§ 30. Виды и свойства сталей

Стали для строительных конструкций разделяют на виды и маркируют условными обозначениями, в которых отражается состав и назначение стали, механические и химические свойства, способы изготовления и раскисле­ния.

Маркировка сталей. По стандарту марку углеродис­той стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента (0,8; 25 и т. д.). В обозначение марок кипящей стали добавляют «кп», полуспокойной—«пс», спокойной —«сп», например СтЗсп, Стбпс, Ст2кп.

В отличие от маркировки углеродистых сталей буквы в марке низколегированных сталей показывают наличие в стали легирующих примесей, а цифры — их среднее со­держание в процентах; предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процен­та. Для маркировки стали каждому легирующему эле­менту присвоена определенная буква: кремний — С, мар­ганец— Г, хром — X, никель — Н, молибден — М, воль­фрам— В, алюминий — Ю, медь — Д, кобальт — К. Пер­вые цифры марки обозначают среднее содержание угле­рода (в сотых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и последующими цифрами — его среднее содер­жание, например сталь 3X13 содержит 0,3 % С и 13 % Сг, марки 2Х17Н2 —0,2 % С, 17 % Сг и 2 % №. При со­держании легирующего элемента менее 1,5 % цифры за соответствующей буквой не ставятся: 1Г2С, 12ХНЗА. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш — особо высококачественной. Например, низколегированная кон­струкционная сталь марки 1Г2С содержит 0,1 % углеро­да, 2 % марганца и 1 % кремния.

Углеродистые стали. Сталь углеродистая обыкновен­ного качества — сплав железа с углеродом. В ее составе также присутствуют в небольшом количестве примеси: кремний, марганец, фосфор и сера, каждая из которых оказывает определенное влияние на механические свойства стали. В сталях обыкновенного качества, применя­емых в строительстве, углерода содержится 0,06—0,62 %. Стали с низким содержанием углерода характеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышен­ное содержание углерода придает стали хрупкость и твердость.

Для повышения качества строительных сталей в спла­вы добавляют примеси — марганец и кремний. Содержа­ние марганца обычно 0,25—0,9%; он повышает проч­ность стали без значительного снижения ее пластичности. Кремний, содержание которого в обыкновенных сталях не превышает 0,35 %, не оказывает существенного влия­ния на свойства стали. Фосфор и сера являются вредны­ми примесями. Фосфор делает сталь хрупкой (хладнолом­кой), в связи с этим содержание его в строительных сталях не должно превышать 0,05 %. Присутствие серы в количестве более 0,07 % вызывает красноломкость стали, а также снижает ее прочность и коррозионную стойкость. Основные характеристики качества углероди­стой стали — пределы текучести и прочности при растя­жении, а также величина относительного удлинения (табл. 7).

Таблица 7. Механические свойства углеродистых сталей обыкио венного качества

Марки стали группы А	Предел прочности при растяжении, МПа	Предел текучес­ти, МПа	Относительное удлинение, %
СтО	Не менее 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
Сгб	Не менее 600	300—320	12—15

Наиболее широко в строительстве используют сталь марки СтЗ, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линии электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона. Каче­ственные конструкционные углеродистые стали применя­ют, как правило, в машиностроении, а инструментальные углеродистые стали — для изготовления различных-ре­жущих инструментов.

Легированные стали. Низколегированные стали наи­более часто применяют в строительстве. Содержание уг­лерода в низколегированных сталях не должно превы­шать 0,2 %,так как с его возрастанием понижаются пла­стичность и коррозионная стойкость, а также ухудшается свариваемость стали. Легирующие добавки влияют на свойства стали следующим образом: марганец увеличи­вает прочность, твердость и сопротивление стали износу; кремний и хром повышают прочность и жаростойкость, а медь — стойкость стали к атмосферной коррозии; ни­кель способствует улучшению вязкости без снижения прочности. Низколегированные стали имеют более высо­кие механические свойства, чем малоуглеродистые. Ста­ли, содержащие никель, хром и медь, высокопластичны, хорошо свариваются, их с успехом используют для свар­ных и клепаных конструкций промышленных и граждан­ских зданий, пролетных строений мостов, нефтерезервуа- ров, труб и т. д.

Наибольшее применение в строительстве для изготов­ления металлических конструкций получили низколеги­рованные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД, 10Г2СД и др.

Средне- и высоколегированные стали употребляют в строительстве только тогда, когда нужно обеспечить конструкциям высокую коррозионную стойкость. Для этого конструкции изготовляют из специальной нержаве­ющей стали, например хромоникелевой и хромоникеле- марганцевой.

Свойства сталей. Среди физических свойств сталей наибольшее значение имеют истинная плотность, темпе­ратура плавления, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент температурного расширения (некоторые из перечисленных свойств уже рассматривали в § 27).

