Параметр по которому оценивается качество стали?

Основные характеристики, свойства и классификация стали

Основные параметры

От других материалов сталь отличается своими параметрами: плотностью, удельной тепловой ёмкостью, температурой плавления, показателями линейного теплового расширения и другими. Среди основных характеристик стали следует выделить:

1. Плотность: от 7,6 до 7,8 г/см³.
2. Удельная тепловая ёмкость при температуре 20 °C: 462 Дж.
3. Температура плавления стали: 1400—1500° Цельсия.
4. Удельная масса: 75500—77500 Н/м³.
5. Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг.
6. Показатель линейного теплового расширения (нержавеющей): 11,0 * 10 − 6 / °C.
7. Коэффициент тепловой проводимости при t = 100° Цельсия (хромоникельвольфрамовой: 15,5; дюралюминиевой: 56,3 Вт/(м·К).
8. Лимит прочности при растяжении и сопротивлении (для конструкций: 373−412 мПа; кремнехромомарганцовистой: 1,52 ГПа).
9. Модуль упругости стали (или модуль Юнга): 200 тысяч (Е, мПа). В таблице упругости некоторых веществ приводится также значение, равное 2 039 400 (Е, кгс/см²).
10. Коэффициент Пуассона: 0,3 единицы.

Качества стали меняются с помощью различных типов обработки: термической, термомеханической, химико-термической. При обрабатывании с целью получить требуемую структуру пользуются полиморфическим свойством — возможностью кристаллической решётки изменять строение при нагревании и охлаждении. Производя закаливание с дальнейшим нагреванием (отпуском), можно добиться получения оптимальной формулы, сочетающей пластичность, твёрдость и плотность стали.

Преимущества и недостатки

Стали сочетают большую жёсткость с высокой прочностью. На эти характеристики можно влиять в большом диапазоне с помощью варьирования концентрации углерода, легирующих добавок и технологических процессов (химико-термической и термической обработки).

К основным достоинствам стали можно отнести следующие характеристики:

• высокая твёрдость и прочность;
• множество различных свойств, которые обуславливаются разным составом и способами обрабатывания;
• упругость и вязкость;
• очень высокая износоустойчивость;
• большое распространение сырья и выгодный с экономической точки зрения способ изготовления, что приводит к невысокой цене сплавов.

У стали и продукции, изготовленной из нее, имеются и недостатки. Их меньше, чем достоинств, но все же знать о них необходимо:

• отсутствие временной устойчивости к коррозии (за исключением нержавейки);
• способность накапливать электрическую энергию;
• большой вес;
• многоэтапность изготовления обыкновенных изделий.

Стоит иметь в виду, что сталь — довольно сложный в обработке материал, поэтому для производства продукции из нее необходимы дорогостоящие станки и приспособления.

Классификация и виды

Сталь классифицируется по химическому составу, по содержанию добавок, по способу изготовления, по уровню раскисления и по другим группам.

По химическому составу она бывает углеродистая и легированная. В углеродистой, помимо углерода и железа, присутствует кремний (до 0,3%) и марганец (до 1,1%).

Для придания особенных качеств в сплав вводят легирующие добавления (обычно металлы): хром, алюминий, титан, азот, фосфор, кремний, углерод, бор и др.

Низкоуглеродистые высококачественные конструкционные стали по определению имеют небольшую прочность и высокую пластичность.

Среднеуглеродистые высококачественные (Ст 30−55) применяются после поверхностного закаливания и нормализации для создания деталей, имеющих высокую прочность сердцевины. Ст 60 — Ст 85 имеют большую прочность, износоустойчивость, свойства упругости.

Высококачественная отличается сложным химсоставом с уменьшенной долей фосфора и серы. Сталь обычного качества (доля углерода меньше 0,6%) обозначается Ст 1−6. Символы «Ст» указывают на материал обычного качества, а цифры − номер маркировки исходя из свойств.

В качественной стали доля углерода приводится в сотых процента, добавочно могут указываться характер затвердения и уровень раскисления. Она характеризуется высоким уровнем свариваемости и большой пластичностью.

По уровню раскисления подразделяется на следующие виды:

1. Спокойную (Ст3сп) — проходит полное раскисление с минимумом содержащихся в ней примесей и шлаков.
2. Полуспокойную (Ст3пс) — полученную при раскислении жидкого металла, менее полном, чем при выплавливании спокойной, но большем, чем при изготовлении кипящей.
3. Кипящую (08кп) — неокисленная с большим содержанием включений неметаллов.

