Строительные стали. Марки, свойства и виды строительных сталей

Содержание страницы

• 1. Химический состав строительных сталей
• 2. Механические свойства фасонного проката
• 3. Механические свойства листового и широкополосного универсального проката
• 4. Зарубежные строительные стали, аналоги отечественных

Строительные стали (СТС) применяются при создании различного вида конструкций, используемых в строительных сооружениях, магистральных трубопроводах, подъемных кранах, мостах, вагонах, резервуарах.

Учитывая условия эксплуатации, материалы должны выдерживать:

• статические и динамические нагрузки при различных температурах,
• сопротивляться образованию трещин,
• сохранять структуру и механические свойства,
• иметь высокие прочность,
• свариваемость,
• сопротивление вязкому разрушению.

Стандартные марки имеют следующие обозначения: впереди буква С (строительная сталь), затем три цифры – предел текучести материала, Н/мм², далее могут быть буквы и цифры, означающие вариант химического состава, указание на специальную термообработку или повышенную коррозионную стойкость.

Наиболее действенным средством снижения металлоёмкости и стоимости конструкций является повышение прочности сталей. Размеры поперечных сечений многих элементов металлоконструкций, а следовательно, и их масса существенно зависят от предела текучести и временного сопротивления (предела прочности) материалов.

Поэтому в СНГ установлены 7 основных типов прочности, которым соответствуют пределы текучести: не менее 225, 285, 325, 390, 440, 590 и 735 Н/мм². Стали первого типа условно принято называть сталями нормальной прочности, трёх следующих – повышенной прочности, а трёх остальных – высокой прочности.

СТС, свойства которых описаны далее, входят во все три раздела:

• С235, С245, С255, С275 относятся к первому типу прочности;
• С285, С345, С345Т, С345К, С375, С375Т, С390, С390Т, С390К –ко второму;
• С440, С590, С590К – к третьему.

Рекомендуемый химический состав марок приведён в табл. 1.

Как следует из табл. 1, для СТС в качестве легирующих используются вещества, упрочняющие материал, такие как кремний, марганец, хром, медь, и в меньшей степени элементы, образующие специальные карбиды и нитриды. При этом пределы текучести и временное сопротивление большинства СТС находятся на среднем уровне, более высокое легирование сдерживается ухудшением свариваемости, снижением сопротивления хрупкому разрушению и, главное, удорожанием материалов.

Основные механические характеристики проката из СТС приведены в табл. 2 и 3.

СТС являются весьма распространенными материалами, производимыми в различных промышленных странах, при этом марки имеют зарубежные аналоги как по химическому составу, так и по свойствам, а основным критерием, характеризующим марку, является величина либо предела текучести (как в СНГ, США, Бельгии), либо предела прочности (как в Евронормах и большинстве европейских стран). Эти значения признаны определяющими расчетными и эксплуатационными показателями сталей при производстве строительных конструкций.

В табл. 4 дается перечень иностранных марок материалов, близких по химическому составу к отечественным СТС.

Для сталей с гарантированными механическими свойствами по толщине (с повышенной сопротивляемостью слоистому разрушению) в качестве критерия выбирается величина относительного сужения ψ. Чтобы обеспечить требуемые значения ψ (не менее 15– 30%), материалы подвергаются внепечному рафинированию и модифицированию (направленному воздействию на состав, форму и распределение неметаллических включений). В таких сталях содержание серы снижается до 0,005– 0,010%.

Хладостойкие стали для конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах (в основном, для изотермических резервуаров, позволяющих хранить и транспортировать сжиженные газы), имеют повышенное содержание никеля 6 и 9% при углероде не более 0,1%. Оптимальные свойства материалов достигаются после термической обработки, включающей закалку или двойную нормализацию и отпуск. В этом случае обеспечиваются необходимые механические свойства: σ_в ≥ 630 Н/мм², σ_0,2 ≥ 470 Н/мм², δ ≥ 15–20%.

Таблица 1. 

1. Химический состав строительных сталей

Таблица 2. 

