Строительные стали

Введение
Строительство является одной из самых металлоёмких отраслей народного хозяйства. Значительная часть выплавляемой стали расходуется на изготовление строительных металлоконструкций.Актуальность вопроса изучения строительных сталей обусловлена широким распространением данного материала в сфере строительства для изготовления сварных металлоконструкций и арматуры.Целью данной работы являлось изучение конструкционных строительных сталей.Для достижения поставленных целей необходимо решение ряда задач:- изучить условия работы строительных сталей и предъявляемые к ним требования;- установить характерные для строительных сталей свойства;- определить виды и режимы термической обработки сталей;- изучить область применения сталей;- установить достоинства и недостатки строительных сталей.1 Условия работы строительных сталей, предъявляемые требованияСтроительные стали (СТС) применяются при создании различного вида конструкций, используемых в строительных сооружениях, магистральных трубопроводах, подъемных кранах, мостах, вагонах, резервуарах.При изготовлении строительных металлоконструкций сталь подвергается различным технологическим операциям: сварке, резке огневым и механическим способами, механической обработке, правке, гибке, вальцовке. При этом она не должна разрушаться, сохраняя, по возможности, стабильность микроструктуры и механических свойств. Большинство сварных конструкций характеризуется значительным количеством концентраторов напряжений, при этом сталь в течение эксплуатации длительное время должна выдерживать статические, динамические, переменные нагрузки, часто при низких температурах и в агрессивных средах. Поэтому существуют определённые требования к свойствам конструкционного материала: прочности, сопротивлению хрупкому разрушению, свариваемости и др. Эти требования представлены в нормативно-технической документации: государственных стандартах на стали и изделия из них (ГОСТ), строительных нормах и правилах (СНиП), технических условиях (ТУ)Учитывая условия эксплуатации, материалы должны выдерживать:- статические и динамические нагрузки при различных температурах,- сопротивляться образованию трещин,- сохранять структуру и механические свойства,- иметь достаточные прочностные свойства,- обладать хорошей свариваемостью,- иметь сопротивление хрупккому разрушению.При строительно-монтажных работах с железобетоном часто применяют арматурные стальные стержни: они повышают прочность на разрыв и жёсткость бетона, составляя до 40…45 % от всего объёма, используемого в зданиях. Строительная арматура исполняет роль армирующего каркаса, увеличивающего прочность и долговечность бетонных строений. Применение стальной арматуры обусловлено следующими её свойствами: - хорошим сцеплением с бетоном; - схожестью значений коэффициентов теплового расширения; экономичностью, - отсутствие в химическом составе дефицитных компонентов.От строительной арматуры требуется высокая прочность на растяжение и на срез, кроме того, она не должна подвергаться закалке и хорошо свариваться всеми видами сварки. Это достигается за счет невысокого содержания углерода при достаточной степени очистки от вредных неметаллических примесей.Таким образом, строительные металлические конструкции работают в самых разнообразных условиях сложнонапряженного состояния, знакопеременных нагрузок, при низких температурах, в активных в отношении коррозии средах. Поэтому основным требованием, предъявляемым к строительным сталям, является требование высокой конструктивной прочности.2 Классификация строительных сталейПо химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали состоят из железа и углерода, а также полезных и вредных примесей. Углерод, повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому для строительных металлических конструкций применяют только малоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,22 %.В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят легирующие элементы, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стали, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяют низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5 %.В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и термообработанные (нормализованные или термически улучшенные).По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными, спокойными.Для строительных металлических конструкций уровень прочностных свойств является наиболее важной характеристикой, поскольку размеры поперечных сечений многих элементов металлоконструкций, а, следовательно, и их масса, определяются расчётом, непосредственно учитывающим прочностные свойства материала:- предел текучести σт;- временное сопротивление разрыву при растяжении (предел прочности при растяжении) σв. В связи с этим горячекатаный фасонный прокат (уголки, двутавры, швеллеры), листовой, широкополосный универсальный прокат и гнутые профили из углеродистых и низколегированных сталей, предназначенные для сварных строительных конструкций, подразделяют на условные классы вне зависимости от химического состава и марки стали, принимая во внимание только их механические свойства при растяжении. По прочностным свойствам стали условно делят на три группы: - обычной прочности (σт < 29 кН/см2); - повышенной прочности (29 кН/см2 ≤ σт < 40 кН/см2); - высокой прочности (σт ≥ 40 кН/см2). Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой.Стали обычной прочности. К этой группе относят низкоуглеродистые стали (С235...С285) различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии. Обладая относительно небольшой прочностью, эти стали очень пластичны. Хорошая свариваемость обеспечивается низким содержанием углерода (не более 0,22 %) и кремния. Коррозионная стойкость - средняя, поэтому конструкции, выполненные из сталей обычной прочности, следует защищать с помощью лакокрасочных и других покрытий. Однако благодаря невысокой стоимости и хорошим технологическим свойствам стали обычной прочности очень широко применяют для строительных металлических конструкций. Недостаток – склонность к хрупкому разрушению при низких температурах, поэтому их применение в конструкциях для эксплуатации при отрицательных температурах ограничено.Стали повышенной прочности (С345...С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих добавок (в основном марганца и кремния, реже никеля и хрома), либо термическим упрочнением низкоуглеродистой стали (С345Т). Пластичность стали при этом несколько снижается. Стали повышенной прочности хуже свариваются и требуют иногда использования специальных технологических мероприятий для предотвращения образования горячих трещин. По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы близки к малоуглеродистым сталям. Более высокой коррозионной стойкостью обладают стали с повышенным содержанием меди (С345Д, С375Д, С390Д). Высокое значение ударной вязкости сохраняется при температуре -40°С и ниже, что позволяет использовать эти стали для конструкций, эксплуатируемых в северных районах. Стали высокой прочности (С440...С590) получают легированием и термической обработкой. Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла до 25...30 % по сравнению с конструкциями из низкоуглеродистых сталей и особенно целесообразно в большепролетных и мощных 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, сталь С345К). Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшается. По назначению строительные стали подразделяются на 2 группы:- стали для сварных металлоконструкций;- стали для изготовления арматуры.3 Химический состав и марки строительных сталей3.1 Стали для сварных металлоконструкцийОсновным стандартом, регламентирующим характеристики сталей для строительных металлических конструкций, является ГОСТ 27772–2015 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия».  Согласно ГОСТ 27772–2015 фасонный прокат изготовляют из сталей С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, листовой и универсальный прокат и гнутые профили – из сталей С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, С390, С390К, С440, С590, С590К. В табл. 1 представлены наименования и марки строительной стали, в табл. 2 – химический состав сталей.Таблица 1 – Наименование и марки строительных сталейНаименование сталиМарки по действующим стандартам  Марка сталиОбозначение стандартаС235Ст3кп2ГОСТ 380, ГОСТ 535С245Ст3пс5Ст3сп5С255Ст3Гпс, Ст3ГспГОСТ 380С275Ст3псС285Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3ГспС34512Г2С-09Г2СГОСТ 19281С345Д12Г2СД-09Г2СДС345К10ХНДПГОСТ 19281С37512Г2С-С375Д12Г2СДС39014Г2АФГОСТ 19281С390Д14Г2АФДС390К15Г2АФДпсС44016Г2АФС440Д16Г2АФДС59012Г2СМФ-С590К12ГН2МФАЮТаблица 2 – Химический состав строительных сталейМассовая доля элементов, %Наименование сталиугле-рода, не болеемарганцакремниясеры, не болеефос-форахроманикелямедиванадиядругихэлементовС2350,22Не более 0,60Не более 0,050,050Не более 0,040Не более 0,30Не более 0,30Не более 0,30  --С245Не более 0,650,05-0,15С275С345Т*С375Т*С2550,15-0,30С285С345Т*0,8-1,100,05-0,15С375Т*0,200,15-0,30С3450,15 1,30-1,70Не более 0,80 0,040    Не более 0,035С375С390Т**С345К0,120,30-0,600,17-0,370,070- 0,1200,50- 0,800,30-0,600,30- 0,50Al0,08-0,15С3900,181,20-1,60 Не более 0,60Не более 0,035        Не более 0,40Не более 0,30Не более 0,300,07- 0,12N 0,015-0,025С390КНе более 0,17Не более 0,30Не более 0,20- 0,400,08- 0,15С4400,201,30-1,70 Не более 0,60Не более 0,40Не более 0,30    0,08- 0,14С5900,150,40-0,700,035    Не более 0,300,07- 0,15Мо 0,15-0,25С590К    0,14    0,90-1,40    0,20-0,50    0,20-0,50    1,40-1,75    0,05-0,10    Мо 0,15-0,25N0,02-0,03Аl0,05-0,1Буква С в наименовании означает сталь строительную, цифры условно обозначают предел текучести проката в Н/мм2, буква К – вариант химического состава, буква Д – повышенное содержание меди.3.2 Стали для арматурыСтали для изготовления арматуры содержат повышенное количество углерода (до 0,35 %), что обусловлено необходимостью обеспечения повышенной прочности. Арматурные стали применяются как углеродистые, так и низколегированные. В качестве легирующих элементов применяют марганец, хром и др.