Види й властивості сталі

Сталі для будівельних конструкцій поділяють на види й маркірують умовними позначками, у яких відбивається склад і призначення сталі, механічні й хімічні властивості, способи виготовлення й окислення.

Маркування сталі. За стандартом марку вуглецевої сталі звичайної якості позначають буквами Ст і цифрами від 0 до 7. Якісні вуглецеві сталі маркують двозначними цифрами, що показують вміст вуглецю, у сотих частках відсотка (0,8; 25 і т.д.). У позначення марок киплячої сталі додають «кп», пів-спокійної - «пс», спокійної -«сп», наприклад Ст3сп, Ст5пс, Ст2кп.

На відміну від маркування вуглецевих сталей букви в марці низьколегованих сталей показують наявність у сталі легуючих домішок, а цифри - їхній середній зміст у відсотках; попереднім буквам цифри показують зміст вуглецю в сотих частках відсотка. Для маркування сталі кожному легуючому елементу привласнена певна буква: кремній - З, марганець - Г, хром - X, нікель - Н, молібден - М, вольфрам - В, алюміній - Ю, мідь - Д, кобальт - К. Перші цифри марки позначають середній зміст вуглецю (у сотих частках відсотка для інструментальних і нержавіючих сталей); потім буквою зазначені легуючий елемент і наступні цифри - його середній зміст, наприклад сталь 3X13 містить 0,3% С и 13% Сг, марки 2Х17Н2 - 0,2 % З, 17 % Сг і 2 % №. При змісті легуючого елемента менш 1,5 % цифри за відповідною буквою не ставляться: 1Г2С, 12ХНЗА. Буква А в кінці позначення марки вказує на те, що сталь є високоякісної, буква Ш - особливо високоякісної. Наприклад, низьколегована конструкційна сталь марки 1Г2С містить 0,1 % вуглецю, 2 % марганцю й 1 % кремнію.

Вуглецеві сталі. Сталь вуглецева звичайної якості — сплав заліза з вуглецем. У її складі також присутні в невеликій кількості домішки: кремній, марганець, фосфор і сірка, кожна з яких впливає на механічні властивості сталі. У сталі звичайної якості, застосовуваних у будівництві, вуглецю втримується 0,06-0,62 %, Сталі із низьким вмістом вуглецю характеризуються високою пластичністю й ударною в'язкістю. Підвищений вміст вуглецю надає сталі крихкість і твердість.

Для підвищення якості будівельних сталей у сплави додають домішки - марганець і кремній. Вміст марганцю звичайно 0,25-0,9%; він підвищує міцність сталі без значного зниження її пластичності. Кремній, вміст якого у звичайних сталях не перевищує 0,35 %, не робить істотного впливу на властивості сталі. Фосфор і сірка є шкідливими домішками. Фосфор робить сталь тендітною (холодно-ломкою), у зв'язку із цим вміст його в будівельних сталях не повинне перевищувати 0,05%- Присутність сірки в кількості більше 0,07 % викликає ламкість сталі, а також знижує її міцність і корозійну стійкість. Основні характеристики якості вуглецевої сталі - границі текучості й міцності при розтяганні, а також величина відносного подовження (табл. 7).

Таблиця 7. Механічні властивості вуглецевої сталі звичайної якості

Марки сталі групи А	Межа міцності при розтягу, МПа	Границя текучості, МПа	Відносне подовження, %
Ст0	Не менш 31	—	20—23
Ст1	320—420	—	31—34
Ст2	340—440	200—230	29—32
СтЗ	380—490	210—250	23—26
Ст4	420—540	240—270	21-24
Ст5	460—600	260—290	17—20
Ст6	Не менш 600	300—320	12—15

Найпоширеніше в будівництві використовують сталь марки Ст3, що йде на виготовлення металевих конструкцій цивільних і промислових будинків і споруджень, опор лінії електропередач, резервуарів і трубопроводів, а також арматури залізобетону. Якісні конструкційні вуглецеві сталі застосовують, як правило, у машинобудуванні, а інструментальні вуглецеві сталі — для виготовлення різних різальних інструментів.