2. Механические свойства фасонного проката

Марка стали	Толщина проката, мм	σт, Н/мм2	σв, Н/мм2	δ, %	KCU, Дж/см2
					При температуре, °C			После старения
					– 20	– 40	– 70
		не менее
С235	4–20 21–40	235 225	360 360	26 25	—	—	—	—
С245	4–20 21–25 26–30	245 235 235	370 370 370	25 24 24	—	—	—	29 29 —
С255	4–10 11–20 21–40	255 245 235	380 370 370	25 25 24	29 29 29	—	—	29 29 29
С275	4–10 11–20	275 275	390 380	24 23	—	—	—	29 29
С285	4–10 11–20	285 275	400 390	24 23	29 29	—	—	29 29
С345	4–10 11–20 21–40	345 325 305	490 470 460	21 21 21	—	39 34 34	34 29 —	29 29 29
С345К	4–10	345	470	20	—	39	—	—
С375	4–10 11–20 21–40	375 355 335	510 490 480	20 20 20	—	39 34 34	34 29 —	29 29 29
Примечание. Для сталей С245, С255, С275 и С285 у профиля толщиной 5 мм норма ударной вязкости 49 Дж/см2.

Таблица 3. 

3. Механические свойства листового и широкополосного универсального проката

Марка стали	Толщина проката, мм	σт, Н/мм2	σв, Н/мм2	δ, %	KCU, Дж/см2
					При температуре, °C			После старения
					– 20	– 40	– 70
		не менее
С235	2–3,9 4–20 21–40 41–100 Свыше 100	235 235 225 215 195	360 360 360 360 360	20 26 26 24 24	– —	– —	– —	—
С245	2–3,9 4–10 1–20	245 245 245	370 370 370	20 25 25	—	—	—	29 29
С255	2–3,9 4–10 11–20 21–40	255 245 245 235	380 380 370 370	20 25 25 25	— 29 29 29	—	—	— 29 29 29
С275	2–3,9 4–10 11–20	275 275 265	380 380 370	18 24 23	—	—	—	— 29 29
С285	2–3,9 4–10 11–20	285 275 265	390 390 380	17 24 23	— 29 29	—	—	— 29 29
С345	2–3,9 4–10 11–20 21–40 41–60 61–80 81–160	345 345 325 305 285 275 265	490 490 470 460 450 440 430	15 21 21 21 21 21 21	—	— 39 34 34 34 34 34	— 34 29 29 29 29 29	— 29 29 29 29 29 29
С345К	4–10	345	470	20	—	39	—	—
С375	2–3,9 4–10 11–20 21–40	375 375 355 335	510 510 490 480	14 20 20 20	—	— 39 34 34	— 34 29 29	— 29 29 29
С390	4–50	390	540	20	—	—	29	—
С390К	4–50	390	540	19	—	—	29	—
С440	4–30 31–50	440 410	590 570	20 20	—	—	29 29	—
С590	10–36	590	685	14	—	34	—	—
С590К	10–40	590	685	14	—	—	29	—
Примечания . Для сталей С245, С255, С275, С285 у профиля толщиной 5 мм норма ударной вязкости 39 Дж/см2. Для сталей С390, С390К, С440 у профиля толщиной 5 мм норма ударной вязкости 34 Дж/см2. Для стали С590 допускается снижение σт и σв на 50 Н/мм2, а δ – на 2% (в абсолютных единицах). Нормы ударной вязкости приведены для проката толщиной 5 мм и более.

Таблица 4. 

4. Зарубежные строительные стали, аналоги отечественных

Основные свойства и марки строительных сталей.

Строительная сталь – это разновидность сплава железа с углеродом, предназначенная для изготовления строительных конструкций, арматуры и литых изделий. Она обладает оптимальным составом для того, чтобы выдерживать значительные расчетные нагрузки. Использовать, например, инструментальную сталь для изготовления строительной балки нецелесообразно – даже при аналогичных размерах ее технические характеристики не будут удовлетворять расчётным нормативам.

Классификация

Требования к сталям строительным регламентирует ГОСТ 27772-88* «Прокат для строительных стальных конструкций». Документ определяет сортамент сплавов, приводит классификацию, правила производства, приёмки и применения металла.

Согласно ГОСТ, стали делятся на 2 основных вида по составу:

• Углеродистые.
• Легированные.

Углеродистые

Количество химического элемента углерода определяет прочность стальной конструкции. Чем его больше, тем крепче металл. Углеродистые сплавы делятся на 3 группы:

• Строительные низколегированные стали с содержанием углерода менее 0,25%;
• Среднеуглеродистые содержат 0,25-0,60% углерода;
• Высокоуглеродистые имеют в составе более 0,60% химического элемента.

