Файл: Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование).pdf

Пока еще имеет место бессемеровский процесс выплавки стали, вследствие наличия в СССР исходного сырья с пониженным со­ держанием фосфора, что является необходимым для получения качественной стали. При продувке воздухом расплавленный ме­ талл насыщается азотом, а количество серы и фосфора в процессе плавки сохраняется почти без изменений. По этой причине бессе­ меровская сталь получается хуже мартеновской. При понижен­ ных температурах она склонна к хрупкому разрушению, более чувствительна к старению. Однако прочность бессемеровской стали на растяжение обычно выше мартеновской. Содержание углерода в бессемеровской стали по сравнению с мартеновской понижено, а содержание фосфора, серы, азота и кислорода по­ вышено.

За последние годы в нашей стране широко применяется кон­ верторный процесс, дающий возможность получить высококаче­ ственную сталь, не уступающую по качеству мартеновской. Емкость конверторов увеличилась до 100—250 г. Предполагается дальнейшее увеличение конверторов до 400 т.

Томасовский процесс для выплавки строительной стали в СССР

не применяется, а бессемеровский резко сокращается.

Весьма важным является раскисление металла, существенно влияющее на качество выплавляемой стали. Раскисление про­ изводится добавкой ферросилиция, а также ферромарганца, ти­ тана или алюминия. Добавка алюминия является наиболее эф­ фективным способом раскисления.

Углеродистые стали обыкновенного качества по степени рас­ кисления разделяются на три вида: спокойная, полуспокойная и кипящая (в зависимости от интенсивности выделения газов при кристаллизации и тенденции к росту или усадке головной части слитка).

Лучшей является спокойная, худшей кипящая сталь. Спокой­ ная сталь (наиболее раскисленная) отличается от кипящей бо­ лее мелкозернистой структурой, большей структурной и химиче­ ской однородностью. При добавлении в сталь раскислителей остывание стали в изложницах происходит спокойно (отсюда и и название «спокойная сталь»), без бурного выделения газов («кипения»), что уменьшает возможность образования в стали газовых пузырей, около которых возможно концентрирование неметаллических включений (например, сернистых соединений), приводящих к расслоению стали при прокатке. Спокойные стали обладают лучшими физико-механическими свойствами, в част­ ности, более низким порогом хладноломкости. Однако стоимость их на 10—12% выше кипящих, а выход годного проката на 10% ниже.

Кипящие стали, являющиеся более загрязненным металлом, склонны к трещиноватости после сварки, старению и их при­ менение в ответственных конструкциях, работающих на дина­ мические нагрузки и при низких температурах, нежелательно.

7

Полуспокойные стали ие полностью раскислены и по качеству занимают среднее положение между спокойными и кипящими.

По количеству кремния в стали можно судить о степени ее раскисления. Так, в спокойной стали содержание кремния состав­ ляет 0,12—0,30%, в полуспокойной — 0,05—0,17 и в кипящей — не более 0,05%.

Низколегированные стали в основном выпускаются спокой­ ными.

Важным является вопрос увеличения прочности и качества строительных сталей. Прочность углеродистых сталей в основном зависит от содержания в них углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее, однако при этом она теряет свои пластические свойства, хуже сваривается.

Поскольку свариваемость и есть одно из основных условий для строительных сталей, то увеличение прочности углеродистых сталей за счет повышения содержания углерода является непри­ емлемым. В связи с этим в настоящее время можно рассматри­ вать два основных способа увеличения прочности строительных сталей: путем легирования различными элементами и путем термической обработки металла (или путем совмещения этих способов). При этом наиболее эффективна термическая обра­ ботка специально легированных сталей, позволяющая получать металл высокой прочности. Отечественная металлургическая промышленность выпускает значительное количество низколеги­ рованных сталей повышенной прочности различных марок, клас­ сов и химического состава (марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремнемарганцевые, ванадиевые и др.). Изготовление сложнолегированных термически упрочненных сталей высокой прочности в настоящее время также осваивается металлургиче­ скими заводами.

Проведенные отечественные и зарубежные исследования по­ казывают, что теоретически можно создать стали весьма высо­ кой прочности с пределом прочности 300—400 кг/мм2. В настоя­ щее время уже выпускаются сверхпрочные стали, обладающие пределом текучести 130—180 кг/мм2. При этом повышение проч­ ности сталей может осуществляться, помимо обычной термиче­ ской обработки, также и термомеханической обработкой с использованием деформации взрывом. -

Повысить качество сталей можно не только путем легирова­ ния и термической обработкой. Весьма важным является выплав­ ка металла, обладающего наименьшим количеством неметалли­ ческих включений, .в состав которых чаще всего входит сера и кислород. На сегодня существуют способы металлургической обработки стали, позволяющие значительно снизить загрязнение металла неметаллическими включениями и уменьшить содержа­ ние кислорода и серы. Это прежде всего рафинирование стали жидкими синтетическими шлаками, которые почти вдвое сокра­ щают содержание серы в металле, а также неметаллических

8

5и 6.