По области применения сталь бывает строительной, инструментальной, конструкционной и легированной.

Строительная имеет прекрасную свариваемость. Цифра показывает условный номер состава по ГОСТ. Чем он выше, тем прочнее сплав (например, чугун) и тем меньше его пластичность.

Легированная — универсальная, которая содержит специальные примеси. В ней кремния больше 0,6%, марганца — 0,9%. Если содержание легирующего компонента выше 1,5%, то оно записывается цифрой, следующей за определённой буквой:

1. Низколегированная — легирующих составляющих до 2,4% (09Г2С, 18ХГТ, 10ХСНД). Отличается большой прочностью благодаря повышенному лимиту вязкости, что крайне необходимо для конструкций большой ответственности.
2. Среднелегированная (от 2,4 до 10%).
3. Высоколегированная (от 10 до 50%).

Сталь 09Г2С используется для парового оборудования, работающего под температурой от -70 до +450°C и давлением, а также для ответственных сварных листовых конструкций в нефте- и химмашиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД применяют для сварных конструкций химмашиностроения, профилей в вагоностроении, судовом строении. 18ХГТ используется для элементов, которые функционируют на больших скоростях, нагрузках и давлении.

Сталь специального назначения — сплав с особенными физическими качествами. Используется в электротехнической отрасли и точном судовом строении.

По нормируемым параметрам делится на категории: от 1 до 5. Ими обозначают химсостав, предельную вязкость, механические качества при растяжении. К примеру, категория 1 — химсостав не нормируем, категория 3 — имеет нормируемую максимальную вязкость при t = +20°C. Для Ст0 не нормируют ни химсостав, ни ударную текучесть.

Марки стали

Конструкционные сплавы, характеризующиеся обычным качеством и не содержащие легирующие добавки, обозначают символами «Ст». По цифре, следующей за буквами в наименовании марки, устанавливается объём в данном сплаве углерода (приводится в десятых долях). За цифрами могут следовать символы «КП»: по ним определяют, что над конкретным сплавом не полностью был проведён в печи раскислительный процесс, а следовательно, сталь относится к кипящей. Если в наименовании марки отсутствуют такие буквы, то стальной сплав принадлежит к спокойному.

Конструкционная высококачественная нелегированная сталь содержит в своём наименовании 2 цифры, устанавливающие усреднённое содержание в ней углерода (исчисляемая в сотых долях).

В маркировке легированных сплавов возможно указание следующих символов в виде букв: Х, С, Т, Д, В, Г, Ф, Р и других.

В начале наименования таких марок указываются цифры (одна либо две), определяющие содержащийся в сплаве объём углерода. Если цифры отсутствуют, значит, углерода содержится в подобных сплавах не выше 1%.

Символы, идущие за первыми цифрами наименования марки, раскрывают состав конкретного сплава. За буквами, приводящими сведения об определённом компоненте в составе сплава, могут следовать цифры. Если цифра стоит, то по ней устанавливается (в целых процентах) усреднённое содержание обозначенного буквой компонента, а если она отсутствует, то содержание подобного элемента находится в диапазоне от 1 до 1,5%.

В окончании маркировки некоторых типов сталей может идти буква «А». Это свидетельствует о том, что сплав является высококачественным. К этим маркам относятся стали с легирующими включениями и углеродистые. В эту категорию входят стали, в которых содержание фосфора и серы не превышает 0,03%.

Качество стали

1. Качество стали определяется содержанием вредных примесей..

Основные вредные примеси — это сера и фосфор. Так же к вредным примесям относятся газы (азот, кислород, водород) .

Сера — вредная примесь — попадает в сталь главным образом с исходным сырьём — чугуном. сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS — сульфид железа. при взаимодействием с железом образуется эвтектика (Fe + FeS) с температурой плавления 9880 С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 9000 С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение Mns плавится при 16200 С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Содержание серы в сталях допускается не более 0.06%.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, используемым также для выплавки стали. До 1.2% фосфор растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образоваться участки, богатые фосфором.

Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние (хладноломкость) . Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0.050%.

Скрытые примеси: Так называют присутствующие в стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавки. В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды) . Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается 10-2 — 10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

Углеродистые инструментальные стали бывают двух видов: качественные и высококачественные.

