17.8. Основные виды металлов, применяемых в строительстве

17.8.1. Стали

Согласно действующей классификации сталь по со­ставу делится на углеродистую и легированную. Решаю­щее влияние на механические свойства углеродистых ста­лей оказывает содержание в них углерода. При увеличе­нии содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластич­ность и ударная вязкость, а также ухудшается сваривае­мость.

Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а при­месь серы − красноломкость. Для различных марок ста­ли допустимое содержание фосфора составляет 0,04…0,09 %, а серы 0,04…0,07 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород; если его содержание превы­шает 0,03 %, он вызывает старение стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси Мn и Si в пределах 0,8…1,0 % не оказывают практически влияния на механические свой­ства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12…0,25 %. Содержание азота повышает прочность и твердость стали, но снижает пластичность.

При обозначении марок могут быть указаны:

− группы, по которым сталь поставляется (А – по меха­ническим свойствам, Б – по химическому составу, В – по механическим свойствам и дополнительному требова­нию в отношении химического состава);

− метод производ­ства (М – мартеновский, Б – бессемеровский, К – кислородно-конверторный);

− дополнительные индексы (сп – спокойная сталь, пс – полуспокойная сталь, кп – кипящая сталь).

В группе А обозначение «М» часто опу­скается, однако имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии обозначений сп, пс, кп подразумевается сталь спокойная.

Углеродистые стали обыкновенного качества применя­ются без термообработки. Углеродистую сталь обыкно­венного качества группы А изготовляют следующих ма­рок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7. По мере уве­личения номера повышается содержание углерода, а также прочность и твердость, но снижается пластич­ность и ударная вязкость. Сталь группы Б изготовляют тех же марок, что и сталь группы А, но перед маркой стали ставят букву Б (БСт0, БСт1кп). Сталь группы В изготовляют следующих марок: ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5.

Качественная конструкционная углеродистая сталь поставляется по химическому составу и механическим свойствам и выплавляется в кислородных конверторах и мартенах. Установлены следующие марки качественной конструкционной углеродистой стали: 05кп, 08кп, 08сп, 08, 10кп, 10сп, 10пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Две цифры в марках показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Инструментальные углеродистые стали содержат уг­лерода более 0,65 %. В зависимости от содержания при­месей S и Р и способа производства они делятся на каче­ственные и высококачественные, содержащие не более 0,03 % S и 0,035 % Р. Инструментальные стали могут быть качественные: У7, У8, У9, У10, У И, У12, У13; высокока­чественные, с той же маркировкой и добавлением буквы А, например, У7А, У8А и т. д. В строительстве инструментальная сталь применяется с обязательной термиче­ской обработкой (закалкой с последующим низким или средним отпуском).

Легированную сталь в зависимости от содержания леги­рующих элементов делит на:

− низколегированную сталь, с со­держанием легирующих элементов ≤ 2 %;

− легированную сталь, с содержанием легирующих элементов 2…10 %;

− высоколегированную сталь (нержавеющую), с содержанием леги­рующих элементов > 10 %.

Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали. Хром повышает твердость, уменьшает ржавление; никель создает прочность и пла­стичность, коррозионную стойкость; вольфрам увеличива­ет твердость и красностойкость; ванадий повышает плот­ность, прочность, сопротивление удару, истиранию; ко­бальт повышает жаропрочность, магнитопроницаемость; молибден увеличивает красностойкость, прочность, сопро­тивление окислению при высоких температурах; марга­нец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок; титан повышает прочность, сопротивление коррозии; алю­миний повышает окалиностойкость; ниобий повышает кислотостойкость; медь уменьшает коррозию. В сталь вводят также бор, селен, азот, цирконий. В легированной стали может находиться одновременно несколько леги­рующих элементов.