Леговані сталі. Низьколеговані сталі найчастіше застосовують у будівництві. Вміст вуглецю в низьколегованих сталях не повинен перевищувати 0,2 %,тому що з його зростанням знижуються пластичність і корозійна стійкість, а також погіршується зварюваність сталі. Легуючі добавки впливають на властивості сталі в такий спосіб: марганець збільшує міцність, твердість і опір зношуванню; кремній і хром підвищують міцність і жаростійкість, а мідь — стійкість сталі до атмосферної корозії; нікель сприяє поліпшенню в'язкості без зниження міцності. Низьколеговані сталі мають більш високі механічні властивості, ніж низьковуглецеві. Сталі, що містять нікель, хром і мідь, високопластичні, добре зварюються, їх з успіхом використовують для зварювальних і клепаних конструкцій промислових і цивільних будинків, пролітних будівель мостів, нафтових резервуарів, труб і т.д.

Діаграма розтяг сталі

Найбільше застосування в будівництві для виготовлення металевих конструкцій одержали низьколеговані сталі марок 10ХСНД, 15ХСНД, 10Г2СД і ін.

Середньо- і високолеговані сталі вживають у будівництві тільки тоді, коли потрібно забезпечити конструкціям високу корозійну стійкість. Для цього конструкції виготовляють зі спеціальної нержавіючої сталі, наприклад хромонікелевої й хромонікелемарганцевої.

Властивості сталей. Серед фізичних властивостей сталей найбільше значення мають істинна щільність, температура плавлення, теплоємність, теплопровідність, коефіцієнт температурного розширення (деякі з перерахованих властивостей уже розглядали в § 27).

Температура плавлення — температура, при якій сталь із твердого стану переходить у рідкий. Температура плавлення заліза 1535°С, але при введенні в його склад вуглецю й інших елементів вона змінюється. Наприклад, чавун зі змістом 4,3 % вуглецю плавиться близько 1130°С.

Коефіцієнт температурного розширення — показник відносного подовження сталевого зразка при підвищенні температури на 1° дорівнює (11 —11,9) 10^_6°С.

Механічні властивості сталей характеризуються межею міцності при розтягу, границею текучості, відносним подовженням, твердістю й ударною в'язкістю.

Випробування сталі на розтяг з одночасною оцінкою її пружності роблять на зразках у формі стрижня круглого або прямокутного перетину. Для цього використовують розривні машини, оснащені пристосуванням для запису діаграми розтяг зразка. За вертикальною віссю діаграми (мал. 38) відкладають навантаження, що розтягує, а по горизонтальній - відповідне збільшення довжини зразка. На діаграмі розтяг пряма ділянка (від початку координат до крапки 1) показує, що подовження ∆l випробуваного зразка прямо пропорційно прикладеному навантаженню Р₁ Максимальна напруга, при якому зберігається пряма пропорційність між подовженням зразка й прикладеним навантаженням називається межею пропорційності q_пр. Деформації зразка, у якому напруги не перевищують межу пропорційності, є пружними, і при знятті навантаження відновлюється первісна довжина зразка. При незначному підвищенні навантаження до Р₂ (точка 2) зразок починає витягатися (сталь «тече»), хоча навантаження залишається постійним, що відповідає горизонтальній площадці на діаграмі. Напруга, при якому з'являється плинність сталі, називається границею текучості q_т. Зразок здобуває залишкові деформації, тобто деформації, що залишаються в зразку після зняття навантаження.

При подальшому збільшенні навантаження до Р наступає розрив зразка (точка 3). Максимально досягнута при цьому напруга в зразку називається межею міцності сталі МПа, що обчислюють за формулою:

,

де Р — найбільше навантаження,

Н; Fо— первісна площа поперечного переріза зразка, мм².

Відносне подовження зразка при випробуванні на розрив характеризує пластичність сталі, тобто здатність здобувати значні залишкові деформації без розривів і тріщин. Відносне подовження δ, %, визначають за формулою

де 1₀ - розрахункова (початкова) довжина зразка, мм;

l₁ - довжина зразка після розриву, мм.

Випробування на розтяг є основним при оцінці механічних властивостей сталей, що застосовуються у будівництві.

Твердість — здатність сталі опиратися вдавленню в неї інших, більш твердих тіл, наприклад алмазного конуса або сталевої кульки.

Ударна в'язкість — властивість сталі протистояти динамічним (ударним) навантаженням. Її величина визначається кількістю роботи, необхідної для руйнування сталевого зразка на маятниковому копрі.

Серед хімічних властивостей сталей найбільш важливим є корозійна стійкість, що характеризує здатність сталей опиратися руйнуючій дії навколишнього середовища.