Применяются металлы с разным количеством углерода в изготовлении строительных конструкций нормальной напряженности.

Легированные

Для повышения прочности в сплав железа вводят различные металлы в разных количествах. Этот процесс называется легирование. По количеству добавок различают 3 группы сплавов:

• Низколегированная – до 2,5% дополнительных металлов;
• Среднелегированная – около 2,5-10% добавок;
• Высоколегированная – более 10% примесей.

Строительные стали с добавками (легированные) считаются наиболее качественными, чем углеродистые. Они применяются для изготовления ответственных конструкций в строительстве, в космической отраслях, в машиностроении и на железной дороге.

Выбор типа стали определяется ГОСТом и конструктивными расчётами.

Маркировка строительных сталей

Марка указывает на основные показатели материала. Углеродистая и легированная стали имеют разные обозначения, поэтому рассмотрим их по отдельности.

Расшифровка углеродистых сталей

Расшифровать марку сплава с углеродом просто:

• «Ст» – это обозначение стали строительной;
• Цифра указывает количество углерода в сплаве в десятых процента;
• Буквы «кп», «пс», «сп» в конце обозначения указывают на кипящий тип раскисления (см. далее). Отсутствие дополнительных букв говорит о том, что сталь спокойная.

Соотношение марки стали и количества углерода представлено в таблице:

Содержание серы в углеродистых сплавах – не менее 0,045%, фосфора – не менее 0,055%.

Маркировка легированных сплавов

Поскольку в легированных сталях присутствуют различные химические элементы, необходимо идентифицировать их:

Пример марки строительных сталей с легирующими добавками: 16Г2АФ. Расшифровывается обозначение следующим образом:

• 16 – содержание углерода в сплаве. В нашем случае – 0,16%. Если в наименовании одна цифра, её следует принимать как сотую процента;
• Г – наличие марганца 2%;
• А – азот, около 1%;
• Ф – ванадий, около 1%.

Наименований легированных строительных сталей множество.

Обозначение конструкционной стали

ГОСТ 27772-88* приводит обозначение металлов для изготовления фасонного проката, которые обозначаются буквой «С» (Сталь строительная) и цифрами. Чтобы понять, что скрывается за этими значениями, приведём соответствие легированных, углеродистых и принятых строительных сталей:

Основная классификация строительных сталей

Легированные и углеродистые – основная классификация сплавов. Дополнительно металл можно разделить на группы по отдельным ключевым признакам.

По прочности:

• 1) Обычные (s_y< 29 кН/см²) – это низкоуглеродистые в диапазоне (С235…С285) с разной степенью раскисления. Характерна средняя стойкость к коррозии, хрупкость при отрицательных температурах;
• 2) Повышенной прочности (29 кН/см²≤s_y<40 кН/см2) – это сплавы С345…С390. Точные характеристики зависят от типа и количества добавочных металлов;
• 3) Высокой прочности (s_y≥ 40 кН/см²). Такие сплавы обладают хорошими показателями текучести, пластичности, сжатия.

По степени раскисления:

• Кипящая (кп), раскисленная кремнием от 0,12 до 0,3% или алюминием до 0,1 % – хрупкая, подверженная скорому разрушению и старению;
• Полуспокойная (пс) раскисляется кремнием 0,05…0,15%, более устойчива в эксплуатации;
• Спокойная (сп)– самая дорогая, хорошо сваривается, выдерживает любые нагрузки.

По назначению:

• Для холодной штамповки;
• Цементируемые;
• Улучшаемые;
• Высокопрочные;
• Жаростойкие;
• Жаропрочные;
• Рессорно-пружинные;
• Шарикоподшипниковые;
• Автоматные;
• Коррозионно-стойкие;
• Износостойкие сплавы.

Новое:

Устройство и главные функции силовых электротрансформаторов

Все трансформаторы работают по общему принципу

Замес состава для изготовления половой стяжки

Смесь для стяжки можно купить готовую, а можно замесить самому.

