Стали для строительных конструкций. Структура стали. Химический состав стали. Механические свойства стали

ЛЕКЦИЯ 2

СТАЛИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Сталь - это сплав железа с углеродом, незначительным количеством примесей, которые не вводятся в сталь, а попадают туда из руды или образуются в процессе выплавки, и легирующих добавок, которые вводятся специально для улучшения тех или иных свойств стали. Плотность стали 7,85 г/см³.

В зависимости от содержания легирующих добавок стали делятся на четыре группы:

1) углеродистые стали - легирующие добавки специально не вводятся;

2)  низколегированные - содержание легирующей  добавки до 2,5 %;

3)  среднелегированные -  содержание легирующей  добавки от 2,5 до 10%;

4)  высоколегированные - содержание легирующей добавки  более 10 %, в строительстве не применяются.

На свойства сталей в значительной степени влияет содержание углерода. В строительстве используются только малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %, так как они обладают достаточной пластичностью и хорошей свариваемостью, что означает хорошее качество соединений, полученных с помощью сварки. Стали с содержанием углерода более 0,25 % (средне- и высокоуглеродистые) обладают повышенной хрупкостью и поэтому в строительных конструкциях не применяются.

Структура стали

По своей структуре сталь является однородным кристаллическим телом. При этом свойства стали прежде всего зависят от ее структурных составляющих: феррита, цементита и перлита. Зерна феррита занимают большую часть объема, а перлитовые и цементитовые включения расположены между зернами феррита и по его граням.

Феррит  представляет собой твердый раствор углерода в железе. Он мягок и пластичен. Временное сопротивление (прочностная характеристика) феррита составляет 250 МПа, относительное удлинение равно 50 %.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа - Fe₃C), очень тверд, прочен и упруг. Временное сопротивление - 800-1000 МПа при относительном удлинении 1 %.

Перлит - смесь феррита с цементитом. Механические характеристики его имеют средние значения между характеристиками феррита и цементита.

Большое значение имеют равномерность и размер зерен. Чем меньше размер зерна и однороднее структура, тем качественнее сталь.

Легированные стали также состоят в основном из зерен феррита и перлита, при этом ферритовые зерна упрочняются легирующими добавками (марганец, кремний, хром, никель и др.). Кроме того, некоторые легирующие компоненты образуют с углеродом карбиды и, подобно цементиту, упрочняют прослойки между зернами феррита.

Химический состав стали

Химический состав стали характеризуется процентным содержанием входящих в нее компонентов и примесей. Нормируемый химический состав оговорен в ГОСТах и технических условиях на соответствующие марки стали.

Основную массу стали получают из смеси чугуна, выплавляемого в доменных печах, со стальным ломом. Сталь плавят в конверторах, мартеновских и электрических печах.

Плавка стали без достаточного количества раскислителей сопровождается выделением газов. Такая сталь называется кипящей и оказывается сильно засоренной газами (в виде мелких пузырьков) и менее однородной. Обладая достаточно хорошими прочностными показателями, кипящие стали хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество стали, ее раскисляют добавками кремния или алюминия, которые, взаимодействуя с растворенным кислородом, образуют силикаты и алюминаты. Происходит увеличение числа очагов кристаллизации, что способствует образованию мелкозернистой структуры стали. В зависимости от количества вводимых раскислителей стали могут быть спокойными и полуспокойными. Поскольку спокойные стали примерно на 12 % дороже кипящих, применение их ограничивается ответственными конструкциями и конструкциями, подвергающимися динамическим воздействиям.

Более широкое применение имеют полуспокойные стали, занимающие и по качеству, и по стоимости промежуточное положение между кипящими и спокойными.

Прочность малоуглеродистой стали ( до 380 МПа,  до 260 МПа) оказывается недостаточной для большепролетных конструкций, а также для конструкций, работающих под большой эксплуатационной нагрузкой. Увеличения прочности стали добиваются различным сочетанием легирующих добавок.

Основные химические элементы, применяемые при легировании.          Кремний (С), находясь в твердом растворе с ферритом, повышает прочность стали, но ухудшает свариваемость. Является хорошим раскислителем.

Алюминий (Ю) кроме твердого раствора с ферритом входит в сталь в виде нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, повышает ударную вязкость.

Марганец (Г) растворяется как в феррите, так и в цементите, образует тугоплавкие карбиды, повышая прочность. Служит хорошим раскислителем, а соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. Повышенное содержание марганца делает сталь хрупкой.

Медь (Д) повышает прочность и коррозионную стойкость. При содержании более 0,7 % способствует старению стали.