Качественные углеродистые инструментальные стали маркируют буквой «У» (углеродистая) ; следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Высококачественные стали дополнительно маркируются буквой «А» в конце (У10А) .

Инструментальные углеродистые стали: Обладают высокой твёрдостью (60-65 HRC) , прочностью и износостойкостью и применяются для изготовления различного инструмента.

Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А) , У10 (У10А) , У11 (У11А) , У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, свёрла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13) , у которых после термической обработки структура мартенсит и карбиды.

Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвёртки, топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обработки трооститную структуру.

Углеродистые стали в исходном (отожжённом) состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость (HB 170-180) и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10-У13 должна быть 760-780 0 С, т.е. несколько выше Ас1, но ниже Аст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворбные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из сталей У10-У12 для уменьшения деформаций охлаждают в горячих средах (ступенчатая закалка) .

Отпуск проводят при 150-1700 С для сохранения высокой твёрдости (62-63 HRC) .

Сталь У7 закаливают с нагревом выше точки Ас3 (800-8200 С) и подвергают отпуску при 275-325 0 С (48-58 HRC) .

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резанья материалов с малой скоростью, так как их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше 190-200 0 С.

2. Диаграмма состояния железо-карбид железа.

Стали, содержащие от 0,8 до 2.14 % С, называют заэвтектоидными.

В начале нагревания заэвтектоидный сплав имеет структуру перлита и вторичного цементита.

При повышении температуры до 7270 С сплав просто нагревается. В т. 1 происходит эвтектоидное превращение, перлит превращается в аустенит. От точки 1 до точки 2 сплавы имеют структуру аустенит + вторичный цементит. По мере приближения к точки 2 концентрация углерода в аустените увеличивается согласно линии SE.

При температурах, соответствующих линии SE (т. 2) , аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при повышении температуры сплав имеет структуру только аустенита. До точки 3 в сплаве не происходит никаких изменений, просто увеличивается температура.

При повышении температуры в точки 3 твёрдый аустенит начинает плавиться. Структура становится жидкость+аустенит. До точки 4 сплав продолжает плавиться.

В точке 4 под влиянием высокой температуры весь аустенит расплавляется. Структура становится — жидкость.

3. При нагреве выше температуры 7270 С число зародышей всегда достаточно велико и начальное зерно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагрева, тем меньше зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость их роста.

При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллизация и зерно увеличивается. Рост зерна, образовавшегося при нагреве до данной температуры, естественно, не изменяется при последующим охлаждении.

Способность зерна аустенита к росту зерна неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.

По склонности к росту зерна разливают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких температур (1000-10500 С) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше 7270 С. Различная склонность к росту зерна определяется условиями раскисления стали и её составом.

Чем меньше зерно, тем выше прочность (sв, sт, s-1) , пластичность (d, y) и вязкость (KCU, KCT) , ниже порог хладноломкости (t50) и меньше склонность к хрупкому разрушению. Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог хладноломкости.

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие (нитридообразующие) задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ti, V, Nb, Zr, Al, и N, образующие трудно растворимые в аустените карбиды (нитриды) , которые служат барьером для роста зерна. Чем больше объёмная доля карбидов (нитридов) и выше их дисперсность (меньше размер) , тем мельче зерно аустенита. Одновременно нерастворимые карбиды (натриды) оказывают зародышное влияние на образование новых зёрен аустенита, что также приводит к получению более мелкого зерна. Марганец и фосфор способствуют росту зерна аустенита.

Все методы, вызывающие измельчение зерна аустенита, — микролегирование (V, Ti, Nb и др.) , высокие скорости нагрева и др. — повышают конструкционную прочность стали.

Крупное зерно стремятся получить только в электротехнических (трансформаторных) сталях, чтобы улучшить их магнитные свойства.

Ошибка в тексте? Выдели её мышкой и нажми

Остались рефераты, курсовые, презентации? Поделись с нами — загрузи их здесь!

Сталь: свойства, маркировка, ГОСТ и типы стали

Сталь, как один из самых распространенных металлов, на сегодняшний день получила наиболее широкое применение. Обработка и резка этого материла – задача, которая может решаться с использованием самого разного инструмента и технологий. Свойства стали позволяют производить точно и на высокой скорости, обработку с помощью следующих типов обработки:

В зависимости от марки стали и требуемых результатов, используют наиболее подходящую технологию обработки металла.

