Необходимо также отметить, что применение вместо обычной закалки высокотемпературной термомеханнческой обработки (ВТМО) позволяет подавить склонность как к необратимой, так и к обратимой отпускной хрупкости (см. рис. 65). Причина такого влияния ВТМО состоит в том, что при такой обработке увеличивается протяженность границ благодаря образованию зубчатых большеугловых границ и развитой структуры, вследствие чего уменьшается сегрегация примесей и возрастает прочность межзеренного сцепления.

Часть четвертая

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

К строительным относятся конструкционные стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, а также для арматуры железобетона.

Капитальное строительство является вторым по масштабам после машиностроения потребителем стали. Строительные стали применяют для изготовления металлоконструкций зданий, сооружений, мостов, кранов, вагонов, машин, эстакад, бункеров, резервуаров и т. п. Эти стали должны иметь определенное сочетание прочностных и пластических свойств, высокую вязкость, коррозионную стойкость, малую склонность к хрупким разрушениям, а также обладать хорошими технологическими свойствами: свариваемостью, обрабатываемостью резанием, способностью к гибке, правке и т. д.

Строительные стали для металлических конструкций подразделяют по категориям прочности на семь классов. Каждый класс прочности характеризуется минимально гарантированными значениями временного сопротивления разрыву (числитель) и предела текучести (знаменатель): к классу прочности С380/230 относятся стали нормальной прочности, к классам С 460/330 и С 520/400 принято относить строительные стали повышенной прочности, а к классам С 600/450, С 700/600 и С 850/750 - стали высокой прочности. Арматурные строительные стали в зависимости от механических свойств делят на классы от A-I до A-VH.

Временное сопротивление при растяжении и предел текучести являются основными расчетными характеристиками при проектировании металлоконструкций и сооружений.

От их значений зависит сечение элементов конструкций, а следовательно, их масса. Насколько значительна экономия металла от повышения прочности строительной стали, хорошо видно на примере замены углеродистой стали в строительных металлических конструкциях на низколегированные стали более высокой прочности (рис. 66).

Не менее важным критерием, определяющим эксплуатационную надежность строительных конструкций, является их склонность к хрупким разрушениям, наиболее часто характеризуемая температурой перехода из вязкого в хрупкое состояние (порогом хладноломкости). Этот критерий определяет не только надежность конструкции при эксплуатации в условиях отрицательных климатических температур, но он также показывает запас вязкости конструкции, работающей при комнатной и близкой к ней температурам. По хл а до-стойкости строительные стали делят на стали без гарантированной хладостойкости, стали хладостойкие до -40°С истали для металлоконструкций, эксплуатируемых ниже

-40 °С (стали северного исполнения ).

Свариваемость - одно из главных технологических требований, предъявляемых к строительным сталям, так как большинство металлоконструкций являются сварными. Одним из важнейших технологических показателей свариваемости является углеродный эквивалент

Qkb = с + Мп/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14,

(24)

где содержание соответствующих элементов выражено в % (по массе).

Углеродный эквивалент строительных сталей обычно не должен превышать 0,45-0,48 %. Поэтому предельное содержание углерода в низколегированных строительных

sffo тао бг,мпа

Рнс. 66. Теоретическое сннже-ние массы стальных металлоконструкций из-за повышения предела текучести стали (Н. П. Мельников):

1 - пролетные строения; 2 - растянутые элементы конструкций; 3 - поперечники промышленных зданий

сталях обычно не превышает 0,18 % и устанавливается тем ниже, чем более легирована сталь.

Из-за больших объемов потребления строительная сталь должна быть дешевой и не содержать в своем составе дорогих и дефицитных элементов.

Глава X

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

В строительстве широко применяют углеродистые стали обыкновенного качества, как наиболе дешевые, технологичные и обладающие необходимым комплексом свойств при изготовлении многих металлоконструкций массового назначения.

Углеродистые стали обыкновенного качества производят в больших масштабах. Кроме строительства, их используют в машиностроении и других отраслях народного хозяйства. В основном эти стали используют в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки. Как правило, они имеют феррито-перлитную структуру. В ряде случаев прокат подвергают термическому упрочнению.

1. Горячекатаные стали

Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) в зависимости от назначения и гарантируемых при поставке свойств подразделяют на три группы: А, Б и В.

Стали группы А поставляют с регламентированными механическими свойствами. Химический состав их не нормируется. Поэтому стали этой группы наиболее часто применяют в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке - ковке, штамповке, термической обработке, следовательно, механические свойства горячекатаной стали сохраняются.

Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Поэтому их применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от состава стали, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.

Стали группы В поставляют с регламентированными механическими свойствами и химическим составом. Как правило, такие стали применяют для изготовления сварных металлоконструкций, так как свариваемость стали определяется составом стали, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали rpynni В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных изделий.

