5.9.1. Строительные стали

В связи с тем что подавляющее большинство элементов строительных конструкций соединяют сваркой, основным требо­ванием к строительным сталям является их хорошая сваривае­мость, поэтому содержание углерода в них не должно превышать 0,25%. Более высокое содержание углерода может привести к об­разованию закалочных структур, возникновению внутренних на­пряжений и даже образованию трещин.

Для изготовления несущих сварных и клепаных конструкций рекомендуют следующие виды сталей: мартеновскую — марок ВМСтЗ_кс( _п ), низколегированную — марок 15ГС, 14Г2, 10Г2С, 10Г2СД, 15ХСНД, а также кислородно-конвертерную марок ВКСтЗ_с)|(пс . Стали марок Ст4 и Ст5 рекомендуют для несварных конструкций.

Сталь для конструкций, работающих на динамические и виб­рационные нагрузки и предназначенных для эксплуатации в ус­ловиях низких температур, должна проверяться на ударную вяз­кость при отрицательных температурах. К сталям для мостовых конструкций предъявляют специальные требования (ГОСТ 6713-75) по однородности и мелкозернистости, отсутствию внешних дефектов, прочностным и деформационным свойствам.

Для армирования железобетонных конструкций сталь при­меняют в виде стержней, проволоки, сварных сеток, каркасов. Арматурная сталь может быть горячекатаная (стержневая) и хо­лоднокатаная (проволочная). По форме стержни могут быть круг­лыми или периодическими (рис. 5.31) для улучшения сцепления с бетоном. В ряде случаев для повышения механических свойств (увеличения предела текучести) сталь подвергают деформирова­нию (наклеп) либо термообработке.

Диаграмма состояния железо – цементит (fe – Fe₃C)

3.1. Железо и его соединения с углеродом

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основ­ными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах – α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения, α-железо растворяет углерода очень мало (до 0,02 % при температуре 727 °С).

Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом. Структура феррита показана на рис. 28, а. Феррит имеет низкую твер­дость и прочность: 80 НВ; σ_в=250 МПа (25 кгс/мм²) и высо­кую пластичность и вязкость (δ = 50 %; ψ = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м²). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластич­нее.

Рис. 28. Микроструктура: а – феррит, X 200; б – аустенит,  X 500; в – цементит (в виде сетки), X 500

В значительно больших коли­чествах растворяет углерод γ-железо (до 2,14 % при температуре 1147 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора (рис. 28, б). Аустенит пластичен δ = 40 – 50 %, а твердость его  составляет 160 – 200 НВ. 

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % С; он имеет высокую твердость (более 800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Чем больше цемен­тита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. При микроскопическом ис­следовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис. 28, б). Цементит неустойчив (метастабилен) и при определенных условиях может распадаться, выделяя свободный углерод в виде графита.