Конструкционные стали
Конструкционные строительные стали. Свойства стали конструкционной
3.1 Классификация специальных сталей
Специальные стали– это сплавы на основе железа, имеющие особые свойства, обусловленные либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки.
Специальные стали могут быть и углеродистыми, но в большинстве случаев они содержат легирующие элементы.
В настоящее время нет единой классификации специальных сталей. Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но часто они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.
Рассмотрим классификацию специальных сталей по наиболее общим признакам.
По химическому составустали условно подразделяют на: углеродистые (нелегированные), низколегированные, легированные и высоколегированные. Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентируемых для примесей соответствующими стандартами. Внизколегированныхсталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5 %. Влегированныхсталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть в пределах от 2,5 до 10 %, ав высоколегированных– более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.Сплавы на основе железасодержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.
По назначениюспециальные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.Конструкционныесталиприменяются для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве.Инструментальные сталиприменяются для изготовления инструмента для обработки резанием или давлением, а также для измерительного инструмента.К сталям с особыми физическими свойствамиотносятся стали с особыми магнитными, тепловыми и электрическими свойствами.
По качествустали подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные. Основным показателем качества стали является содержание вредных примесей, таких как фосфор и сера. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы в сталях разной категории качества:
| Категория качества | Содержание вредных примесей, % | |
| Р | S | |
| не более | ||
| Обыкновенного качества | 0,040 | 0,050 |
| Качественные | 0,035 | 0,035 |
| Высококачественные | 0,025 | 0,025 |
| Особовысококачественные | 0,025 | 0,015 |
Классификация сталей по структурев значительной степени условна.
По структуре сталей в равновесном (отожженном) состоянииих делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, ферритные, аустенитные, аустенитно-ферритные.
По структуре в неравновесном (нормализованном) состояниистали делят на перлитные, бейнитные, мартенситные, ферритные, аустенитные, а также смешанных классов: ферритно-перлитные, ферритно-мартенситные, аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные.
3.2.1 Требования к конструкционным сталям
Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).
Основные требования, которые предъявляются к конструкционным материалам – эксплуатационные, технологические и экономические.
Эксплуатационныетребованияимеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
Конструкционной прочностьюназывается комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.
Технологические требования(технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.
Экономические требованиясводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих легирующие элементы, должно быть обосновано повышением эксплуатационных свойств деталей.
Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства.
Таким образом, качественный конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.
Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки
Критерии прочности материалавыбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивлениеви предел текучести0,2(т), характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести.
Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности – предел выносливости R(при симметричном круговом изгибе–1).
По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем выше допустимые рабочие напряжения и меньше размеры и масса детали.
Надежность– свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.
Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (, ) и ударной вязкостью (KCU). Однако эти параметры надежности, определенные на небольших лабораторных образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали, достаточно показательны лишь для мягких малопрочных материалов. Между тем стремление к уменьшению металлоемкости конструкций ведет к более широкому применению высокопрочных и, как правило, менее пластичных материалов с повышенной склонностью к хрупкому разрушению. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. Это концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор).
Чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость– группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.
Для оценки надежности материала используют также следующие параметры: ударную вязкость KCV(ударная вязкость, определенная на образце сV-образным надрезом при комнатной температуре), ударная вязкость КСТ (определенная на образцах с усталостной трещиной) и температурный порог хладноломкости. Обычно за порог хладноломкости принимаютt50– температуру, соответствующую равным долям (50 %) хрупких и вязких участков разрушения в изломе при определении ударной вязкости. Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.
О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t50. При этом чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.
Долговечность– свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенной потери материалом работоспособности). Причины постепенной потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационного разбухания и др. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение.
Наибольшая эффективность для увеличения конструкционной прочности имеют технологические и металлургические методы, цель которых – повышение механических свойств и качества металла.
Из механических свойств важнейшее – прочность металла, повышение которой при достаточном запасе пластичности и вязкости ведет к снижению материалоемкости конструкции и в известной степени к повышению ее надежности и долговечности.
Уровень прочности (сопротивление пластической деформации) зависит главным образом от легкости перемещения дислокаций. В связи с этим современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивало бы максимальную задержку (блокировку) дислокаций. К методам упрочнения относятся легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка.
studfiles.net
Свойства стали
Благодаря своим физическим, механическим и химическим свойствам сталь по праву является самым важным инженерным м конструкционным материалом.