Пассивация нержавейки

Пассивацию рекомендуется выполнять для всех марок нержавеющих сталей, которые содержат в своём составе более 0,02% серы

Видео

Фото:

Свойства стальных материалов — SteelConstruction.info

Свойства конструкционной стали определяются как ее химическим составом, так и методом производства, включая обработку во время изготовления. Стандарты на продукцию определяют пределы состава, качества и производительности, и эти ограничения используются или предполагаются проектировщиками конструкций. В этой статье рассматриваются основные свойства, представляющие интерес для дизайнера, и указываются соответствующие стандарты для конкретных продуктов. Спецификация стальных конструкций описана в отдельной статье.

Схематическая диаграмма напряжения/деформации для стали

Содержание

• 1 Свойства материала, необходимые для проектирования
• 2 Факторы, влияющие на механические свойства
• 3 Сила
  • 3.1 Предел текучести
    • 3.1.1 Горячекатаные стали
    • 3.1.2 Холоднодеформированные стали
    • 3.1.3 Нержавеющая сталь
• 4 Прочность
• 5 Пластичность
• 6 Свариваемость
• 7 Прочие механические свойства стали
• 8 Прочность
  • 8.1 Атмосферостойкая сталь
  • 8.2 Нержавеющая сталь
• 9 Каталожные номера
• 10 ресурсов
• 11 См. также

[наверх]Свойства материалов, необходимые для проектирования

Свойства, которые должны учитываться проектировщиками при выборе стальных строительных изделий:

• Прочность
• Прочность
• Пластичность
• Свариваемость
• Прочность.

При проектировании механические свойства определяются на основе минимальных значений, указанных в соответствующем стандарте на продукцию. Свариваемость определяется химическим составом сплава, который регламентируется стандартом на продукцию. Долговечность зависит от конкретного типа сплава — обычная углеродистая сталь, атмосферостойкая сталь или нержавеющая сталь.

[вверх]Факторы, влияющие на механические свойства

Механические свойства стали определяются сочетанием химического состава, термической обработки и производственных процессов. Хотя основным компонентом стали является железо, добавление очень небольших количеств других элементов может оказать заметное влияние на свойства стали. Прочность стали можно увеличить за счет добавления таких сплавов, как марганец, ниобий и ванадий. Однако эти добавки к сплаву могут также неблагоприятно повлиять на другие свойства, такие как пластичность, ударная вязкость и свариваемость.

Сведение к минимуму содержания серы может повысить пластичность, а ударная вязкость может быть улучшена за счет добавления никеля. Поэтому химический состав для каждой спецификации стали тщательно сбалансирован и протестирован во время ее производства, чтобы гарантировать достижение соответствующих свойств.

Легирующие элементы также дают различную реакцию, когда материал подвергается термической обработке, включающей охлаждение с заданной скоростью от определенной пиковой температуры. Производственный процесс может включать комбинацию термической обработки и механической обработки, которые имеют решающее значение для характеристик стали.

Механическая обработка происходит во время прокатки или формовки стали. Чем больше стали прокатывают, тем прочнее она становится. Этот эффект очевиден в стандартах на материалы, которые, как правило, определяют снижение уровней предела текучести с увеличением толщины материала.

Эффект термической обработки лучше всего объясняется ссылкой на различные технологические процессы, которые могут использоваться в производстве стали, основными из которых являются:

• Сталь после проката
• Нормализованная сталь
• Прокат нормализованный
• Сталь термомеханически катаная (TMR)
• Сталь, подвергнутая закалке и отпуску (Q&T).

Сталь охлаждается во время прокатки, при этом типичная температура конца прокатки составляет около 750°C. Сталь, которой затем дают остыть естественным путем, называют материалом в состоянии после прокатки. Нормализация происходит, когда прокатанный материал снова нагревается примерно до 900°C и выдерживается при этой температуре в течение определенного времени, прежде чем дать ему возможность остыть естественным образом. Этот процесс уменьшает размер зерна и улучшает механические свойства, особенно ударную вязкость. Нормализованно-прокатный процесс, при котором температура выше 900°C после завершения прокатки. Это оказывает такое же влияние на свойства, как и нормализация, но исключает лишний процесс повторного нагрева материала. Нормализованные и нормализованные прокаты имеют обозначение «Н».

Использование высокопрочной стали может уменьшить объем необходимой стали, но сталь должна быть прочной при рабочих температурах, а также должна обладать достаточной пластичностью, чтобы противостоять любому распространению вязкой трещины. Следовательно, более прочные стали требуют улучшенной ударной вязкости и пластичности, что может быть достигнуто только при использовании чистых сталей с низким содержанием углерода и при максимальном измельчении зерна. Внедрение процесса термомеханической прокатки (TMR) является эффективным способом достижения этой цели.