Свойства стали

Среди этих направлений:

• химические свойства стали;
• технологические;
• механические свойства стали;
• магнитные свойства стали.

Теперь о каждом подробнее.

Химические свойства стали

• Окисляемость. Это определение способности соединяться с кислородом. Окисляемость усиливается с повышением температуры металла. Стали с низким содержанием углерода окисляются с образованием ржавчины (оксидов железа) под действием воды или влажного воздуха;
• Коррозионная стойкость. Соответственно обозначает, что вещество не вступает в химические реакции и не окисляется. Однако важно отметить, что данное свойство есть далеко не у всех сплавов стали и присуще больше исключительным ее маркам;
• Жаростойкость. Жаростойкость характеризует способность материала не окисляться под воздействием высокой температуры и не образовывать окалины;
• Жаропрочность. Уровень жаропрочности определяет способность сплава сохранять свои прочностные характеристики при высокой температуре. Соответственно это дает возможность использовать сталь при создании деталей и механизмов, подвергаемых температурным нагрузкам.

Технологические свойства стали

Технологические свойства стали отражают способность металла или сплава подвергаться различным видам обработки. К ним относятся:

• Обрабатываемость резанием. Все стали довольно хорошо обрабатываются резанием как вручную (слесарной ножовкой, зубилом, напильником), так и на станках (сверление, точение, фрезерование).
• Ковкость. Это свойство учитывают при прокатке, ковке и штамповке. Достаточно хорошей ковкостью сталь обладает в нагретом состоянии.
• Свариваемость. Этот технологический процесс применим для всех типов сталей.
• Жидкотекучесть. Это свойство имеет важное значение для получения полуфабрикатов — отливок, имеющих форму готовой детали и требующих лишь незначительной дальнейшей обработки резанием.
• Прокаливаемость. Прокаливаемость зависит от размеров деталей и изделий, а также от химического состава сталей. Для увеличения прокаливаемости в сталь добавляют легирующие компоненты: хром, вольфрам.
• Износостойкость. Для повышения износостойкости трущиеся детали (зубья шестерен) подвергают термической обработке (закалке) и химико-термической обработке (цементации, азотированию). С этой же целью в сталь добавляют легирующие элементы: марганец, кремний.
• Коррозионная стойкость. Для увеличения этой стойкости в сталь добавляют никель, хром и титан, получая так называемые нержавеющие стали.

Механические свойства стали

• Прочность. Способность металла выдерживать значительную внешнюю нагрузку. Показатель характеризуется пределом текучести и прочности.
  • Предел прочности. Максимальное механическое напряжение, при превышении которого сталь разрушается.
  • Предел текучести. Данный параметр показывает механическое напряжение, при превышении которого материал продолжает удлиняться в условиях отсутствия нагрузки.
• Пластичность. Способность изменять свою форму под действием нагрузки и сохранять ее при отсутствии воздействия. Количественно оценивается относительным удлинением при растяжении и углом загиба;
• Ударная вязкость. Способность металла сопротивляться динамическим нагрузкам. Количественно эта характеристика оценивается работой, которая требуется для разрушения образца, отнесенной к площади его поперечного сечения;
• Твердость. Способность сопротивляться попаданию в него твердых тел. Количественно характеризуется нагрузкой, отнесенной к площади отпечатка при вдавливании алмазной пирамиды (метод Виккерса) или стального шарика (метод Бринелля).

Магнитные свойства стали

Как известно, практически все стали (кроме некоторых нержавеек) магнитятся.

Стоит сразу сказать, что на самом деле нержавейка магнититься.

Не вся, но все же магнитится. Однозначного утверждения не существует, поскольку магнитные свойства сплавов определяются свойствами их структурных составляющих. Поэтому один сорт нержавейки может успешно ловить магнит, а другой абсолютно к нему равнодушен. Итак, как это работает.

Все дело в структурном составе.

Мартенсит, с точки зрения магнитных свойств, является чистым ферромагнетиком.

Феррит может иметь две модификации. При температурах, которые находятся ниже точки Кюри, он, как и мартенсит, ферромагнетик. Высокотемпературный дельта-феррит – парамагнетик.

