Марки и качество стали

При изготовлении стальных конструкций применяются преимущественно сталь углеродистая обыкновенного качества, сталь углеродистая для мостостроения, сталь конструкционная низколегированная.

Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380- 88) применяется наиболее часто при изготовлении строительных конструкций. В зависимости от назначения она подразделяется на группы А, Б и В. Сталь всех групп изготовляют мартеновским или кислородно-конвертерным способом, а также электрошлаковым переплавом.

Сталь группы А поставляется по механическим свойствам и подразделяется на категории, марки и нормируемые показатели (табл. 2.1). Химический состав стали группы А не регламентируется, но указывается в сертификатах.

Таблица 2.1. Нормируемые показатели стали группы А

Категория	Марка стали всех степеней раскисления	Временное сопротивле - ние	Относи - тельное удлинение	Изгиб в холодном состоянии	Предел текучести
	Ст0... Ст6	+	+	-	-
+	+	+	-
	Ст2... Ст6	+	-	+	+

Сталь группы Б поставляется по химическому составу, имеет категории, марки и нормируемые показатели (табл. 2.2).

Сталь группы В поставляется по механическим свойствам и химическому составу, имеет категории, марки и нормируемые показатели (табл. 2.3).

Таблица 2.2. Нормируемые показатели стали группы Б

Категория	Марка стали всех степеней раскисления	Содержание углерода, марганца, кремния, фосфора, серы, мышьяка, азота	Содержание хрома, никеля, меди
	БСтО... БСт6 БСт2... БСт6	+ +	- +

Таблица 2.3. Нормируемые показатели стали группы В

Категория	Марка стали всех степеней раскисления и с повышенным содержанием марганца	Химический состав	Временное сопротивление	Предел текучести   и	Относительное удлинение	Изгиб в холодном состоянии	Ударная вязкость
при температуре	После механического старения
+20	-10
	ВСт1... ВСт5	+	+	-	+	+	-	-	-
	ВСт2... ВСт5	+	+	+	+	+	-	-	-
	ВСт3... ВСт4	+	+	+	+	+	+	-	-
	ВСт3	+	+	+	+	+	-	+	-
	+	+	+	+	+	-	+	+
	+	+	+	+	+	-	-	+

Сталь 3, 4, 5 и 6-й категорий поставляется полуспокойной и спокойной'. Механические свойства и химический состав для всех марок стали, приведены в ГОСТ 380 – 88.

Обозначение группы, марки, степени раскисления, категории стали и повышенного содержания марганца буквенно-цифровое.

Группа стали обозначается буквами Б и В (группа А стали не указывается), например, БСт3. ВСт3, Ст3; марка стали обозначается цифрами от 0 до 6 в зависимости от химического состава стали и механических свойств, например Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Степень раскисления обозначается индексами: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная, например Ст3 кп, Ст3 пс.

Категория стали обозначается цифрами, которые ставят после индекса степени раскисления, например от Ст3пс2 по СТЗпс6. Категорию стали указывает вид испытаний на ударную вязкость: категория 2-испытания на ударную вязкость не проводится; 3- проводится при температуре +20 С; 4- при температуре -20 С; 5- при температуре -20 С и после механического старения; 6- после механического старения.

В строительстве в основном используются стали марок ВСт3кп2,

ВСт3пс6 и ВСт3сп3.

Повышенное содержание марганца в полуспокойной стали обозначается буквой Г, которую ставят после номера марки, например, Ст3Гпс, ВСт3Гпс, ВСт3Гпс3.

Сталь углеродистая для мостостроения (ГОСТ 6713-75*) имеет всего три марки. Для клепаных мостовых конструкций применяется Cт3мост (кипящая и спокойная), а для мостовых конструкций - сталь М16С (мартеновская спокойная). Сталь М16С поставляется с гарантированными механическими характеристиками по пределу прочности, пределу текучести, относительному удлинению, а также ударной вязкости при -20 С и при нормальной температуре после старения.

Сталь низколегированнаятолстолистовая, широкополосная, универсальная и рулонная (ГОСТ 19282-73) для стальных конструкций при меняется марок 14Г2, 09Г2С, 09Г2, 10Г2Cl, 10Г2С1Д, 15ХСНД, 10XСНД, 15Г2СФ, 14Г2АФ, 15Г2АФДпс, 16Г2АФ и 18Г2АФ пс.

Сталь низколегированнаясортовая и фасонная (ГОСТ 19281 - 73) - применяется марок 14Г2, 09Г2С, 09Г2, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 10ХСНД, 15Г2СФ и 15ХСНД; буквы обозначают химический состав (Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, Д - медь, Т - титан, Ф - ванадий, М - молибден, А - азот, Р - бор); цифры перед буквами показывают содержание углерода в процентах, увеличенное в 100 раз, а после букв - содержание легирующей добавки.

В сокращенном сортаменте предусмотрены марки низколегированной стали по ГОСТ 19281 - 73* и ГОСТ 19282 - 73*, 09Г2-2, 09Г2С-6, 09Г2С-12, 09Г2С-12-1, 09Г2С-12-2. 09Г2С-15, 14Г2АФ-15, 10ХНДП.