Термомеханически прокатанная сталь использует особый химический состав стали, чтобы обеспечить более низкую конечную температуру прокатки около 700°C. Для прокатки стали при этих более низких температурах требуется большее усилие, и свойства сохраняются до тех пор, пока она не будет повторно нагрета выше 650°C. Сталь, прокатанная термомеханическим способом, имеет обозначение «М».

Процесс производства закаленной и отпущенной стали начинается с нормализованного материала при температуре 900°C. Его быстро охлаждают или «закаливают» для получения стали с высокой прочностью и твердостью, но с низкой ударной вязкостью. Прочность восстанавливается повторным нагревом до 600°C, поддержанием температуры в течение определенного времени и последующим естественным охлаждением (отпуск). Закаленные и отпущенные стали имеют обозначение «Q».

Закалка включает быстрое охлаждение продукта путем погружения непосредственно в воду или масло. Он часто используется в сочетании с отпуском, который представляет собой вторую стадию термообработки до температур ниже диапазона аустенизации. Эффект отпуска заключается в размягчении ранее закаленных структур и повышении их прочности и пластичности.

Схематический температурно-временной график процессов прокатки

[вверх] Прочность

[вверх] Предел текучести

Предел текучести является наиболее распространенным свойством, которое необходимо проектировщику, поскольку оно является основой для большинства правил, приведенных в нормах проектирования. В европейских стандартах на конструкционные углеродистые стали (включая атмосферостойкие стали) основное обозначение относится к пределу текучести, например Сталь S355 представляет собой конструкционную сталь с указанным минимальным пределом текучести 355 Н/мм².

Стандарты на продукцию также определяют допустимый диапазон значений предела прочности при растяжении (UTS). Минимальный UTS имеет отношение к некоторым аспектам дизайна.

[вверх]Горячекатаные стали

Для горячекатаных углеродистых сталей число, указанное в обозначении, представляет собой значение предела текучести для материала толщиной до 16 мм. Конструкторы должны учитывать, что предел текучести уменьшается с увеличением толщины листа или профиля (более тонкий материал обрабатывается больше, чем толстый, и обработка увеличивает прочность). Для двух наиболее распространенных марок стали, используемых в Великобритании, указанные минимальные значения предела текучести и минимального предела прочности при растяжении показаны в таблице ниже для сталей в соответствии со стандартом BS EN 10025-2 9.0123 [1] .

Национальное приложение Великобритании к BS EN 1993-1-1 ^[2] позволяет использовать минимальное значение текучести для определенной толщины в качестве номинального (характеристического) предела текучести f _y и минимальный предел прочности при растяжении f _u использовать в качестве номинального (характеристического) предела прочности.

Аналогичные значения даны для других марок в других частях BS EN 10025 и для полых профилей в BS EN 10210-1 ^[3] .

[top]Стали холодной штамповки

Существует широкий диапазон марок стали для полосовой стали, подходящей для холодной штамповки. Минимальные значения предела текучести и предела прочности указаны в соответствующем стандарте на продукцию BS EN 10346 9.0123 [4] .

BS EN 1993-1-3 ^[5] содержит значения базового предела текучести f _yb и предела прочности при растяжении f _u , которые следует использовать в качестве характеристических значений при проектировании.

[наверх]Нержавеющая сталь

Марки нержавеющей стали обозначаются числовым «номером стали» (например, 1,4401 для типичной аустенитной стали), а не системой обозначения «S» для углеродистых сталей. Соотношение напряжение-деформация не имеет четкого различия в пределе текучести, и предел текучести нержавеющей стали для нержавеющей стали обычно указывается в терминах условного предела прочности, определенного для определенного смещения постоянной деформации (обычно 0,2% деформации).

Прочность обычно используемых конструкционных нержавеющих сталей находится в диапазоне от 170 до 450 Н/мм². Аустенитные стали имеют более низкий предел текучести, чем обычно используемые углеродистые стали; Дуплексные стали имеют более высокий предел текучести, чем обычные углеродистые стали. Как для аустенитных, так и для дуплексных нержавеющих сталей отношение предела прочности к пределу текучести больше, чем для углеродистых сталей.