Сталь – основной конструкционный материал
Наиболее важными свойствами стали являются ее хорошая формуемость – способность к обработке давлением – и прочность, высокие пределы прочности и текучести, а также хорошая теплопроводность. К этим выдающимся свойствам нержавеющие стали добавляют высокое сопротивление коррозии.
При выборе материала для конкретного изделия инженеры должны быть уверены, что он способен выдерживать эксплуатационные нагрузки на это изделие – механические и климатические. Понимание и контроль свойств материала является, поэтому, очень важным. Механические свойства стали могут легко контролироваться путем выбора соответствующего химического состава, технологии изготовления и термической обработки, которые обеспечивают окончательную микроструктуру стали.
Различное легирование и виды термической обработки, которые применяются при производстве стали, обеспечивают ей различные уровни прочности и других свойств. Это дает возможность добиваться удовлетворения требований соответствующих стандартов.
Механические свойства стали
Для описания и контроля свойств стали применяют различные системы их измерения. Например, предел прочности, предел текучести и пластичность определяют путем испытания образцов стали на растяжение. Вязкие свойства стали измеряют при ударных испытаниях специальных образцов стали. Твердость стали определяют через измерение сопротивления проникновения через ее поверхность твердого объекта, например, с алмазным наконечником.
Испытания на растяжение – это метод оценки конструкционных способности стали сопротивляться прилагаемым нагрузкам. Результат этих испытаний выражается в получении соотношения между напряжением и деформацией в образце в ходе испытания.
Физические свойства стали
Отношение между напряжением и деформацией в упругой области растяжения является мерой упругости материала. Это отношение называют модулем упругости или модулем Юнга. Высокое значение модуля Юнга является одним из самых важных свойств сталей. Обычно его значение составляет 190-210 ГПа или (19-21)×106 кГ/см2, что примерно в три раза больше, чем у алюминия.
К основным физическим свойствам стали относятся такие свойства материалов, как плотность, теплопроводность, модуль упругости, коэффициент Пуассона.
Типичными физическими свойствами сталей являются следующие:— плотность: ρ = 7,7-8,1 кг/дм3;— модуль упругости: Е = 190-210 ГПа;— коэффициент Пуассона: ν = 0,27-0,30;— теплопроводность: k = 11,2-48,3 Вт/мК;— тепловое расширение: α = 9-27×10-6 1/К.
steel-guide.ru
Конструкционные строительные стали
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Конструкционные стали, используемые в строительстве, по химическому составу относятся к низкоуглеродистым и низколегированным, а в равновесном состоянии — к доэвтектоидным. Кроме комплекса высоких механических свойств (св, а0>2, 8, |/, KCU, К]С, НВ), определяемых при стандартных испытаниях, они должны иметь высокую конструктивную прочность, т. е. соответствовать служебным свойствам конкретных изделий и конструкций. К свойствам стали, определяющим надежность конструкций, относятся К)С, KCU и температура порога хладноломкости, а долговечности — сопротивление усталости, коррозии и износу. Кроме того, конструкционные стали должны легко обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться, прокаливаться, иметь малую склонность к деформациям, короблению и трещинообразованию при закалке.
Углеродистые стали выпускают обыкновенного и повышенного качества, по степени раскисления, спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Спокойные стали полностью раскислены и содержат минимальное количество FeO; кипящие нераскислены. Полуспокойные занимают промежуточное положение. Кипящие стали склонны к старению, хладноломкости, хуже свариваются, но пластичны.
Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гарантируемых свойств объединены в группы А, Б и В. Стали обозначают марками Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб, добавляя спереди букву группы стали, а после — индекс раскисления, сп, пс и кп, например АСтЗсп, ВСт4пс. По группе А стали поставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б — химическими и по группе В — с теми и другими одновременно. С возрастанием номера стали растет и содержание углерода в ней, повышаются ав, о0>2, НВ и снижаются 8, у, KCU, К[С (рис. 7.8).
Сталь для строительных конструкций, учитывая вышеуказанные требования к ней, изготовляется по группе ВСтЗсп (пс) и ВСтЗГпс. Она содержит обычно углерода 0,14-0,22%, марганца 0,4-0,65%, кремния 0,05-0,17% сп или 0,12-0,3% пс. Сталь марки ВСтЗГпс содержит марганца 0,8-1,1% и кремния до 0,15%.