Технологічні властивості показують здатність сталей до обробки тиском, різанням, литтям, зварюванням і ін.

Основне технологічне випробування сталі — випробування її зразків на згин у холодному стані під впливом рівномірно зростаючого навантаження. Розрізняють наступні види випробувань: згин до певного кута, згин навколо оправи до паралельності сторін, згин до повного зіткнення сторін (впритул). Ознакою того, що зразок витримав випробування, служить відсутність у ньому після згину тріщин, розшарувань або зламу.

Термічна обробка поліпшує фізико-механічні властивості сталі. Розрізняють наступні види термічної обробки сталі: загартування, відпуск, відпал, нормалізацію.

Загартування полягає в нагріванні сталі до 800—900 °С і швидкому охолодженні її у воді або маслі. Загартування збільшує міцність і твердість сталі, але знижує ударну в'язкість. Відпуск загартованої сталі — повільне її нагрівання до 200—350 °С, витримка при цій температурі з наступним повільним охолодженням на повітрі. При відпуску сталі знижується твердість, але підвищується в'язкість. Випал — нагрівання сталі до певної температури, витримка й повільне охолодження в печі. Випалюють сталь для зниження твердості й підвищення її в'язкості. Нормалізація сталі — різновид випалювання, що складається з нагрівання її до температури нижче температури загартування, витримки при цій температурі й охолодження на повітрі. Нормалізація підвищує твердість, міцність і ударну в'язкість сталі. Для збільшення міцності й твердості поверхневих шарів сталевих виробів роблять поверхневе загартування струмами високої частоти, а також цементацію сталі, тобто насичення вуглецем її поверхневого шару при нагріванні в вуглецевому середовищі.

Вироби зі сталі

Виготовлення сталевих виробів. При виготовленні сталевих виробів розплавлену сталь розливають по виливницях. Вийняті з них сталеві злитки піддають обробці тиском. Обробка тиском заснована нависоких пластичних властивостях сталі, при цьому змінюється не тільки форма сталевого злитка, але і його властивості. Існують наступні способи обробки сталевих злитків тиском: прокатка, волочіння, кування, штампування й пресування.

Прокат — найпоширеніший спосіб виготовлення профільованих сталевих виробів. При прокаті сталевий злиток пропускають між обертовими валками прокатного станка, у результаті чого заготівля обжимається, витягається й залежно від профілю прокатних валків здобуває задану форму (профіль). Прокочують сталь у холодному стані. Сортамент сталі гарячого прокату - сталь кругла, квадратна, смугова, кутова рівностороння й нерівностороння, швелери, двотаврові балки, шпунтові палі, труби, арматурна сталь періодичного профілю й ін.

При волочінні заготівка послідовно протягується через отвори (фільтри) розміром менше перетину заготівки, внаслідок чого заготівка обжимається й витягується. При волочінні в сталі з'являється так званий наклеп, що підвищує її твердість. Волочіння сталі звичайно роблять у холодному стані, при цьому одержують вироби точних профілів із чистою й гладкою поверхнею. Способом волочіння виготовляють дріт, труби малого діаметра, а також прутки круглого, квадратного й шестикутного перетину.

Кування — обробка розпеченої сталі повторюваними ударами молота для надання заготівці заданої форми. Куванням виготовляють різноманітні сталеві деталі (болти, анкери, скоби й т.д.).

Штампування — різновид кування, при якому сталь, розтягуючись під ударами молота, заповнює форму штампу. Штампування може бути гарячим й холодним. Цим способом можна одержувати вироби дуже точних розмірів.

Пресування являє собою процес видавлювання сталі, що знаходиться в контейнері через вихідний отвір (очко) матриці. Вихідним матеріалом для пресування служить лиття або прокатні заготівки. Цим способом можна одержувати профілі різного перетину, у тому числі прутки, труби невеликого діаметра й різноманітні фасонні профілі.

Холодне профілювання — процес деформування листової або круглої сталі на прокатних станах. З листової сталі одержують гнуті профілі з різною конфігурацією в поперечнику, а із круглих стрижнів на верстатах холодного профілювання шляхом припліскування — зміцнену холодно-приплюснуту арматури.

Види сталевих виробів. Металообробна промисловість випускає велику номенклатуру різних сталевих виробів (мал. 39).