BS EN 1993-1-4 ^[6] содержит номинальные (характеристические) значения предела текучести f _y и предельной минимальной прочности на растяжение f _u для сталей в соответствии с BS EN 10088-1 ^[7] для использования в конструкции.

[вверх] Прочность

Образец для испытания на ударный изгиб с V-образным надрезом

Природа всех материалов состоит в том, чтобы иметь некоторые дефекты. В стали эти дефекты принимают форму очень маленьких трещин. Если сталь недостаточно прочная, «трещина» может быстро распространяться без пластической деформации и приводить к «хрупкому разрушению». Риск хрупкого разрушения увеличивается с толщиной, растягивающим напряжением, концентраторами напряжения и при более низких температурах. Прочность стали и ее способность сопротивляться хрупкому разрушению зависят от ряда факторов, которые следует учитывать на этапе спецификации. Удобной мерой прочности является испытание на ударную вязкость по Шарпи с V-образным надрезом — см. изображение справа. В этом испытании измеряется энергия удара, необходимая для разрушения небольшого образца с надрезом при определенной температуре одним ударом маятника.

В различных стандартах на продукцию указаны минимальные значения энергии удара для различных марок основания каждого класса прочности. Для нелегированных конструкционных сталей основные обозначения марок: JR, J0, J2 и K2. Для мелкозернистых сталей и закаленных и отпущенных сталей (которые, как правило, более прочные, с более высокой энергией удара) используются разные обозначения. Сводная информация об обозначениях ударной вязкости приведена в таблице ниже.

Для тонколистовых сталей для холодной штамповки требования к энергии удара не указаны для материала толщиной менее 6 мм.

Выбор подходящей марки основания для обеспечения достаточной прочности в расчетных ситуациях приведен в BS EN 19.93-1-10 ^[12] и связанный с ним UK NA ^[13] . Правила связывают температуру воздействия, уровень напряжения и т. д. с «предельной толщиной» для каждой марки стали. PD 6695-1-10 ^[14] содержит полезные справочные таблицы, а руководство по выбору соответствующего грунтового основания дано в ED007.

SCI-P419

Эти правила проектирования были разработаны для конструкций, подверженных усталости, таких как мосты и опорные конструкции кранов, и признано, что их использование для зданий, где усталость играет незначительную роль, чрезвычайно безопасно.

Публикация SCI P419 представляет модифицированные пределы толщины стали, которые могут использоваться в зданиях, где усталость не является расчетным соображением. Эти новые пределы были получены с использованием точно такого же подхода, как и правила проектирования Еврокода, но они существенно уменьшают рост трещин из-за усталости. Употреблено слово «уменьшать», так как допущение отсутствия роста означало бы полное устранение эффекта утомления. Допускается некоторая усталость (20 000 циклов) на основе ориентировочных указаний стандарта DIN.

Термин «квазистатический» будет охватывать такие конструкции — в действительности может быть некоторое ограниченное циклическое воздействие нагрузки, но обычно это не рассматривается — подход к проектированию заключается в том, чтобы рассматривать все нагрузки как статические. Ключом к новому подходу является формула для выражения роста трещины при 20 000 циклов. Эксперты из Аахенского университета (участвовавшие в разработке Еврокода) дали это чрезвычайно важное выражение.

Дополнительную информацию можно найти в технической статье в сентябрьском выпуске журнала NSC за 2017 г.

Нержавеющая сталь обычно намного прочнее углеродистой стали; минимальные значения указаны в BS EN 10088-4 ^[15] . В стандарте BS EN 1993-1-4 ^[6] указано, что аустенитные и дуплексные стали достаточно прочны и не подвержены хрупкому разрушению при рабочих температурах до -40°C.

[top]Пластичность

Пластичность — это мера степени деформации или удлинения материала между началом текучести и возможным разрушением под действием растягивающей нагрузки, как показано на рисунке ниже. Конструктор полагается на пластичность в ряде аспектов конструкции, включая перераспределение напряжения в предельном состоянии, конструкцию группы болтов, снижение риска распространения усталостных трещин, а также в производственных процессах сварки, гибки и правки. Различные стандарты для марок стали в приведенной выше таблице настаивают на минимальном значении пластичности, поэтому расчетные допущения действительны, и если они указаны правильно, проектировщик может быть уверен в их адекватных характеристиках.

