустріч один одному, при цьому метал пластично деформується і набуває задану форму (лист, рейок , двотавр і т.д.).Чим товще прокат, тим менше ступінь обтиснення і швидкість охолодження, тому зі збільшенням товщини прокату характеристики міцності знижуються.

Міцність при розтягуванні в напрямку товщини прокату складає всього 5% від міцності в перпендикулярному напрямку (анізотропія властивостей) .

Прокатка сталі

Розшарування поперечної діафрагми в

балки

Розшарування пояса колони в

місці примикання

консолі

Характеристики міцності Характеристики міцності сталісталі

Міцність - це здатність матеріалу не руйнуватися при виникненні в ньому напружень від зовнішніх впливів. Характеристики міцності сталі: Фізичний границя текучості y - це напруження, при якому відбувається зростання пластичних деформацій без збільшення зовнішнього навантаження. y = yeld (текучість)Умовна границя текучості 0,2 – це напруження, при досягненні якого і подальшому розвантаженні залишкові деформації складають 0,2%.Тимчасовий опір u – це напруження, яке відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка.u = ultimate (граничний)

AN

%1000

ll

Діаграма деформування Діаграма деформування сталісталі

Сталі звичайної Сталі звичайної міцностіміцності

Сталі високої Сталі високої міцностіміцності

, МПа

, %0,2 %0 8 12 16 20 24

800

600

400

200

u

0,2

u

y

Стадія пружної роботи

Площадка текучості

Стадія самозміцнення

Розрив зразка

Фізична границя текучості

Тимчасовий опір

Умовна границя текучості

Тимчасовий опір

tg = E

Характеристики Характеристики пружності і пластичностіпружності і пластичності

Пружність - це здатність матеріалу відновлювати свою первинну форму після зняття зовнішнього навантаження. Пружні характеристики сталі:

Модуль пружності Е – це тангенс кута нахилу дотичної до кривої деформування на початку координат.Границя пружності е – це найбільше напруження, при якому деформації зникають після зняття навантажень.е = elastic (пружність)Пластичність – це здатність матеріалу отримувати незворотні (залишкові) деформації після зняття зовнішнього навантаження.Пластичність характеризується відносним залишковим видовженням при розриві .p = plastic (пластичність)

Модуль пружності приймається постійним для всіх

марок сталі: Е = 2,06 105 МПа

Границя пропорційності р знаходиться нижче границі пружності

Нормування міцності Нормування міцності сталісталі

Міцність сталі, як і будь-якого матеріалу, перебуває під впливом великого числа факторів і не залишається постійною навіть у межах однієї партії зразків. Мінливість механічних характеристик матеріалів враховується методами математичної статистики на основі великого числа випробувань (понад 1000).

1

2

nni

RnR

RS64,1

S3 S3

МПа, 10 200 220 240 260 280 300 320 340 360

20

15

10

5

0За результатами випробувань будують гістограму (1), яку потім апроксимують однією з теоретичних кривих щільності розподілу (2). Для міцності матеріалу найбільш придатною є крива Гауса (нормальний закон розподілу).

Нормативний опір Нормативний опір матеріалуматеріалу

f() – густина розподілу; – характеристика, що розглядається (наприклад, границя текучості у);

R – математичне очікування (середнє значення);S – стандарт розподілу (середньоквадратичне відхилення від математичного очікування); n – число досліджень.

– показник надійності, що гарантує задану забезпеченість (табличне значення);V – коефіцієнт варіації; характеризує якість технології.

Нормативне опір матеріалу Rn – це значення його міцнісної характеристики, прийняте з забезпеченістю р = 0,95 на підставі статистичної обробки результатів стандартних випробувань зразків.

;2

)(exp2

1)( 2

2

SR

Sf

;1

nR

n

ii

;301

)( 2

nприn

RS i

;30)( 2

nприn

RS i

;1 VRRn RSV /

Нормування механічних Нормування механічних характеристик сталіхарактеристик сталі

Нормативне опір матеріалу - це значення його міцнісної характеристики, прийняте з забезпеченістю 0,95 на підставі статистичної обробки результатів стандартних випробувань зразків;

Розрахунковий опір визначається діленням нормативного на коефіцієнт надійності за матеріалом m; для сталі m = 1,025…1,15 (в залежності від марки); для бетону m = 1,15…1,50.