Низколегированная сталь по ГОСТ 19281- 73 * и ГОСТ 19282 - 73 * (как и углеродистая сталь обыкновенного качества по ГОСТ 380-71 *) в зависимости от требуемой совокупности гарантируемых характеристик заказывается и поставляется различных категорий качества.

Таких категорий 15, но для строительных стальных конструкций применяется сталь только категорий 2, 6, 9, 12, 15; которые предусмотрены в сокращенном сортаменте.

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 (М) и бор (Р). Временное сопротивление данной стали равно 85 - 100 кГ/мм .

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/мм , а у термически упрочненной он возрастает до 50 кГ/мм .

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/мм .

В связи с появлением большого количества марок строительных сталей, с различными механическими свойствами внесено предложение классифицировать их по величине предела текучести и временного сопротивления, руководствуясь рядом предпочтительных чисел, назначить следующие классы сталей: (ГОСТ 27772-88) С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К и С375 (фасонный прокат), для листового и универсального проката и гнутых профилей используются также стали С390, С390К, С440, С590 и С590К. Здесь буква С означает - сталь, а цифра - величину гарантированного предела текучести в кГ/мм .

Стали классов С285-С375 принято относить к группе сталей повышенной прочности, а стали классов С390-С590 - высокой прочности.

При разработке технологии изготовления конструкций часто бывает необходимо знать влияние отдельных компонентов стали на ее свойства. В табл. 2.4 приведены данные о влиянии некоторых компонентов на свойства сталей.

Влияние компонентов обозначено: ХХ - сильно увеличивает то или иное свойство (например, углеродтвердость), Х - увеличивает; + + - сильно уменьшает; + уменьшает; 0 - 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. 2.6. 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).

Таблица 2.4 Влияние некоторых компонентов на свойства стали

Компоненты

Свойства стали

Временное сопротивление

Предел текучести

Относительное удлинение

Твердость

Ударная вязкость

Свариваемость

Хладноломкость

Красноломкость

Закаливаемость

Коррозионная стойкость

Углерод Марганец Кремний Никель Хром Медь Ванадий Молибден Титан Бор Алюминий Фосфор Сера

ХХ Х Х Х Х О Х Х Х Х О ХХ +

Х Х Х Х Х О Х Х Х Х О Х +

++ + + О О О + + О + О ++ О

ХХ Х Х Х Х О Х Х Х Х О Х +

+ Х ++ Х Х О О О + + + ++ +

+ О + О О О Х Х Х О О + О

О О О О О О О О О О О ХХ О

О + + О О О ++ + О О О О Х

Х Х Х Х Х О О Х О Х О О О

О Х + Х Х ХХ Х ХО О О О Х О

Рис. 2.6. Частотные кривые распределения: а - временного

сопротивления; б - предела текучести некоторых марок сталей;

1 - ВСт.3кп; 2 - 1OГ2Cl; 3 - 15ХСНД; 4 - 10ХСНД

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. 2.7. 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. 2.8 показаны эти диаграммы для ряда сталей.

Диаграммы малоуглеродистой стали (ВСт.3кп) и некоторых низколегированных (например, 10Г2С 1) имеют ярко выраженную площадку текучести (рис.2.8.), в то время как у большинства сталей повышенной и высокой прочности текучесть не проявляется.

При загружении выше предела упругости () стали деформируются как упругопластический 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 (). На графике линия разгрузки есть прямая, наклоненная к оси абсцисс под углом , тангенс которого равен модулю упругости (Е).

Определение основных механических характеристик стали () производят при температуре 200. Обработку стали часто ведут и при иных температурах.

С изменением температуры стали изменяются и ее механические свойства. На рис. 2.9 для малоуглеродистой 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 и предел текучести сперва несколько уменьшаются, а затем снова увеличиваются и достигают максимума при температуре 200°.

Рис. 2.7. Технологические значения Рис. 2.8. Диаграммы растяжения для некоторых сталей:

временного сопротивления, предела 1 – ВСт.3кп; 2 – 15СНД; 3 – 10Г2С1; 4 - 10ХСНД;

текучести и твердости для сталей 5 – 12Г2СМФ; 6 – 15ХГ2СФМР

классов от С245 до С750

Рис. 2.9. Механические характеристики малоуглеродистой

стали ВСт.Зкп при различных температурах

Согласно графикам можно сделать следующие выводы об изменении механических свойств этой стали в зависимости от температуры. При повышении температуры испытаний временное сопротивление и предел текучести 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 7000 равны нулю. Относительное удлинение б сперва уменьшается (до 200°), а затем сравнительно быстро растет.

Модуль упругости Е с повышением температуры медленно снижается. При понижении температуры (до - 60°) значение всех рассматриваемых характеристик несколько увеличивается.

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. 2.10, а и б показаны, соответственно микроструктуры малоуглеродистой стали ВСт.3кп и низколегированной стали 15ХСНД.

а) б) в)

Рис. 2.10. Микроструктура строительных сталей

(увеличено в 300 раз)

В результате термического упрочнения структура стали значительна вида, изменяется. На рис. 2.10, 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 эта учитывать и принимать меры для того, чтобы вынужденное изменение структуры и механических свойств металла не вызывала ухудшение эксплуатационных качеств конструкций.

Дата добавления: 2014-11-18