2.6. Низколегированные строительные стали. Арматурные стали

К низколегированным строительным сталям относятся низкоуглеродистые свариваемые стали, содержащие недорогие и недефицитные легирующие элементы (обычно до 2,5 %) и обладающей повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углеродистыми сталями.

Применение низколегированных сталей в строительстве вместо углеродистых позволяет уменьшить массу строительных конструкций, получить значительную экономию металла (до 50 – 80 %), повысить надежность конструкций, особенно уменьшить их склонность к хрупким разрушениям, а так же решить целый ряд других задач. Производство низколегированных строительных сталей особенно сильно возросло в послевоенные годы (с 1955 по 1970 г.). В настоящее время оно достигает 15 % от общего производства стали. При этом более половины производства низколегированной стали используют в капитальном строительстве, другую часть потребляют на изготовление труб центральных газопроводов, металлоконструкций машин и механизмов, в судостроении и других отраслях народного хозяйства.

К низколегированным строительным сталям предъявляется комплекс различных требований. Главными из них являются повышенная и высокая прочность (основной показатель – предел текучести) и малая склонность к хрупким разрушениям (низкий порог хладноломкости). Эти стали также должны иметь хорошую свариваемость, обрабатываемость резанием, формоизменяемость и т.п. Поскольку легированная сталь дороже углеродистой, то экономия от применения низколегированных сталей вследствие повышения прочности должна перекрывать дополнительные затраты на производство и обработку.

Как правило, прокат из низколегированных сталей используется потребителем в состоянии поставки, а при изготовлении металлоконструкций он подвергается лишь резке, гибке и сварке. Поэтому необходимые требования к стали достигаются в процессе металлургического производства, а именно: изменением химического состава стали, технологии выплавки и прокатки, а в ряде случаев и режима термической обработки проката. Во многих случаях низколегированные стали не подвергают упрочняющей специальной термической обработке, а поставляют горячекатаными (иногда нормализованными).

К строительным относятся конструкционные стали применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, таких как, мостов, газо- и нефтепроводов, котлов, а также для арматуры железобетона. Капитальное строительство является вторым по масштабам после машиностроения потребителем стали. Строительные стали применяют для изготовления металлоконструкций зданий, сооружений, мостов, кранов, вагонов, машин, эстакад, бункеров, резервуаров и т.п. Эти стали должны иметь определенное сочетание прочных и пластических свойств, высокую вязкость, коррозионную стойкость, малую склонность к хрупким разрушениям, а также обладать хорошими технологическими свойствами:

• свариваемостью,

• обрабатываемостью резанием,

• способностью к гибки, правки и т.д.

Строительные стали для металлических конструкций подразделяют по категориям прочности на 7 классов.

Каждый класс прочности характеризуется минимально гарантированными значениями временного сопротивления разрыву (числитель) и предела текучести (знаменатель): к классу прочности С380/230 относятся стали нормальной прочности, к классам С460/330 и С520/400 принято относить строительные стали повышенной прочности, а к классам С600/450, и С700/600 и С850/750 – стали высокой прочности. Арматурные строительные стали в зависимости от механических свойств делят на классы А-I до А-VII.

Временное сопротивление при растяжении и предел текучести являются основными расчетными характеристиками при проектировании металлоконструкций и сооружений.

От их значений зависит сечение элементов конструкций, а следовательно, их масса. На сколько значительна экономия металла от повышения прочности строительной стали, хорошо видно на примере замены углеродистой стали в строительных металлических конструкциях на низколегированные стали более высокой прочности (рис. 2.6.).

Не менее важным критерием, определяющим эксплуатационную надежность строительных конструкций, является их склонность к хрупким разрушениям, наиболее часто характеризуемая температурой перехода из вязкого в хрупкое состояние (порогом хладноломкости). Этот критерий определяет не только надежность конструкции при эксплуатации в условиях отрицательных климатических температур, но он также показывает запас вязкости конструкции, работающей при комнатной и близкой к ней температурам. По хладостойкости строительные стали делят на стали без гарантированной хладостойкости, стали хладостойкие до -40°С и стали для металлоконструкций, эксплуатируемых ниже -40°С (стали «северного исполнения»).

Рис. 2.6. Теоретическое снижение массы стальных металлоконструкций из-за повышения предела текучести стали: 1 – пролетные строения, 2 – растянутые элементы конструкций, 3 – поперечники промышленных зданий

Свариваемость – одно из главных технологических требований, предъявляемых к строительным сталям, так как большинство металлоконструкций являются сварными.

Одним из важнейших технологических показателей свариваемости является углеродный эквивалент , где содержание соответствующих элементов выражено в % (по массе).

Углеродный эквивалент строительных сталей обычно не должен превышать 0,45-0,48%. Поэтому предельное содержание углерода в низколегированных строительных сталях обычно не превышает 0,18% и устанавливается тем ниже, чем более легирована сталь.

Из-за больших объемов потребления строительная сталь должна быть дешевой и не содержать в своем составе дорогих и дефицитных элементов.

В табл. 2.2. приведен состав наиболее распространенных строительных сталей.