Углеродистые стали обыкновенного качества бывают спокойными (сп), п о л у с п о к о й н ы м и (пс) и кипящими (кп). в их составе разное содержание кремния, %: спокойные - 0,12-0,30, полуспокойные - 0,05-0,17; кипящие 0,07.

Каждая марка стали может иметь различную категорию в зависимости от количества нормируемых показателей химического состава и механических свойств.

Обозначаются углеродистые стали обыкновенного качества буквами Ст , за которыми следует цифра, указывающая порядковый номер марки стали, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера от Ст 1 до Ст 6 содержание углерода в стали увеличивается. Группы Б и В указывают впереди марки. Группа А в обозначении марки не указывается. Для обозначения степени раскисления после номера марки добавляют один из индексов сп, пс, кп, а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Полуспокойиые стали могут иметь повышенное содержание марганца (до 1,2%). В этом случае после номера стали ставится буква Г .

Так, ВСтЗспб означает, что сталь СтЗ спокойная, группы В, категории 5 (нормируемыми для этой категории показателями являются: химический состав, временное сопротивление при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном состоянии, ударная вязкость при -20 °С и после механического деформационного старения).

Ст2кп означает, что сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1 (нормируемые показатели: временное сопротивление при растяжении и относительное удлинение).

БСт5Гпс2 означает, что сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2 (нормируется содержание С, Мп, Si, Р, S, As, N, Сг, №, Си).

Данные табл. 6 иллюстрируют состав и механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества.

Из перечисленных марок сталей наибольшее применение в строительстве для изготовления сварных металлоконструкций находит сталь СтЗ. По сравнению с ней стали марок от Ст4 до Стб значительно хуже свариваются, а стали СтО до Ст2 - менее прочные. В качестве арматурной

В этой таблице, а также в последующих полный марочный химический состав стали не приводится, а указывается лишь содержание основных элементов.

Таблица 6. Гарантируемые показатели для углеродистых спокойных и полуспокойных сталей обыкиовеииого качества (образцы толщиной до 20 мм)

Примечание. Гарантируемые показатели группы В включают требования к группам А н 5, кроме того, для сталей ВСтЗсп и ВСтЗпс категорий 3-5 установлены дополнительные требования по ударной вязкости (KCU) при +20 °С, хладостойкость при -20 °С и после механического старения.

стали из числа углеродистых наибольшее применение находит Стб (класс А-П).

Степень раскисления стали мало влияет на прочность и пластичность стали. Показатели Ов и От у спокойных и полуспокойных сталей лишь на 10-20 МПа выше, чем у кипящих. Однако по ударной вязкости и прежде всего по хладноломкости кипящие стали существенно отличаются от спокойных.

На рис. 67 приведены данные о хладноломкости спокойной (сп) и кипящей (кп) стали типа СтЗ. Порог хладноломкости кипящей стали на 30-40 °С выше, чем у спокойной. Это проявляется при определении порога хладноломкости по всем показателям: ударной вязкости, % волокна в изломе, работе развития и зарождения трещины. Полуспокойная сталь по хладноломкости занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью, в прокате же небольших сечений (до 10-15 мм) полуспокойная сталь по хладноломкости приближается к спокойной. Хладноломкость кипящей стали обусловлена наличием в твердом растворе азота, не связанного в нитриды, и высоким содержанием вредных примесей (Р, S, О, N). Необходимо также отметить, что кипящая сталь наиболее склонна к деформационному старению (см. гл. XIII).

Несмотря на то что кипящая сталь наиболее дешевая, применение ее для конструкций и сооружений, эксплуати-

руемых при низких климатических температурах, а также для сварных конструкций, находящихся под воздействием динамических и вибрационных нагрузок (ответственные сооружения), недопустимо. Для строительства наиболее ответственных сооружений следует применять только спокойную сталь.

Однако углеродистые стали обыкновенного качества зачастую не обеспечивают требуемых свойств по хладостойкости при эксплуатации сварных металлоконструкций в

-so-w-го о 20 W 60

60 40 20 о 20 40 60 80

Температура испытания, °С

Рис. 67. Зависимость ударной вязкости KCU (а), % волокна в в изломе (б), работы зарождения (в) н развития трещины йр (г) от температуры испытания Для спокойной (сп) н кипящей (кп) стали СтЗ (М. И. Георгиев)

условиях Сибири и Крайнего Севера, т. е. в районах с низкими климатическими температурами. Другим существенным недостатком строительных углеродистых сталей является их малая прочность, что приводит к большому расходу металла и увеличению массы металлоконструкций. Поэтому повышение прочности строительных сталей и увеличение их хладостойкости являются важными народно-хозяйственными проблемами. Решается эта задача путем термического упрочнения углеродистых сталей и применения низколегированных сталей.

2. Термоупрочненные стали

Термоупрочнение является эффективным методом повышения прочности углеродистых сталей. Теоретические основы, технология и оборудование этого метода упрочнения ста-