ГлавнаяВ последние годы на заводах нашей страны стали прокатывать облегченные двутавровые балки и швеллеры, главным отличием которых от обычных являются относительно более тонкие стенки. Из указанных прокатных профилей готовят самые разнообразные решетчатые и сплошные конструкции: колонны, балки, бункера, трубопроводы, резервуары и многие другие. Конструкции мачт и башен различного назначения большей частью изготовляют из бесшовных (катаных) труб.
В табл. I.1 указан примерный расход в процентах различной прокатной стали на некоторые виды строительных конструкций. В ряде случаев применяют квадратную (для подкрановых рельсов) и круглую (для тяжей и тяг) сталь. Начинают применяться различные гнутые профили, изготовляемые из полосовой или листовой стали.
Гнутые тонкостенные профили подразделяют на две группы: стандартные, получаемые на специальных ролико-гибочных станах металлургических заводов, и нестандартные, которые изготовляют на кромкогибочных станках заводов металлических конструкций. Из гнутых тонкостенных профилей готовят стропильные и подстропильные фермы, связи и некоторые другие конструкции.
С пуском в эксплуатацию поточной линии для изготовления сварных двутавровых балок на Днепропетровском заводе им. Бабушкина ряд конструкций (в первую очередь подкрановые балки и колонны) изготовляют с применением этих балок.
В ближайшие годы найдут применение широкополочные двутавровые балки, тавровые профили, образованные разрезкой двутавровых широкополочных балок на два тавра, тонкостенные электросварные трубы, а также разнообразные гнутые тонкостенные профили — открытые и замкнутые с электросваркой кромок в месте замыкания профиля.
На рис. I.1 показаны изделия, применяемые в данное время, а также некоторые из тех, которые найдут применение в ближайшие годы. В табл. I.2 для указанных выше изделий из прокатной стали, сварных и гнутых профилей указаны наибольшие размеры по сечению и по длине, которые определяют параметры технологического оборудования и приспособлений для их обработки.
Прокатные, гнутые и сварные изделия изготовляют из большого количества марок стали. Стали, широко применяемые в настоящее время, подразделяют на две группы: малоуглеродистые (мартеновские и конверторные) и низколегированные.
Наиболее распространенной малоуглеродистой мартеновской сталью является ВСт.3, поставляемая по ГОСТ 380—60 (со звездочкой). В зависимости от степени раскисления эта сталь может быть кипящей (ВСт.3кп), полуспокойной (ВСт.3пс) и спокойной (ВСт.3сп).
В связи со строительством ряда крупных цехов по производству конверторных сталей следует ожидать широкого применения малоуглеродистой конверторной стали ВКСт.3. При выплавке этой марки стали в конвертоpax с продувкой кислородом сверху ее конструкционные свойства не отличаются от стали мартеновского производства, а стоимость несколько ниже. Сталь ВКСт.3 поставляют по ГОСТ 9543—60 также кипящей (ВКСт.3кп), полуспокойной (ВКСт.3пс) и спокойной (ВКСт.3сп).
Низколегированные стали выплавляют согласно ГОСТ 5058—65. Из девятнадцати марок стали, включенных в данный стандарт, для изготовления строительных конструкций более широко применяют 09Г2, 10Г2С1, 14Г2, 15ГФ, 15ХСНД и 10ХСНД. Эти марки стали наилучшим образом удовлетворяют требованиям, предъявленным к материалу строительных конструкций. Они обладают значительной прочностью, пластичны, в достаточной мере хорошо обрабатываются и свариваются, устойчивы против коррозии, имеют сравнительно низкую стоимость. Все низколегированные стали выплавляют в мартеновских печах, а при разливке раскисляют (кремнием, алюминием или титаном) и «успокаивают».
В целях снижения веса конструкций путем увеличения прочности стали созданы два новых вида сталей: комплексно легированные и термически упрочненные. К комплексно легированным относится, в частности, сталь марки 15ХГ2СФМР. Эта сталь кроме обычных легирующих компонентов содержит молибден (M) и бор (P). Временное сопротивление данной стали равно 85— 100 кГ/мм2.
Термическому упрочнению успешно подвергают малоуглеродистые стали (типа Ст. 3), стандартные низколегированные стали, а также специально разработанные низколегированные стали.
Термически упрочненную малоуглеродистую сталь изготовляют согласно ГОСТ 9458—60. Эту сталь выпускают трех видов: кипящую (МСтТкп), полуспокойную (МСтТпс) и спокойную (МСтТсп). Механические свойства малоуглеродистой стали в результате термического упрочнения повышаются на 20—25%.
Опытное термическое упрочнение стандартных низколегированных сталей показывает, что при сохранении удовлетворительных пластических свойств прочность стали можно повысить на 45—50%. Так, предел текучести у горячекатаной стали 15ХСНД равен 35 кГ/мм2, а у термически упрочненной он возрастает до 50 кГ/мм2.
Наиболее эффективным является термическое упрочнение специально разработанных низколегированных сталей. Предел текучести таких сталей в результате термического упрочнения возрастает до двух раз. К представителям этой группы сталей относится сталь марки 12Г2СМФ, предел текучести которой достигает 70—80 кГ/мм2.
Необходимо отметить, что стали с комплексным легированием, стали, содержащие ванадий, а также низколегированные термически упрочненные стали в настоящее время изготовляют пока по временным техническим условиям.
В связи с появлением большого количества марок строительных сталей с различными механическими свойствами внесено предложение классифицировать их по величине предела текучести и, руководствуясь рядом предпочтительных чисел, назначить следующие классы сталей: С24, С30, С34, С40, С45, С50, 060 и 075. Здесь буква С означает — сталь, а цифра — величину гарантированного предела текучести в кГ/мм2.