Таблица 2.2

Состав строительных (низколегированных) сталей

Группа стали	Марка стали	Химический состав, %
		C	Si	Mn	Nb, V	N
Углеродистые горячекатаные	Ст3	0,2	0,2	0,5	—	—
	Ст3пс	0,2	0,1	0,5	—	—
	Ст3кп	0,2	0,05	0,5	—	—
Низколегированные
Горячекатанные	17ГС	0,2	0,5	1,2	—	—
Нормализованные	17ГС	0,2	0,5	1,2	—	—
	16Г2АФ	0,18	0,5	1,5	0,1V	0,01
Термически упрочненные	17ГС	0,2	0,5	1,2	—	—
После контролируемой прокатки	17ГСБ	0,18	0,5	1,2	0,04Nb	0,01
	08Г2СФБ	0,08	0,4	1,4	0,03V	0,007

Ст1, Ст2, Ст3 – простые углеродистые строительные стали, из которых наиболее широко применяется сталь Ст3. Для сварных конструкций следует поставлять сталь по требованиям группы В, а для несварных конструкций – по группе А. Из полученных тремя способами раскисления сталей (спокойная, полуспокойная и кипящая) более надежная сталь спокойная, имеющая более низкий порог хладноломкости.

Арматурная сталь в виде стержней, гладких и периодического профиля, применяется для армирования железобетонных конструкций. Последние бывают ненапряженными и предварительно напряженными. Арматурные стержни в предварительно напряженной железобетонной конструкции работают на растяжение и испытывают большие нагрузки. В зависимости от напряжений применяют сталь разных классов прочности.

В таблице 2.3 приведены гарантируемые механические свойства для семи классов арматурных сталей и рекомендуемые в каждом классе стали и их обработка, а в таблице 2.4 приведен химический состав наиболее распространенных арматурных сталей.

Стали классов АI, АII и АIII используют для ненапряженных конструкций, а более высокопрочные стали классов АIV и выше применяют для армирования предварительно напряженного железобетона. Горячекатаные стали удовлетворяют требованиям классов от АI до АV. По мере увеличения класса прочности возрастает степень легирования сталей.

Таблица 2.3

Механические свойства (не менее) некоторых арматурных сталей

Класс стали	σВ	σТ	δ5	δр	Испытание на изгиб в холодном состоянии		Рекомендуемая сталь
	МПа		%		град	Диаметр оправки (d – диаметр стержня)	Горячекатаное состояние	Термомеханически и термически упрочненное состояние
А – I	380	240	25	—	180	0,5d	ВСт3сп; ВСт3пс; ВСт3кп; Ст3сп; Ст3пс; Ст3кп	—
А – II	500	300	19	—	180	3d	ВСт3сп; ВСт3пс; 18Г2С; 10ГТ	—
А – III	600 (600)	400 (450)	14 (14)	—	90 (90)	3d (3d)	35ГС; 25Г2С	БСт5сп; БСт5пс;
А – IV	900 (800)	600 (600)	6 (9)	2 (2)	45 (45)	5d (5d)	80С; 20Х2ГЦ	25Г2С; 10Г2С; 20ХГС2; 08Г2С
А – V	1050 (1000)	800 (800)	7 (7)	2 (2)	45 (45)	5d (5d)	23Х2Г2Т	20ГС; 10Г2С; 20ГС2; 08Г2С; 20ХГС2
А – VI	(1200)	(1000)	(6)	(2)	(45)	(5d)	—	20ГС; 20ГС2; 20ХГС2
А – VII	(1400)	(1200)	(5)	(1,5)	(45)	(5d)	—	20ГС2; 20ХГС2; 23Х2Г2Т
Примечание: В скобках указаны гарантируемые свойства в термомеханически и термически упрочненном сосояниях, без скобок – в горячекатаном состоянии.

На металлургических заводах в процессе производства стали широко применяется термическое упрочнение арматуры. Технология термоупрочнения подобна технологии термоупрочнения с прокатного нагрева сталей для строительных металлоконструкций. Термическое упрочнение стержневой арматуры проводят на выходе стержня из прокатной клети. На специальных устройствах осуществляется прерванное охлаждение, обеспечивающее самоотпуск стали. Применяемая технология позволяет использовать эффект высокотемпературной термомеханической обработки. В результате термоупрочнения получается мелкозернистая структура с дисперсной феррито-карбидной смесью, что обеспечивает требуемую прочность в сочетании с высокими характеристиками пластичности (в том числе равномерного удлинения). Термическое упрочнение позволяет повысить на один – два класса прочности уровень свойств определенной стали по сравнению с горячекатаным состоянием, что обеспечивает экономию легирующих элементов и снижение себестоимости арматуры. Благодаря термическому упрочнению были созданы арматурные стали классов АVI и АVII. Высокопрочная арматурная сталь может подвергаться коррозионному растрескиванию под напряжением. Для повышения сопротивления этому явлению применяют индукционный нагрев для получения высокоотпущенного состояния в поверхностных слоях арматурных стержней, а также используют стали с высокой устойчивостью против коррозионного растрескивания в высокопрочном состоянии (20ХГСА).

Таблица 2.4.

Химический состав арматурных сталей

Сталь	C, %	Mn, %	Si, %
25Г2С	0,20 – 0,29	1,2 – 1,6	0,6 – 0,9
35ГС	0,30 – 0,37	0,8 – 1,2	0,6 – 0,9
20ХГ2Ц	0,19 – 0,26	1,5 – 1,9	0,4 – 0,7
80С	0,74 – 0,72	0,5 – 0,8	0,6 – 1,0
45С	0,40 – 0,48	0,5 – 0,8	1,0 – 1,3

Термическое упрочнение арматурной стали позволяет получить экономию металла в среднем на 22 %.