Таким образом, коррозионностойкие стали, структура которых состоит из мартенсита, – это магнитная нержавейка. Эти сплавы реагируют на магнит, как обычная углеродистая сталь. А ферритные или феррито-мартенситные стали могут иметь различные свойства, зависящие от соотношения фазовых составляющих, но, чаще всего, и они ферромагнитны.

В результате к магнитным относят хромистые и некоторые хромникелевые сплавы нержавейки.

К немагнитным сплавам относятся хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали.

Определить, что перед вами действительно нержавейка достаточно просто. Нужно зачистить поверхность до блеска и нанести и растереть две-три капли концентрированного раствора медного купороса. Если проступило медное покрытие (купорос стал медным напылением) — значит это не нержавейка. Если же нет никаких воздействий и изменений — перед вами самая что ни на есть настоящая нержавеющая сталь.

Важно отметить, что в домашних условиях невозможно определить является ли нержавейка пищевой.

Поэтому не стоит использовать не проверенные металлы для изделий кухонной принадлежности.

Еще немного о свойствах сталей

Широкое использование металла обусловлено рядом выгодных характеристик. Среди них следующие свойства стали:

• Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C));
• Плотность: 7700—7900 кг/м³;
• Температура плавления: 1450—1520 °C;
• Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС);
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг);
• Коэффициент теплопроводности изменяется в зависимости от типа стали и примесей в ее составе, может варьироваться от 15,5 Вт/(м·К) до 54,4 Вт/(м·К);
• Коэффициент теплового линейного расширения находится в пределах 11,9 · 10 -6 1/ 0 С до 11,0 10 -6 1/ 0 С и зависит от марки и дополнительных компонентов сплава.

Предел прочности определяется для каждого типа сталей в отдельности и имеет следующие показатели, приведенные ниже:

• Конструкционная 373—412 Мпа;
• Кремнехромомарганцовистая, используется в производстве инструментов 1,52 Гпа;
• Углеродистая машиностроительная 314—785 Мпа;
• Рельсовая 690—785 МПа.

Свойства материала изменяются также в зависимости от содержания углерода. Существуют следующие типы стали:

• низкоуглеродистые (менее 0,25% углерода);
• среднеуглеродистые (0,3 – 0,55% углерода);
• высокоуглеродистые (0,6 – 2% углерода).

Для более широкого применения стали, производится легирование – добавление в расплав стали металлов, которые изменяют свойства сплава (увеличивается механическая прочность, электропроводность, устойчивость к коррозии, а также магнетические и теплопроводные показатели). В качестве легирующих металлов используются молибден, алюминий, хром, никель и ряд других. Различаются следующие типы стали легированной:

• Низколегированные – включения легирующих металлов не более 4%;
• Среднелегированные – легирующие металлы составляют не больше 11% включений;
• Высоколегированные – более 11%.

Марки стали

Маркировка стали по ГОСТ производится путем буквенного обозначения. Благодаря упорядоченности правил обозначения, знать и читать маркировки сталей по таким обозначениям не сложное дело. Существует ряд следующих установленных обозначений, которые использует маркировка стали по ГОСТ:

• Н – никель;
• М – молибден;
• Т – титан;
• Х – хром;
• К – кобальт;
• В – вольфрам;
• Т – титан;
• Д – медь;
• Г – марганец;
• С – кремний;
• Ф – ванадий;
• Р – бор;
• А – азот;
• Б – ниобий;
• Е – селен;
• Ц – цирконий;
• Ю – алюминий;
• Ч – означает наличие редкоземельных металлов.

Для обозначения различных типов в зависимости от состава и предназначения стали, применяется следующий ряд буквенных обозначений:

• ПС – полуспокойная;
• КП – кипящая;
• СП – спокойная.

Соответственно видя упомянутые обозначения в маркировке сплава, можно определить его состав и понять какой именно материал находится перед нами.

Хорошим подспорьем будет таблица маркировки стали

Вы не правы. Могу отстоять свою позицию. Пишите мне в ответе.