^0,2* МПа &,%>
| Рис. 7.8. Зависимость временного сопротивления ав, предела текучести о0,2 и относительного удлинения 8 от марки углеродистой стали |
По требованиям ударной вязкости в зависимости от температурных условий эксплуатации и назначения конструкций, углеродистые стали разделены на 6 категорий. Кипящая сталь изготовляется по 2-й категории ВСтЗкп2, полуспокойная — по 6-й — ВСтЗпсб, спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца — по 5-й категории — ВСтЗсп5 и ВСтЗГпс5. Категория стали, как видно из приведенных данных, указывается в конце марки и находит отражение в обозначении марок стали стержневой горячекатанной арматуры А-I (А-240), A-II (А-300)[6] и закладных деталей бетонных и железобетонных конструкций, рекомендуемых для различных условий эксплуатации и работы конструкций.
Стали повышенного качества получают путем легирования и термической обработки. В зависимости от нормируемых свойств они подразделяются на 15 категорий. Атмосферостойкие стали повышенной коррозионной стойкости выпускают легированными хромом, никелем, медью или большим количеством фосфора. Учитывая, однако, ухудшение свариваемости и хладостойкости сталей с фосфором, толщину проката ограничивают 16 мм, а при большей толщине применяют сталь 12ХГДАФ.
В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (мембранные покрытия), применяют тонколистовой прокат из нержавеющей хромистой безуглеродистой стали без никеля — ОХ18Т1Ф2 (ов = 500 МПа, о0>2 = 360 МПа, 55> 33%), которая при толщине до 2 мм сохраняет пластические свойства при расчетных температурах до -40 °С.
Рациональные марки сталей для строительных конструкций выбирают исходя из их вида, назначения, ответственное™, режима и условий работы и эксплуатации. Все виды стальных строительных конструкций разделены на 4 группы. Для каждой из них в табл. 7.1 приведены рекомендуемые марки стали. За нормативные сопротивления стали и алюминиевых сплавов принимают значения
предела текучести Rj - ат или временного сопротивления
Rв = ат (для сталей и сплавов высокой прочное™ при отсутствии площадки текучести) с обеспеченностью соответственно 0,95; 0,995. Расчетаые сопротивления определяют делением нормативных со - протавлений на коэффициенты надежности по материалу, учитывающие отклонения от действительной работы металла в конструкциях и нормативного сопротивления.
Марки и механические характеристики
| строительных сталей разных групп прочности
|
К первой группе отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях динамического нагружения под крановые балки, эстакады и др.). Для этих конструкций применяют высокопрочные низколегированные стали типа 18Г2АФпс, І2ГН2МФАЮ, а также ВСтЗГпс5, 09ГС12.
Ко второй группе отнесены сварные конструкции, работающие в условиях статической нагрузки, — фермы, ригели, рамы,
балки перекрытий и покрытий и др. Для этих конструкций рекомендуются низкоуглеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности — ВСтЗсп5, 09Г2С, 10ХСНД и др.
К третьей группе отнесены сварные конструкции, работающие преимущественно на сжатие, — колонны, стойки, опоры под оборудование и др. Для них могут использоваться наряду с вышеуказанными для второй группы низкоуглеродистые стали — ЗСтЗкп2.
В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, фахверк, лестницы, ограждения и др.). Для них рекомендуются обычные низкоуглеродистые кипящие, по - луспокойные и спокойные стали группы ВстЗкп (пс, сп)2(5).
В табл. 7.1 приведены основные марки и механические характеристики строительных сталей для указанных групп конструкций.
В связи с развитием промышленности состояние окружающей среды каждый год ухудшается. Главный вопрос, который стоит перед человечеством: как уберечь природу от пагубного воздействия человека? Эта проблема касается всех сфер человеческой …
Для приготовления асфальтовых растворов и бетонов применяют асфальтовое вяжущее, представляющее смесь нефтяного битума с тонкомолотыми минеральными порошками (известняка, доломита, мела, асбеста, шлака). Минеральный наполнитель не только уменьшает расход битума, но …
Деготь представляет собой густую вязкую массу чернокоричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха твердых видов топлива (каменного и бурого углей, горючего сланца, торфа, древесины). В строительстве применяют главным образом …
msd.com.ua