Нормативний опір Розрахунковий опір

по границі текучості (y) Ryn Ry

По тимчасовому опору (u)

Run Ru

Умовні позначення

Модуль пружності приймається постійним для всіх марок сталі: Е = 2,06 105 МПа

Нормативні і Нормативні і розрахункові опори сталірозрахункові опори сталі

Маркасталі

товщинапрокату,

мм

нормативні розрахункові

листового, широкополкового, універсального

фасонного листового, широкополкового, універсального

фасонного

Ryn Run Ryn Run Ry Ru Ry Ru

С 245 від 2 до 20понад 20 до 30

245-

370-

245235

370370

240-

360-

240230

360360

С 345 від 2 до 10понад 10 до 20понад 20 до 40

345325305

490470460

345325305

490470460

335315300

480460450

335315300

480460450

С 375 від 2 до 10понад 10 до 20понад 20 до 40

375355335

510490480

375355335

510490480

365345325

500480470

365345325

500480470

Нормативні та розрахункові опори прокату, МПа

Маркування сталі згідно Маркування сталі згідно ГОСТ 27772-88ГОСТ 27772-88

Ryn для найменшої товщини (з округленням до 5 МПа).

СС 245 245Сталь будівельна

Сталь підвищеної корозійної стійкості (з добавкою міді)

С 345С 345ДД

Варіант хімічного складу

С 345С 345КК

ГОСТ 27772-88 «Прокат для строительных конструкций. Общие

технические условия»

Маркування сталі за Маркування сталі за іншими стандартамиіншими стандартами

ВВст3ст3пспс66Група поставки

А – по механічним властивостямБ – по хімічному складуВ – по механічним властивостям та хімічному складу

Сталь «3» Ступінь розкисленнясп – спокійнапс – напівспокійнакп – кипляча

Категорія сталі (1…6), вказує вид досліджень на ударну в’язкість

0909Г2Г2ССвміст вуглецю 0,09%

марганець до 2%

кремній до 1%

ГОСТ 380-88 «Сталь углеродистая обыкновенного качества»

ГОСТ 19281-73 «Сталь низколегированная сортовая и

фасонная»

Вст3Гпс5

Сталь з підвищеним

вмістом марганцю

Сталі, що поставляються по

різним стандартам, взаємозамінні

Класифікація сталей за Класифікація сталей за міцністюміцністю

Група сталі Марки сталі по ГОСТ 27772-

88

Тривалість площадки

текучості, %y /u , %

Сталі звичайної міцностімаловуглецеві

С235; С245; С255; С275;

С2852,5 0,6…0,7 21

Сталі підвищеної міцностінизьколеговані

С345; С375 1…1,5 0,7…0,8 17

Сталі високої міцностінизьколеговані з термічним зміцненням

С390; С440; С590 відс. 0,8…0,9 12

Вибір марки сталі для Вибір марки сталі для конструкціїконструкції

Група конструкцій

Характеристика роботи зварних конструкцій

Приклади конструкцій Марка сталі (при t до –40°С)

1 Працюючі в особливо важких умовах або піддаються впливу динамічних, вібраційних або рухомих навантажень

• підкранові балки• фасонки ферм

всі, крімС235; С245;

С275; С345К; С590

2 Працюючі переважно на розтяг і вигин при статичному навантаженні

• ферми• балки перекриттів

та покриттів

всі, крім С235

3 Працюючі переважно на стиск при статичному навантаженні

• колони• опорні плити

всі

4 Допоміжні конструкції • сходи• елементи фахверка

тільки С235

Залежно від умов роботи сталеві конструкції поділяються на 4 групи, для яких встановлені приємним марки сталі.

Чи можна в одній конструкції застосовувати різні марки сталі. Так, це економічно доцільно. Для більш навантажених елементів застосовується більш міцна сталь.

Вибір марки сталі для Вибір марки сталі для конструкціїконструкції

Сталь Розрахункова температура в районі будівництва і група конструкцій

до – 40 °С до – 50 °С до – 65 °С

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

С235 + +

С245 + + + +

С255 + + + + + +

С275 + + + +

С285 + + + + + +

С345 + + + + + + + + +

С345К + + +

С375 + + + + + + + + +

С390 + + + + + + + + +

С440 + + + + + + + + +

С590 + +

С590К + + + +