Определение качества стали конструкций

При натурных обследованиях важным является определение качества стали конструкций, проводимое путем механических испытаний образцов, химического и металлографического их анализа. Испытание материалов стальных конструкций производится:

при отсутствии сертификатов или недостаточности имею­щихся в них данных;
при обнаружении в элементах конструкций повреждений, особенно в виде трещин;
если установленная по сертификатам и чертежам марка стали не соответствует требованиям современных норм. При лабораторных испытаниях, как правило, определяют сле­дующие показатели: механические свойства, пределы пропорциональности, упру­гости, текучести, временное сопротивление, истинное сопротив­ление разрыву, относительное удлинение и относительное сужение после разрыва. Для конструкций, работающих на динамические нагрузки, обязательно проводят исследование ударной вязкости стали. Ударную вязкость определяют при температурах +20, -20, -40, -70 °С. Температуру испытания устанавливают в зависимости от требований нормативных документов для конструкций данного вида и климатического региона.

Отбор образцов для механических испытаний производится с ненагруженных или малонапряженных участков конструкций путем выпиливания металлорежущим инструментом или выре­зания автогеном. При этом должны быть обеспечены припуски, предохраняющие образец от влияния нагрева и наклепа. Отбор заготовок для механических испытаний производится отдельно для каждой партии. К одной партии принадлежат эле­менты одного вида проката (лист, уголок, двутавры и т.д.) оди­наковые по номерам, толщинам, маркам стали и входящие в состав однотипных конструкций (ферм, подкрановых балок, колонн и т.д.), одного периода поставки для изготовления. Количество проб и образцов на каждую партию должно быть: при испытании на растяжение и на ударную вязкость — не ме­нее 3 из каждого элемента; количество образцов из одного ме­талла не менее 2 и от всей партии не менее 6.

Отбор образцов производят: для листовой стали — поперек направления проката, сортовой и фасонной — вдоль направле­ния проката. Химическим анализом определяют химический состав стали, металлографическим — структуру стали, наличие и характер вклю­чений. Химические и металлографические анализы производятся специализированными лабораториями. На основании проведенных лабораторных испытаний стали определяют ее марку в соответствии с требованиями соответствую­щих нормативных документов. Отбор образцов для химического анализа производится выс­верливанием. Поверхность металла перед отбором образцов за­чищается до металлического блеска. Сверление производят в нескольких местах одного профиля, при этом режим сверления должен быть таким, чтобы стружка не имела цветов побежалос­ти. Общий вес стружки для химического анализа должен состав­лять 50—100 г.

Отбор образцов для металлографического анализа производится путем выпиливания с участков конструкций, где имеется опас­ность питтинговой коррозии, усталостных разрушений, изменений структуры металла. При этом должны соблюдаться меры по пре­дотвращению нарушения структуры стали. При выпиливании минимальные размеры заготовок для из­готовления плоских образцов из проката толщиной 8—10 мм со­ставляют: длина 205—220 мм, ширина 30—35 мм. Допускается вырезание заготовок длиной 60—70 мм и шириной 12-15 мм, из которых изготавливаются цилиндрические образцы с d0 =10 мм. В случае вырезания образцов автогеном со стороны линий сре­за должны оставаться припуски не менее20 ммпри толщине эле­мента до60 ммне менее30 ммпри большей толщине. Испытание на растяжение производится в плоских образцах с записью диаграмм растяжения. Предел текучести определяет­ся по диаграмме. Скорость перемещения захвата, мм/мин, при испытании до предела текучести — не более 0,01, за пределом текучести — не более 0,2 длины расчетной части образца.

Предпочтительными_являются короткие образцы с расчет­ной длиной dQ = 5,56V/q, где Уд — площадь поперечного сече­ния образца. По результатам испытания на растяжение устанавливается соответствие применяемого в конструкциях и указанного в про­ектной документации класса стали. В случае, если значение пре­дела текучести временного сопротивления ниже указанного в ГОСТ, сталь переводится в более низкий класс. Пластичность стали оценивается по величине относительно­го удлинения. При полученных значениях относительного уд­линения ниже установленных в нормах или соответствующего класса прочности стали следует обратить внимание на возмож­ность появления хрупких трещин, особенно в зоне сварных со­единений и повышенной концентрации напряжений.