Различают ряд классов арматурных сталей, в зависимости от их механических свойств: А-I (А240), А-II (А300), А-III (А400); А-IV (А600), А-V (А800), А-VI (А1000). Чем выше класс, тем выше прочность арматурной стали, что определяется содержанием углерода, степенью очистки стали, и наличием легирующих добавок. Арматуру изготавливают методом горячего проката, как круглого, так и периодического (рифленого) профиля. Круглая арматура обладает большей прочностью, рифленая арматура отличается лучшим сцеплением с бетоном. Круглую арматуру чаще применяют для конструкций, работающих на растяжение и на срез, кроме того, круглая арматура применяется в случае использования тонкой арматуры в крупном изделии, тогда за счет большой площади поверхности всего набора арматурной проволоки в одной плите, достигается высокая прочность конструкции в целом. Арматуру диаметром более 32 мм крайне редко выпускают круглой. В таблицах 3 и 4 представлены классы и марки сталей, используемые для изготовления арматуры.Для производства арматуры класса А-V (А800) допускается использовать стали марок 22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2П и 20Х2Г2СР. Диаметры арматуры, указанные в скобках, могут производиться по согласованию с потребителем. На практике нет четких требований по диаметру арматуры, например, вместо 6 мм арматуры можно использовать 8 мм, но, подобные отклонения допускаются лишь для изделий большого размера.Таблица 3 – Классы и марки арматурных сталейТаблица 4 – Химический состав арматурных сталейАрматурные стали с добавками алюминия и хрома обладают значительной стойкостью к коррозии, и могут быть использованы для производства арматуры, эксплуатация которой предусматривает высокую влажность (плотины, мосты, опоры пристаней, гидротехнические сооружения и пр.). 3 Термическая обработка строительных сталейСущественного повышения конструктивной прочности можно достигнуть путем термической обработки прокатных изделий из обычных низкоуглеродистых и тем более низколегированных строительных сталей.Закалка и отпускВ процессе закалки в стали формируется мартенситная структура. Характер структуры мартенсита во многом определяет его механические свойства, в частности твердость и вязкость.Рассмотрим последовательно основные технологические операции, выполняемые при термическом упрочнении прокатных изделий.1. Нагрев под закалку. Наиболее рационально и экономично использование для термического упрочнения тепла, остающегося в изделиях после нагрева под прокатку. В тех случаях, когда повторный нагрев неизбежен (электросварные или холодногнутые изделия), его следует проводить ускоренно, что обеспечит минимальный рост зерна аустенита.Вторичный нагрев проката до температуры закалки (около 950°С) вызывает потери металла в окалину. В результате образования окалины на поверхности изделия ухудшаются условия охлаждения стали.2. Охлаждение. Применение ускоренного охлаждения проката при упрочнении его с прокатного нагрева непосредственно после выхода из последней клети позволит почти полностью ликвидировать эти потери металла. В тех случаях, когда повторный нагрев неизбежен, применение скоростного нагрева может несколько уменьшить потери металла в окалину.3. Отпуск. Процессы при отпуске протекают с большой скоростью. Поэтому основное время при отпуске затрачивается на нагрев изделий до заданной температуры; в связи с этим необходимо обеспечить быстрый нагрев при отпуске. Для изделий, в которых быстрое охлаждение не вызовет опасных остаточных напряжений, рекомендуют ускоренное охлаждение после отпуска (водой); это предотвращает возникновение отпускной хрупкости.При проектировании агрегатов для термического упрочнения проката предусматривают печи для отпуска на случай, если после закалки с самоотпуском для некоторых сталей потребуется дополнительный отпуск.Контролируемая прокаткаИспользуется также вид обработки низколегированных сталей – контролируемая прокатка. Особенно большое значение этот вид приобрел в связи с применением малоперлитных (09Г2ФБ и др.) и Mn–Mo–Nb сталей, обладающих повышенной прочностью и достаточными пластичностью и вязкостью.Контролируемая прокатка предусматривает в одном технологическом процессе строгую регламентацию режима деформации (степени деформации, температуры начала и особенно конца деформации) и условий охлаждения. В результате такой обработки повышаются прочностные и улучшаются вязкие свойства (ударная вязкость, порог хладноломкости).Широко распространены три основные группы низколегированных сталей: марганцовистые стали с карбонитридным упрочнением (до 0,2 %С, до 1,5 % Мn и микродобавками до 0,1 % V и Nb вместе или раздельно); малоперлитные стали (до 0,1 % С и до 2,0 % Мn с добавками ванадия и ниобия); марганцевомолибденовые стали (до 0,08 % С, до 2,0 % Мn; до 0,1 % Nb; до 0,5 % Мо). Контролируемая прокатка является одним из немногих мероприятий, оказывающих положительное влияние на их прочностные, пластические и вязкие свойства одновременно.