Всоответствии с указанными группами, углеродистые стали обыкновенного качества выпускаются следующих марок: в груп­

пе А — СтО, Сті, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5 и Стё; в группе Б — БСтО, БСтІ, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5 и БСтб; в группе В — ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСтБ.

По степени раскисления стали всех трех групп с номерами ка­ тегорий 1—4 поставляются спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп); категорий 5 и 6 — только полуспокойными и спокойными. Разделение сталей на категории дает возможность точно регламентировать нормируемые показатели в зависимости от требований, предъявляемых к сталям. Для каждой группы стали перечень нормируемых показателей различен. Для груп­ пы В они представлены к>табл. I. 2. Как правило, сталь группы В категорий'3—б поставляется полуспокрйной и спокойной.

Т а б л и ц а 1.2

П р и м е ч а н и е . Знак (+ ) обозначает, что показатель нормируется; {—) — не нормируется.

Номер категории стали ставится в конце марки. Например, полное обозначение марки по группе А будет СтЗпс2, по группе

Б— БСтЗкп2 и по группе В — ВСтЗспБ, ]ВСт5сп2 и т. д.

Для металлических конструкций, как правило, используются

стали группы В. При этом основной сталью, применяемой для строительных металлических конструкций, является сталь ВСтЗ (класс С38/23*), обладающая, сравнительно высокой прочностью, значительным относительным удлинением и хорошей сваривае­ мостью. Сталь ВСт2 менее прочна, чем ВСтЗ, более мягка и пла­ стична, применяется редко и в основном для листовых конструк­ ций, а также при наличии гибочных работ.

* Здесь и далее, в основном, классы сталей даются в соответствии со СНиП П-В. 3—72.

10

i

Сталь ВСт5 более прочна, чем сталь ВСтЗ, однако сваривается неудовлетворительно, малопластична и склонна к хрупкому раз­ рушению при пониженных температурах. Применяется ВСт5 только для клепаных конструкций. Сталь ВСт4, как и ВСт5, для строительных металлических конструкций применяется редко.

В основном для большинства сварных строительных металли­ ческих конструкций следует рекомендовать к применению сталь ВСтЗ категории 5.

Возможна также поставка полуспокойных сталей ВСтЗ и ВСт5 с повышенным содержанием марганца, что несколько повышает предел прочности стали. В этом случае сталь обозначается ВСтЗГпс и ВСтбГпс. Полуспокойная сталь ВСтЗГпс может быть рекомендована к применению в ответственных сварных металли­ ческих конструкциях наравне со спокойной сталью ВСтЗпс.

Углеродистые стали могут быть как мартеновскими, так и кон­ верторными. До 1965 г. мартеновские стали поставлялись по ГОСТ 380—60, конверторные — по ГОСТ 9543—60. Однако в свя­ зи с увеличением производства кислородно-конверторной стали и получением ее с качествами, не уступающими мартеновской, в 1965 г. ГОСТ 9543—60 был аннулирован, а конверторные стали включены в ГОСТ 380—60 с указанием в названии марки стали способа выплавки (например, сталь СтЗ мартеновская— МСтЗ, конверторная — КСтЗ). Так как в настоящее время практически свойства мартеновской и конверторной сталей одинаковы и при заказе стали нет необходимости уточнять способ ее изготовления, то в новом ГОСТ 380—71 способ выплавки, в отличие от ранее действующего ГОСТ 380—60, не оговаривается и из обозначения марок исключен. На стали, изготовляемые бессемеровским спо­ собом, ГОСТ 380—71 не распространяется.

Механические характеристики углеродистых сталей представ­ лены в табл. 1.3. Так как предел текучести стали несколько сни­ жается при увеличении толщины проката, то ГОСТ предусматри­ вает разделение проката в зависимости от толщины на четыре разряда, а предел текучести стали и относительное удлинение устанавливаются различными для каждого из разрядов (см. табл. 1.3).

Снижение предела текучести стали с увеличением толщины проката в основном объясняется уменьшением степени обжатия заготовки при больших ее толщинах, сокращением числа прохо­ дов й уменьшением интенсивности охлаждения при остывании после прокатки [4].

Следует иметь в виду, что сталь одной марки, выплавленная на разных металлургических заводах и разных плавильных агре­ гатах, будет обладать различными, но достаточно близкими, ме­ ханическими характеристиками. Вместе с тем, учитывая, что пре­ дел текучести является переходным напряжением от упругого вида деформаций к пластической работе материала и что факти­ ческие напряжения в конструкции, как правило, не должны пре-

11