4. Конструкционные строительные низколегированные стали

Низколегированными называют стали, содержащие не более 0,22 % С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов (суммарно не более 3-5 %): до 1,8% Mn, до 1,2% Si, до 0,8% Cr и другие.

К этим сталям относятся стали 09Г2, 09ГС, 17ГС, 10Г2С1, 14Г2, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие. Это стали перлитного класса.

Эти стали обязаны обладать достаточной прочностью и пластичностью, малой склонностью к хрупким разрушениям, хорошей технологичностью (свариваемостью, способностью к гибке, правке и т. п.), а также хладостойкостью.

Так как детали строительных конструкций соединяют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому строительные стали содержат до 0,22 % С. При более высоком содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае наблюдается объемный эффект, что способствует образованию холодных трещин в зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллизации металла шва, способствует образованию горячих трещин в металле шва.

Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить до 30% металла. Введение меди, никеля или одновременно меди и фосфора уве­личивает коррозионную стойкость сталей в атмосферных условиях (стали 10ХНДГ1, 15ХСНД) и понижает порог хладноломкости.

В соответствии с ГОСТ 27772-88 строительные стали подразделяют на несколько классов прочности. Маркируют их буквой «С» и числом, выражающим значение предела текучести в мегапаскалях: С235, С285, ... , С590. В конце могут стоять буквы К, Т или Д, обозначающие:

К – отличие химического состава стали от состава стали того же класса прочности, например С345К, отличается от С345 наличием 0,8-0,15 % Аl;

Т – упрочнение проката термической обработкой (для листов из ста­лей С390, С390К, С440 используют нормализацию или улучшение, для листов из сталей С590 и С590К – только улучшение С255, С345Т).

Д – введение в сталь 0,15–0,30 % Сu для повышения сопротивления атмосферной коррозии.

Характеристика строительных сталей

Механические свойства строительных сталей зависят от толщины проката: чем больше толщина проката (начиная с 4 мм), тем меньше значение σ_В, σ_Т и KCU. Тем самым учитываются различия механических свойств из-за разных условий превращения переохлажденного аустенита.

Низколегированные строительные стали, разделяют на:

• стали с нормальной прочностью;

• стали повышенной прочности (285  σ_Т  440 МПа);

• высокопрочные стали (σ_Т ≥ 440 МПа).

Низкий порог хладноломкости (от -70 до -40 °С) этих сталей дает возможность использовать их в районах с низкими климатическими температурами (в Сибири, на Крайнем Севере), где из-за хладноломкости не применимы углеродистые стали.

Низколегированные стали содержат до 0,2 мас.% С, 2–3 % легирующих элементов (Si, Mn) и микродобавки V, Nb, Ti, Al, N.

Стали используют в основном в горячекатаном состоянии с ферритно-перлитной структурой. Особенность сталей с такой структурой состоит в том, что высокие прочностные свойства обеспечиваются на стадии производства.

По сравнению с углеродистой сталью Ст3 (сталь нормальной прочности σ_Т ≥ 234 МПа) прочность низколегирован­ных сталей выше благодаря суммарному вкладу следующих механизмов: твердорастворного упрочнения вследствие растворения в феррите Si и Мn, а также Ni, Сr, Сu; дисперсионного упрочнения в результате выделения в процессе охлаждения проката или при термической обработке частиц карбонитридов, карбидов, нитридов в сталях, содержащих малые добавки V, Ti, Nb, Al и повышенное (до 0,03 %) количество азота; зернограничного и субструктурного упрочнения благодаря получению структуры мелкозернистого феррита и образованию в нем малоугловых дислокационных границ.

Измельчение зерна является эффективным средством улучшения хладостойкости и понижения t₅₀.

Использование этих сталей вместо углеродистой Ст3 обеспечивает повышение предела текучести в 1,3–1,8 раза. Благодаря этому достигается снижение массы металлоконструкции и сокращение расхода металла на 30–50 %.

Дисперсные частицы избыточных фаз V(C, N), Nb(C, N), а также AlN упрочняют структуру низколегированных сталей не только в результате торможения дислокаций (собственный вклад), но и воздействуя на зерно-граничное упрочнение путем измельчения зерна (косвенное влияние).

Различают следующие основные группы сварных конструк­ций.

1. Сварные конструкции, работающие в особо тяжелых усло­виях и подвергающиеся воздействию дина­мических и вибрационных нагрузок (балки рабочих площадок глав­ных зданий мартеновских и конверторных цехов, элементы кон­струкции бункерных и разгрузочных эстакад, подкрановые балки и т. д.) 10Г2С1Д, 10Г2С1, 15ХСНД, 10ХСНД и термообработанная 10Г2С1.

2. Сварные конструкции, находящиеся под воздействием динамических и вибрационных нагрузок, кроме перечисленных в группе 1 (пролеты наклонных мостов доменных печей, пролетные строения и опоры транспортных галерей и т. п. 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД, 10ХСНД, 14Г2АФ, применяют высокопрочные стали 16Г2АФ, а также терми­чески упрочненные 15ХСНД, 15Г2СФ.

3. Сварные конструкции перекрытий и покрытий (фермы, ригели рам, главные балки перекрытий и т. д.) 14Г2, 14Г2АФ, 15Г2СФ и 16Г2АФ и термически упрочненными 15ХСНД и 15Г2СФ, применяют высокопроч­ные стали 12Г2СМФ.

4. Сварные конструкции, не подвергающиеся воздействию подвижных или вибрационных нагрузок (ко­лонны, стойки, опорные плиты, конструкции, поддерживающие технологическое оборудование и трубопроводы, бункера и т. п.) 16Г2АФ и термически упрочненную сталь 15Г2СФ и 12Г2СМФ и 14ГСМФР. После сварки низколегированные стали для снятия напряже­ний подвергают высокому отпуску при 630—700 °С.

ТО. Нормали­зация (или нормализация и высокого отпуска). Некоторые стали (14Г2, 17ГС, 15ХСНД) применяют после закалки и отпуска, что значительно повышает их прочность, понижает порог хладнолом­кости и склонность к старению.