Контролируемую прокатку низколегированной стали используют для получения лучшего сочетания прочностных и вязких свойств в горячекатаном состоянии. Это достигается измельчением зерна и дисперсионным упрочнением.Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)Арматурная сталь в виде стержней гладких и периодического профиля, применяется для армирования железобетонных конструкций. Последние бывают ненапряженными и предварительно напряженными. Арматурные стержни в предварительно напряженной железобетонной конструкции работают на растяжение и испытывают большие нагрузки.Стали классов А–I, А–II (ВСт5сп2, ВСт5пс2, 18Г2С, 10ГТ и др.) и А–III (35ГС, 25Г2С, 32Г2С и др.) используют для ненапряженных конструкций, а более высокопрочные стали классов А–IV (20ХГ2С и 80С) и выше применяют для армирования предварительно напряженного железобетона. Горячекатаные стали удовлетворяют требованиям классов от А–I до А–V (23Х2ГТ). По мере увеличения классов прочности возрастает степень легирования сталей: А–VI (22Х2Г2АЮ, 22Х2ГСР, 20Х2Г2СР).В процессе производства сталей широко применяется термическое упрочнение стержневой арматуры (ВТМО), которое проводят на выходе стержней из прокатной клети. На специальных устройствах осуществляется первоначальное охлаждение, обеспечивающее самоотпуск стали. В результате термоупрочнения получается мелкозернистая структура с дисперсной ферритокарбидной смесью, что обеспечивает требуемую прочность в сочетании с высокими характеристиками пластичности. Высокопрочная арматурная сталь может подвергаться коррозионному растрескиванию под напряжением. Для повышения сопротивления этому явлению применяют индукционный нагрев для получения высокоотпущенного состояния в поверхностных слоях арматурных стержней, а также используют стали с высокой устойчивостью против коррозионного растрескивания в высокопрочном состоянии.4 Достоинства и недостатки сталейОсновными достоинствами строительных сталей являются:- возможность обеспечивать достаточный уровень прочностных свойств в результате легирования и применения упрочняющей термической обработки, в результате чего металлические конструкции обладают высокой несущей способностью, т.е. возможностью воспринимать значительные нагрузки при относительно небольших сечениях вследствие значительной прочности металла;- сопротивление хрупкому разрушению;- хорошая обрабатываемость давлением, что обуславливает изготовление деталей и конструкций прокаткой (холодной или горячей);- хорошая свариваемость ха счет пониженного содержания углерода, а также небольшого количества легирующих элементов;- хорошая обрабатываемость резанием;- невысокая стоимость, особенно углеродистых сталей; низколегированные стали содержат небольшое количество легирующих элементов.К недостаткам строительных сталей относятся:- невысокая коррозионная стойкость, что требует применения специальных защитных средств, предохраняющих их от коррозии, например, покрытий или дополнительно легирования;- стали характеризуются повышенной плотностью, вследствие чего стальные конструкции имеют большой вес.
Заключение.
В данной работе изучены строительные стали.Строительные стали предназначены для строительных конструкций (мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, арматуры и т. д.), которые обычно изготовляют сварными, поэтому свариваемость – основное технологическое свойство таких сталей. Это означает, что сталь при сварке не должна давать горячих и холодных трещин и свойства сварного соединения (металла шва и зоны термического влияния) не должны существенно отличаться от свойств основного металла. Основным механическим свойством сталей является конструкционная прочность.Строительные стали содержат относительно малые количества углерода 0,10 -0,25 %. По сравнению с углеродистыми сталями более высокая прочность строительных низколегированных сталей достигается упрочнением за счет легирования сравнительно небольшими количествами легирующими элементами, а также в результате термической обработки. Поступают чаще всего строительные стали в виде нормализованного проката либо после закалки и высокого отпуска, также применяется ВТМО.
Список использованных источников:
1.ГОСТ 27772–2015 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия».2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с. 2.Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.3.Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр./ А.С. Зубченко, Н.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003. – 784 с.4.Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. – М.: Машиностроение, 1981. – 391 с. 5.Дворкин, Л.И. Строительное материаловедение / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2013. - 832 c.6.Материаловедение: учеб. пособие / под общ. ред. Л.Г. Петровой, Г.В. Гладовой, О.В. Чудиной. – М.: МАДИ (ГТУ), 2008. – 288 с.7.Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 646 с.8.Солнцев, Ю.П. Материаловедение: Учебник / Ю.П. Солнцев, С.А. Вологжанина, А.Ф. Иголкин. - М.: Academia, 2016. - 288 c.9.Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.