Склонность стали к хрупкому разрушению выявляется по результатам испытаний на ударную вязкость. При неудовлетво­рительных результатах испытаний на ударную вязкость рекомен­дуется провести повторную оценку ударной вязкости на удвоенном числе образцов. Результаты повторных испытаний являются окон­чательными. В случае если повторные испытания дадут неудовлетворитель­ные результаты, ставится вопрос о необходимости усиления или замены конструкции. Результаты обследований заносят в журнал, в котором ука­зываются наименование предприятия, цеха, отделения, вид кон­струкции и номера использованных чертежей и схем, места от­бора проб металла продуктов коррозии, измерений сечения, высверливании и т.п. факторы обследований. Выявленные фактические характеристики конструкций и их элементов сопоставляются с требованиями нормативных доку­ментов. На основании результатов обследований производятся расчеты несущей способности элементов и конструкции в целом с целью разработки рекомендаций по дальнейшей их эксплуа­тации и восстановления их несущей способности и эксплуата­ционной надежности.

Стали

Общие сведения

Качество стали, применяемой при изготовлении металлических

конструкций, определяется ее механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям, динамическим воздействиям и хрупкому разрушению при различных температурах; показателями пластичности – относительным удлинением; сопротивлением расслоению – загибом в холодном состоянии. Значения этих показателей устанавливаются ГОСТ. Кроме того, качество стали определяется ее свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства.

По прочности стали делятся на три группы:

• малоуглеродистые стали (обыкновенного качества)
• стали повышенной прочности
• стали высокой прочности

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химического состава, термической обработки и технологии прокатки.

Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность, очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода – малоуглеродистые стали обычной прочности; легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и другими элементами – низколегированные стали повышенной прочности; легированием и термическим упрочнением стали высокой прочности.

Основные химические элементы, применяемые при легировании малоуглеродистой стали, стали повышенной и высокой прочности.

Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и углерода с некоторой добавкой кремния или алюминия, марганца, меди.

Легированные стали более сложны и разнообразны по своему составу. В связи с желанием в обозначении марки стали отразить её химический состав, каждому химическому элементу присвоена буква русского алфавита (указана в скобках возле каждого элемента), содержание каждого элемента в процентах с округлением до целых значений указывается после буквы, обозначающей данный элемент; элемент, содержащийся в пределах 1% цифрами не указывается. Поскольку углерод содержится во всех сталях, то его обозначение (буква У) не ставится, а количественное содержание указывается в сотых долях процента в начале обозначения марки.

Так, марка стали 15Г2СФ обозначает, что в этой стали среднее содержание углерода 0,15%, марганца — в пределах 1-2%, кремния и ванадия – в пределах 1% каждого.

Углерод (У), повышая прочность стали, снижает пластичность и ухудшает ее свариваемость; поэтому в строительных сталях, которые должны быть достаточно пластичными и хорошо свариваемыми, углерод допускается в количестве не более 0,22 %.

Кремний (С), находясь в твердом растворе с ферритом, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как хороший раскислитель; в этом случае кремний в малоуглеродистых сталях добавляется в пределах до 0,3 %, в низколегированных сталях до 1 %.

Алюминий (Ю) входит в сталь в виде твердого раствора феррита и в виде различных нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Марганец (Г) растворяется как в феррите, так и в цементите; образует тугоплавкие карбиды, что приводит к повышению прочности и вязкости стали. Марганец служит хорошим раскислителем, а соединяясь с серой, снижает вредное ее влияние. В малоуглеродистых сталях марганца содержится до 0,64 %, а в легированных – до 1,5 %; при содержании марганца более 1,5 % сталь становится хрупкой.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное ее содержание (более 0,7 %) способствует старению стали.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Мn), хром (Х), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля, меди, кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твердых растворов (феррита).

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали: никель повышает прочность стали и пластические ее свойства.

Молибден (М) и бор (Р) обеспечивает высокую устойчивость аустенита при охлаждении и тем самым облегчает получение закалочных структур (так называемых бейнита и мартенсита), что очень важно для получения высокопрочного проката больших толщин. После закалки и высокого отпуска (улучшения) сталь становится мелкозернистой, насыщенной карбидами; такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.

Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, особенно при низких температурах. Поэтому его не должно быть более 0,008 %. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном или ниобием азот, образуя нитриды, становится легирующим элементом, способствующим измельчению структуры и улучшению механических свойств; однако ударная вязкость стали при низких температурах получается низкой. Увеличение сопротивления стали хрупкому разрушению обеспечивается простейшей термической обработкой – нормализацией.