Температура плавления — температура, при которой сталь из твердого состояния переходит в жидкое. Темпе­ратура плавления железа 1535 °С, но при введении в его состав углерода и других элементов она изменяется. На­пример, чугун с содержанием 4,3 % углерода плавится около 1130°С.

Коэффициент температурного расширения — пока­затель относительного удлинения стального образца при повышении температуры на 1° равен (11 —11,9) Ю~⁶°С.

Механические свойства сталей характеризуются пре*

делом прочности при растя­жении, пределом текучести, относительным удлинением, твердостью и ударной вязкостью.

Испытание стали на рас­тяжение с одновременной оценкой ее упругости произ­водят на образцах в форме стержня круглого или пря­моугольного сечения. Для этого используют разрывные машины, снабженные при­способлением для записи диаграммы растяжения об­разца. По вертикальной оси

диаграммы (рис. 38) откладывают растягивающую на­грузку, а по горизонтальной — соответствующее прира­щение длины образца. На диаграмме растяжения пря­мой участок (от начала координат до точки 1) пока­зывает, что удлинение ДI испытуемого образца пря­мо пропорционально приложенной нагрузке Р_ь Мак­симальное напряжение, при котором сохраняется пря­мая пропорциональность между удлинением образца и приложенной нагрузкой, называется пределом пропорцио­нальности 0_Пр. Деформации образца, в котором напряже­ния не превышают предел пропорциональности, являются упругими, и при снятии нагрузки восстанавливается пер­воначальная длина образца. При незначительном повы­шении нагрузки до Р₂ (точка 2) образец начинает вытя­гиваться (сталь «течет»), хотя нагрузка остается посто­янной, что соответствует горизонтальной площадке на диаграмме. Напряжение, при котором появляется теку­честь стали, называется пределом текучести о_т. Образец приобретает остаточные деформации, т. е. деформации, остающиеся в образце после снятия нагрузки.

При дальнейшем увеличении нагрузки до Р наступа­ет разрыв образца (точка 3). Максимально достигнутое при этом напряжение в образце называется пределом прочности стали а_р, МПа, который вычисляют по фор­муле

О_р — P/F о,

где Р — наибольшая нагрузка, Н; Fo — первоначальная площадь по­перечного сечения образца, мм².

Относительное удлинение образца при испытании на разрыв характеризует пластичность стали, т. е. способ­ность приобретать значительные остаточные деформации без разрывов и трещин. Относительное удлинение 6, %, определяют по формуле

б=(/ i-k)/k,

где /о —расчетная (начальная) длина образца, мм; U — длина об­разца после разрыва, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей, применяемых' в строительстве.

Твердость — способность стали сопротивляться вдав­ливанию в нее других, более твердых тел, например ал­мазного конуса или стального шарика.

Ударная вязкость — свойство стали противостоять ди­намическим (ударным) нагрузкам. Ее величина опреде­ляется количеством работы, необходимой для разруше­ния стального образца на маятниковом копре¹.

Среди химических свойств сталей наиболее важным является коррозионная стойкость, которая характеризу­ет способность сталей сопротивляться разрушающему действию окружающей среды.

Технологические свойства показывают способность сталей к обработке давлением, резанием, литьем, свар­кой и др.

Основное технологическое испытание стали — испытание ее об­разцов на загиб в холодном состоянии под воздействием равномер­но возрастающей нагрузки. Различают следующие виды испытаний: загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллель­ности сторон, загиб до полного соприкосновения сторон (вплотную). Признаком того, что образец выдержал испытание, служит отсутст­вие в нем после загиба трещин, расслоений или излома.

Термическая обработка улучшает физико-механические свойства стали. Различают следующие виды терми­ческой обработки стали: закалку, отпуск, отжиг, норма­лизацию.

Закалка заключается в нагреве стали до 800—900°С и быстром охлаждении ее в воде или масле. Закалка уве­личивает прочность и твердость стали, но снижает удар­ную вязкость. Отпуск закаленной стали — медленный ее

Методика проведения испытаний сталей на определение их метал­лических свойств в учебнике не рассматривается, так как этому уде­лено много места в лабораторных практикумах. Механические свой­ства углеродистых сталей приведены в табл. 7,

нагрев до 200—350 °С, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением на воздухе. При отпуске стали снижается твердость, но повышается вяз­кость. Отжиг — нагрев стали до определенной температу­ры, выдержка и медленное охлаждение в печи. Отжигают сталь для снижения твердости и повышения ее вяз­кости. Нормализация стали — разновидность отжига, состоящая из нагрева ее до температуры ниже темпера­туры закалки, выдержки при этой температуре и охлаж­дения на воздухе. Нормализация повышает твердость, прочность и ударную вязкость стали. Для увеличения прочности и твердости поверхностных слоев стальных из­делий производят поверхностную закалку токами высо­кой частоты, а также цементацию стали, т. е. насыщение углеродом ее поверхностного слоя при нагреве в угле­родистой среде.