Прокатну кутову сталь випускають у вигляді рівносторонніх і нерівносторонніх кутників із шириною полиць 20— 250 мм; швелери — висотою 50—400 мм при ширині полиці 32—115мм; двотаври — як звичайні, так і широко-поличкові. Висота звичайних двотаврів 100— 700 мм, широко-полкових — до 1000 мм. Відношення ширини полиць до висоти коливається від 1:2 (при малій висоті) до 1:3 (при великій висоті).

Профільну сталь застосовують для виготовлення за допомогою зварювання або клепки різноманітних сталевих будівельних конструкцій (каркаси й ферми промислових іцивільних будинків, пролітні будови мостів, балок перекриттів, опори ліній електропередач, ліхтарі освітлення будинків і т.д.). Крім того, із прокатної і штампованої сталі спеціальних профілів виконують віконні плетіння промислових і громадських будинків.

Рис. 39. Сортамент прокатних сталей

а — рівносторонній кутник; б — нерівносторонній кутник; в — швелер; г - двотавр; д — підкранова рейка; е — кругла; ж — квадратна; з - смугова; і — шпунтова паля; к — листова; л — рифлена; м — хвиляста

Прокатну сталь квадратного перерізу, а також листову сталь використовують у будівництві різною метою. Круглу сталь в основному використовують як арматуру для залізобетону.

Прокатна листова сталь має ряд різновидів: прокатна грубо-листова шириною 600-3800 і товщиною 4-160 мм; прокатна тонколистова шириною 600- 1400 і товщиною 0,5-4 мм; листова покрівельна, у тому числі оцинкована, шириною 510-1500 і товщиною 0,5-2 мм, а також листова хвиляста й рифлена.

Прокатну сталь для шпунтованих паль випускають різноманітних профілів; її застосовують для гідротехнічного будівництва.

Сталеві труби суцільнотягнені й зварені діаметром 50—1620 мм використовують для магістральних газо- і нафтопроводів, водопостачання, опалення й інших цілей.

Дрібні сталеві вироби у вигляді болтів, гайок, шайб, заклепок широко застосовують при виготовленні із прокат­них сталевих профілів різноманітних будівельних конструкцій. Будь-яке будівництво в наш час не обходиться без сталевих кріпильних виробів — шурупів, гвинтів, цвяхів, скоб, а також без виробів зі скобами, необхідних для комплектування дверних і віконних блоків, санітарно-технічних кабін (петлі, ручки, замки й ін.).

Сталеві арматури є найважливішою складовою частиною залізобетону й покликана надійно працювати разом з бетоном протягом усього терміну служби виробу або конструкції. Арматури мають у своєму розпорядженні головним чином у тих місцях виробу або конструкції, які піддаються розтяжним зусиллям, і вона повинна сприймати ці зусилля.

Арматурну сталь класифікують за способом виготовлення, профілю стрижнів і області застосування. За способом виготовлення арматурну сталь поділяють на гарячекатану стрижневу й холодно-тягнуту дротову. Залежно від профілю стрижнів (характеру їхньої поверхні) стрижнева й дротова арматури буває гладкою й періодичного профілю. Залежно від умов застосування арматурну сталь поділяють на ненапружену й напружену, тобто застосовувану відповідно для звичайних і попередньо напружених залізобетонних конструкцій (мал. 40).

Стрижневу арматуру випускають гарячекатаною звичайною, зміцненою витяжкою в холодному стані й термічно зміцненою.

Залежно від механічних властивостей стрижневі арматури поділяють на класи з умовною позначкою А. Умовні позначки класів гарячекатаної арматурної сталі: А-1, А-П, А-Ш, А-1У и ін. При позначенні класу термічно зміцненої арматурної сталі до індексу А додають індекс «т», наприклад Ат-Ш. Сталь, зміцнену витяжкою, позначають за класом вихідної гарячекатаної сталі, але при цьому додають ще індекс «в», наприклад Ав-Ш.

Основними механічними характеристиками гарячекатаної і зміцненою витяжкою арматур є границя текучості, межа міцності при розтягу й

Рис. 40. Види арматурної сталі

а — гладка стрижнева; б — гарячекатана періодичного профілю, класу A-II; в — те ж, класу A-III; г — холодно-приплюснута із чотирьох сторін; д — те ж, із двох сторін; е — кручена

відносне подовження, обумовлені випробуванням на розтяг. Крім того, проводять випробування на загин арматур у холодному стані. Механічні властивості арматурної сталі по класах наведені в табл. 8.