В маркировке легированной стали приняты следую­щие буквенные обозначения легирующих элементов: X – хром, Н – никель, А – азот, В – вольфрам, Е – селен, Г – марганец, Д – медь, Б – ниобий, Р – бор, П – фосфор, Ю – алюминий, М – молибден, К – кобальт, Ц – цирконий, Ф – ванадий. Эти буквы в сочетании с цифрами образуют марку стали.

Сочетание букв и цифр дает характеристику легиро­ванной стали. Если впереди марки стоят две цифры, они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Одна цифра в начале марки означает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если в начале марки нет цифры, то количество углерода состав­ляет 1 % и выше. Цифры, следующие за буквами, пока­зывают среднее содержание данного элемента в процен­тах. Если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного элемента около 1 %. Буква А в конце марки обо­значает высококачественную сталь, содержащую мень­ше серы и фосфора. Например, 12Х2Н4А – это легиро­ванная сталь, высококачественная, с содержанием угле­рода 0,12 %, хрома 2 %, никеля 4 %; Г13 – легирован­ная сталь с содержанием углерода 1 % и более, марган­ца 13 %.

Низколегированная сталь обладает меньшей чувстви­тельностью к старению и меньшей склонностью к хладно­ломкости. Критическая температура перехода в хрупкое состояние низколегированной стали лежит ниже – 40 °С, а отдельных марок стали ниже – 60 °С. Низколегирован­ная сталь хорошо сваривается. Для сварных соединений не требуется ни предварительного подогрева, ни после­дующей термической обработки для снятия напряжений. Коррозионная стойкость в атмосферных условиях и дру­гих средах в 1,5 раза выше, чем углеродистой стали мар­ки СтЗ.

К легированным сталям с особыми физическими и хи­мическими свойствами относятся жаростойкие, жаропроч­ные, коррозионностойкие, износоустойчивые и магнитные стали:

а) жаростойкие (окалиностойкие) стали способны сопротивляться химическому разруше­нию (окислению) в газовых средах при температуре вы­ше 550 °С. Для повышения окалиностойкости стали леги­руют элементами, которые изменяют состав и строение окалины, образуя тонкие защитные пленки;

б) жаропрочные стали способны противо­стоять механическим нагрузкам при высоких температу­рах. В настоящее время жаропрочность материала оце­нивается пределом ползучести (напряжением, вызываю­щим заданную скорость деформации при данной температуре) и длительной прочностью (способностью материала сопротивляться напряжению, вызывающему разрушение при определенной температуре за определен­ный промежуток времени). Для снижения пластических деформаций в материале, сопровождающих его ползу­честь, в сплав вводят хром, никель, молибден и другие ле­гирующие элементы;

в) коррозионностойкими называются стали, которые со­противляются разрушению под воздействием внешней аг­рессивной среды. К коррозионностойким сплавам отно­сятся хромистые нержавеющие (Х13, Х17), хромонике-левые нержавеющие (Х14Г4Н, Х18Н9) стали. Например, введение 12 % хрома делает сталь коррозионностойкой в атмосфере и промышленных средах, а при введении 25 % хрома сталь не ржавеет на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей. Коррозионностойкие стали ши­роко используются для изготовления строительных конст­рукций и изделий, работающих в агрессивных средах (грунтовых водах, газах, морской воде и др.).

В строительстве наиболее широко используют низко­углеродистые и низколегированные стали. Они применя­ются для изготовления металлических конструкций мостов, опор, транспортных галерей, подкрановых балок, мостовых кранов, шпунтовых свай, для армирования же­лезобетонных конструкций и др. Строительные стали при­меняют в горячекатаном состоянии и после термической обработки, включающей одно- или двукратную закалку в воде с последующим высокотемпературным отпуском. Наиболее эффективна термическая обработка строитель­ных низколегированных сталей. Для низкоуглеродистых нелегированных сталей она повышает предел прочности на 20…25 %, что снижает расход стали на металлические конструкции до 18 %. Строительные стали поставляют в ви­де прутков, профилей, листов и широких полос.