В табл. 1.3 приведены химический состав и механические свойства некоторых стандартных, а также опытных марок стали, по одной-две марки в каждом классе.
Стали классов С30—С40 принято относить к группе сталей повышенной прочности, а стали классов 045—075 — высокой прочности.
При разработке технологии изготовления конструкций часто бывает необходимо знать влияние отдельных компонентов стали на ее свойства. В табл. 1.4 приведены данные о влиянии некоторых компонентов на свойства сталей.
Влияние компонентов обозначено: XX — сильно увеличивает то или иное свойство (например, углеродтвердость), Х — увеличивает; + + — сильно уменьшает; + — уменьшает; О — не оказывает заметного влияния. В этой таблице указан характер влияния только отдельных компонентов (количественная сторона будет изложена ниже, при рассмотрении отдельных технологических операций).
Необходимо учитывать, что свойства сложных низколегированных сталей не являются суммой свойств, вносимых отдельными компонентами. В ряде случаев некоторые компоненты усиливают или ослабляют действие других.
Государственными стандартами установлены для каждой марки стали наименьшие допускаемые значения ее механических характеристик (браковочный минимум). Наибольшие значения этих характеристик стандарты не ограничивают. Рядом исследований установлено, что фактические механические свойства сталей часто значительно выше наименьших, установленных стандартами.
На рис. I.2 показаны частотные кривые распределения временного сопротивления и предела текучести для некоторых марок стали, полученные путем статистической обработки большого количества результатов испытаний на металлургических заводах (по данным сертификатов). На кривых вертикальными черточками показаны минимальные значения характеристик по стандартам.
Статистические исследования показывают, что в 95% случаев фактические механические свойства сталей выше наименьших, установленных стандартами. Если к средним статистическим значениям механических характеристик стали прибавить по три средних квадратичных отклонения (по три стандарта), то можно получить устойчивые вероятные максимальные значения этих характеристик, которые и следует принимать при технологических расчетах. В дальнейшем эти значения характеристик называются технологическими.
На рис. I.3 изображены графики технологических значений временного сопротивления, предела текучести и твердости для различных классов стали. Для применяемых классов стали эти характеристики получены статистическим методом, а для перспективных (классы С60 и С75) — методом экстраполяции.
Для расчета ряда технологических операций важными являются не только значения предела текучести и временного сопротивления стали, но и характер диаграммы растяжения на всем ее протяжении. На рис. I.4 показаны эти диаграммы для ряда сталей.
Диаграммы малоуглеродистой стали (ВСт.Зкп) и некоторых низколегированных (например, 10Г2С1) имеют ярко выраженную площадку текучести, в то время как у большинства сталей повышенной и высокой прочности текучесть не проявляется.
При загружении выше предела упругости (σу) стали деформируются как упруго-пластический материал. При снятии нагрузки деформации образца уменьшаются, но полностью не исчезают. Оставшаяся деформация носит название остаточной или пластической.
Способность пластически деформированной стали частично восстанавливать первоначальную форму называется пружинением.
Необходимо помнить, что деформация стали при разгрузке следует линейному закону (закону Гука) при модуле упругости, равном модулю упругости при загружении до предела пропорциональности (σпц). На графике линия разгрузки есть прямая, наклоненная к оси абсцисс под углом φ, тангенс которого равен модулю упругости (E).
Определение основных механических характеристик стали (σв; σт; δ) производят при температуре 20°. Обработку стали часто ведут и при иных температурах.
С изменением температуры стали изменяются и ее механические свойства. На рис. I.5 для малоуглеродиcтой стали ВСт.3кп даны графики, показывающие изменение механических характеристик в диапазоне температур от -60 до 700°.
Согласно графикам можно сделать следующие выводы об изменении механических свойств этой стали в зависимости от температуры. При повышении температуры испытаний временное сопротивление σв и предел текучести σт сперва несколько уменьшаются, а затем снова увеличиваются и достигают максимума при температуре 200°. При дальнейшем повышении температуры временное сопротивление и предел текучести быстро падают и практически их значения в зоне температуры 700° равны нулю. Относительное удлинение δ сперва уменьшается (до 200°), а затем сравнительно быстро растет.
Модуль упругости E с (повышением температуры медленно снижается. Пр и понижении температуры (до -60°) значение всех рассматриваемых характеристик несколько увеличивается.
По низколегированным и термически упрочненным строительным сталям ввиду отсутствия данных подобные графики построить пока нельзя, но имеющиеся отдельные результаты испытаний дают основания сделать вывод, что и у этих сталей механические свойства при изменении температуры изменяются аналогично стали ВСт.3кп.
Строительные малоуглеродистые и низколегированные стали принадлежат к группе доэвтектоидных сталей ферритного класса. Под микроскопом на поверхности шлифа видны в виде светлых участков зерна феррита, между которыми располагаются прослойки и вкрапления перлита (темные участки).
На рис. 1.6, а и б показаны соответственно микроструктуры малоуглеродистой стали ВСт.3кп и низколегированной стали 15ХСНД. В результате термического упрочнения структура стали значительно видоизменяется. На рис. 1.6, в изображена микроструктура термически упрочненной стали 15ГСМФР. Эту структуру называют сорбитом закалки.
Под воздействием технологических операций структура стали и ее механические свойства могут значительно изменяться. При разработке технологического процесса необходимо это учитывать и принимать меры для того, чтобы вынужденное изменение структуры и механических свойств металла не вызывало ухудшение эксплуатационных качеств конструкций.