Таблиця 8. Механічні властивості стрижневих арматур

Клас арматур­ ної сталі	Діаметр стрижнів, мм	Межа текучості, МПа	Межа міцності при розтягу, МПа	Відносне видовження, %	Кут загину в холодному­ стані, град; С — товщина оправ­и, (1 — діаметр стрижня
не менше
А-1	6—40				180°; С = 0,5 d
А-І	8—80				180°; С = 3 d
A-III	6—40				90°; С = 3 d
A-IV	10—32				45°; С = 5 d
A-V	10—32				45°; С = 5 d
A-VI					45°; С = 5 d
At-IV	10—28				45°; С = 5d
At-V	10—28				45°; C=5d
At-VI	10—28				45°; С = 5d
AT-VII	10—28				45°; С = 5d

Арматурну сталь класу А-1 виготовляють із вуглецевої сталі марок СтЗ, СтЗпс і СтЗкп, класу А-П діаметром 10—40 мм — з вуглецевої сталі марки Ст5, діаметром 40—90 мм — з низьколегованої ста­лі марки 18Г2С; класи А-Ш діаметром 6—40 мм — з низьколегованої сталі марки 25Г2С, діаметром 6— 3 _мм — з низьколегованої сталі марки 18Г2С; класу А-1 В-У- з низьколегованої сталі марки 20ХГ2Ц (для конструкцій з напруженою арматурою). Стрижні арматурної сталі класу А-1 поставляють круглими, стрижні класу А-П, А-Ш, А-1 V - періодичного профілю.

Дротові арматури поділяють на арматурний дріт і арматурні дротові вироби. Арматурний дріт може бути холоднотягнутого класу В-1 (низьковуглецевого) для ненапруженої арматури і класу В-11 (вуглецевого) для напруженої арматури. Її випускають гладкою класу В-1 і В-П і періодичного профілю класу ВР -1 діаметром 3—8 мм.

Періодичний профіль одержують за рахунок часто повторюваних вм'ятин на циліндричній поверхні дроту в одній діаметральній площині. Механічні характеристики арматурного гладкого дроту: межа міцності при розтяганні 1400 МПа для дроту діаметром 8 мм і 1900 МПа для дроту діаметром 3 мм; границя текучості відповідно 1120 і 1520 МПа.

Арматурні дротові вироби можна застосовувати в будівництві й виробництві залізобетонних виробів у вигляді сталевих арматурних пасом, що не розкручуються, сталевих арматурних канатів, зварених арматурних сіток, а також тканих і зварних дротяних сіток, призначених для армоцементних конструкцій.

Пасма виготовляють зі сталевого світлого непромасленого дроту діаметром 1-2,5 мм і високоміцного арматурного дроту діаметром 3-5 мм. Поверхня дроту для армування залізобетонних конструкцій повинна бути чистою, без тріщин, іржі й окалини. Дроти в пасмах повинні мати однаковий натяг і щільно прилягати один до одного. Сталеві арматурні канати бувають двохпрядові й багатопрядові. Їх застосовують для напруженої арматури, що, у залізобетонних конструкціях. Зварені арматурні сітки виконують зі звичайного арматурного дроту діаметром 3-6 мм або гарячекатаної арматурної сталі класу А-ІІІ діаметром 6-10 мм. Сітки повинні бути зварені у всіх точках перетинання стрижнів з відповідною міцністю зварених вузлів.

Арматурну сталь діаметром менш ніж 10 мм випускають у мотках (бухтах), діаметром 10 мм і більше — у прутках довжиною 6—12 м. Арматурний дріт поставляють у мотках (причому кожний моток повинен складатися з одного відрізка), а прядену арматуру - у мотках або котушках.

Арматурну сталь необхідно зберігати в закритих приміщеннях або під навісом на стелажах поділено по видах і марках сталі, а також по діаметрах. При цьому рекомендується стежити за схоронністю на торцях сталевих стрижнів різних марок міток, зроблених незмивними фарбами, а також за схоронністю заводських бірок, прикріплених до пучків, пакетів і мотків арматурної сталі. При зберіганні арматурної сталі необхідно охороняти її від забруднення й корозії.

Дата добавления: 2014-12-08