Вредные примеси

К ним в первую очередь относятся: фосфор, который образуя раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладноломкость) и снижает пластичность при повышенных; сера, делающая сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800 – 1000 С) вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. Поэтому содержание серы и фосфора в стали ограничивается; так в углеродистой стали Ст 3 серы до 0,05 % и фосфора до 0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0,0007 %), но концентрируясь около включений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам блоков, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению сопротивления стали, хрупкому разрушению, снижению временного сопротивления и пластических свойств стали. Поэтому расплавленную сталь (например при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

Термическая обработка

Значительного повышения прочности, деформационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой благодаря тому, что под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключается в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последующего охлаждения на воздухе. После нормализации структура стали получается более упорядоченной, снимаются внутренние напряжения, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости. Поэтому нормализация, являясь простейшим видом термического улучшения стали, применяется довольно часто.

При быстром остывании стали, нагретой до температуры, превосходящей температуру фазового превращения, получается закалка. Для закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз.

Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность. Однако пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры производится ее отпуск, т. е. нагрев до температуры, при которой происходят желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течении необходимого времени и затем медленное остывание.

1. механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение);
2. температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов и потому к их выделению (физико – химическое старение, дисперсионное твердение). Невысоким нагревом (до 150 – 200 С) можно резко усилить процесс старения.

При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.

Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения газов; такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной.

Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, плохо сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество малоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния от 0,12 до 0,3 % или алюминия до 0,1 %; кремний (или алюминий), соединяясь с растворенным кислородом, уменьшает его вредное влияние. При соединении с кислородом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, что ведет к повышению ее качества и механических свойств. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спокойными.

Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали применяют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния – в размере 0,05 – 0,15 % (редко алюминием).

Малоуглеродистые стали обыкновенного качества

Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургической промышленностью по ГОСТ 380 – 88, широкое применение в строительстве находит сталь марки Ст3.

Сталь марки Ст3 производится кипящей (СТ3кп), полуспокойной (Ст3пс) и спокойной (Ст3сп).

В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трем группам, которые обозначают, по каким свойствам нормируется сталь:

А — по механическим свойствам;

Б — по химическому составу;

В — по механическим свойствам и химическому составу

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В, т. е. с гарантией механических свойств и химического состава.

Сталь марки Ст3 содержит углерода 0,14 – 0,22 %.

Согласно ГОСТ 380 – 88, маркировка стали производится так: вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы стали, затем марка, далее способ раскисления и в конце категория; например, сталь группы В (поставляемой по механическим свойствам и химическому составу) марки Ст3 полуспокойная, категории 5 имеет обозначение ВСт3пс5.

Категория обозначает, какие механические св-ва стали сохраняются при температуре -20 и +20 градусов Цельсия. Стали обыкновенного качества делятся на 5 категорий. Таблица нормируемых показателей по категориям приведена в ГОСТ 535-88.

Стали повышенной и высокой прочности

Для многих видов конструкций применяются стали повышенной и высокой прочности.

Стали повышенной и высокой прочности поставляются по ГОСТ 19281 – 89 и ГОСТ 19282 – 89. В зависимости от нормируемых свойств (химического состава, временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости при разных температурах и после механического старения) согласно ГОСТ эти стали подразделяют на 15 категорий с гарантией механических св-в при температурах от -70, до +20 градусов Цельсия.

Применение стали повышенной прочности приводит к экономии металла до 20 – 25 %, а высокой прочности – 25 – 50 % по сравнению с обычной углеродистой сталью.

ГОСТ 27772-88

С 1988 г. Был введен ГОСТ на прокат для строительных стальных конструкций. В этом ГОСТе маркам сталей обыкновенного качества, повышенной и высокой прочности даны новые наименования, например С245, С390, С590К. Буква С означает – сталь строительная, цифры условно обозначают предел текучести проката (физические св-ва стали), буква К вариант химического состава. По данному ГОСТ стали делят на 4 категории с гарантией механических св-в при температуре -40, -70 градусов и после механического старения.

Данный ГОСТ не заменяет упомянутые выше, а существует параллельно. Так одну и ту же марку сталей по разным ГОСТам можно обозначить двумя наименованиями, например С235 и ВСт3кп2 являются одной и той же сталью. Таблица перевода наименований сталей приведена в приложении № 1 к ГОСТ 27772-88.

На данной странице представлена информация для получения минимальных знаний по строительным сталям. Общие сведение, добавки, примеси, термическая обработка.