Стали для строительных конструкций, их свойства, химический состав, структура

Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется:

- механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям (временным сопротивлением и пределом текучести при растяжении); сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударной вязкостью при различных температурах); показателями пластичности (относительным удлинением); сопротивлением расслоению (изгибом в холодном состоянии). Значения этих показателей устанавливаются государственными стандартами. Кроме того, качество стали определяется сопротивлением многократному нагружению (усталостью);

- свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства;

- коррозионной стойкостью.

По механическим свойствам стали делятся на три группы:

- обычной прочности (малоуглеродистые);
- повышенной прочности;
- высокой прочности.

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химического состава, вида термической обработки и технологии прокатки.

Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода (малоуглеродистые стали обычной прочности легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и другими элементами (низколегированные стали повышенной прочности); легированием и термическим упрочнением (стали высокой прочности).Феррит весьма пластичен и малопрочен, цементит очень тверд и хрупок. Перлит обладает свойствами, промежуточными между свойствами феррита и цементита.Зерна феррита и перлита в зависимости от числа очагов кристаллизации получаются различной величины. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства стали (чем мельче зерна, тем выше качество стали).

Вредные примесиК ним в первую очередь относятся: фосфор, который, образуя раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладоломкость) и снижет пластичность при повышенных; сера, делающая сталь красноломкой (склонную к образованию трещин при температуре 800-1000°С) вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. Поэтому содержание серы и фосфора в стали ограничивается: так, в углеродистой стали Ст3 серы должно быть не больше 0,05% и фосфора - 0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0,0007 %), но, концентрируясь около включений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам блоков, вызывает в микрообъёмах высокие напряжения, что .приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению, снижению временного сопротивления и ухудшению пластических свойств. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке ) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

Термическая обработка. Значительного повышения прочности, деформационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой благодаря тому, что под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решетки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивление и к уменьшению пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Наряду с углеродом выделяются азот и карбиды других элементов, которые производят аналогичное действие. Перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходят в течение достаточно длительного времени, поэтому такое явление называется старением.

Сталь, применяемая в металлических конструкциях, производится двумя способами: в мартеновских печах и конвертерах с поддувкой кислородом сверху. Стали мартеновского и кислородно-конвертерного производства по своему качеству и механическим свойствам практически одинаковы. Однако производство кислородно-конвертерной стали проще и дешевле.