Напряженно-деформационное поведение стали

[вверх]Свариваемость

Приварка ребер жесткости к большой сборной балке
(Изображение предоставлено Mabey Bridge Ltd)

Все конструкционные стали в основном поддаются сварке. Однако сварка предполагает локальное расплавление стали, которая впоследствии охлаждается. Охлаждение может быть довольно быстрым, потому что окружающий материал, напр. луч предлагает большой «радиатор», а сварной шов (и подводимое тепло) обычно относительно мал. Это может привести к упрочнению «зоны термического влияния» (ЗТВ) и снижению ударной вязкости. Чем больше толщина материала, тем больше снижение ударной вязкости.

Склонность к охрупчиванию также зависит от легирующих элементов, главным образом, но не исключительно, от содержания углерода. Эта восприимчивость может быть выражена как «значение углеродного эквивалента» (CEV), и различные стандарты на продукцию для углеродистых сталей дают выражения для определения этого значения.

BS EN 10025 ^[1] устанавливает обязательные пределы для CEV для всех охватываемых изделий из конструкционной стали, и для тех, кто контролирует сварку, несложно обеспечить, чтобы используемые спецификации процедуры сварки были квалифицированы для соответствующей марки стали и CEV.

Другие механические свойства стали

Другие механические свойства конструкционной стали, важные для проектировщика, включают:

• Модуль упругости, E = 210 000 Н/мм²
• Модуль сдвига, G = E/[2(1 + ν )] Н/мм², часто принимается равным 81 000 Н/мм²
• Коэффициент Пуассона, ν = 0,3
• Коэффициент теплового расширения, α = 12 x 10 ^-6 /°C (в диапазоне температур окружающей среды).

[вверх]Долговечность

Защита от коррозии за пределами объекта
(Изображение предоставлено Hempel UK Ltd.)

Еще одним важным свойством является защита от коррозии. Хотя доступны специальные коррозионно-стойкие стали, они обычно не используются в строительстве. Исключением является атмосферостойкая сталь.

Наиболее распространенным средством защиты от коррозии конструкционной стали является покраска или цинкование. Требуемый тип и степень защиты покрытия зависят от степени воздействия, местоположения, расчетного срока службы и т. д. Во многих случаях в сухих условиях внутри не требуется никаких антикоррозионных покрытий, кроме соответствующей противопожарной защиты. Доступна подробная информация о защите от коррозии конструкционной стали.

[top]Стойкая атмосферостойкая сталь

Атмосферостойкая сталь представляет собой высокопрочную низколегированную сталь, которая устойчива к коррозии, образуя прилипшую защитную «патину» ржавчины, которая препятствует дальнейшей коррозии. Защитное покрытие не требуется. Он широко используется в Великобритании для строительства мостов и снаружи некоторых зданий. Он также используется для архитектурных элементов и скульптурных сооружений, таких как Ангел Севера.

Ангел Севера

[верх]Нержавеющая сталь

Типичные кривые напряжения-деформации для нержавеющей стали и углеродистой стали в отожженном состоянии

Нержавеющая сталь представляет собой материал с высокой коррозионной стойкостью, который можно использовать в конструкции, особенно там, где требуется высококачественная отделка поверхности. Подходящие сорта для воздействия в типичных условиях приведены ниже.

Деформационно-напряженное поведение нержавеющих сталей отличается от поведения углеродистых сталей в ряде аспектов. Наиболее важное отличие заключается в форме кривой напряжения-деформации. В то время как углеродистая сталь обычно демонстрирует линейное упругое поведение вплоть до предела текучести и плато перед деформационным упрочнением, нержавеющая сталь имеет более округлый отклик без четко определенного предела текучести. Таким образом, предел текучести нержавеющей стали, как правило, определяется для определенного смещения постоянной деформации (обычно 0,2% деформации), как показано на рисунке справа, который показывает типичные экспериментальные кривые напряжения-деформации для обычных аустенитных и дуплексных нержавеющих сталей. Показанные кривые представляют диапазон материалов, которые могут поставляться, и не должны использоваться при проектировании.

Указанные механические свойства обычных нержавеющих сталей по EN 10088-4 ^[15]

Описание	Марка	Минимум 0,2% предела текучести (Н/мм 2 )	Предел прочности при растяжении (Н/мм 2 )	Удлинение при разрыве (%)
Основные хромоникелевые аустенитные стали	1. 4301	210	520 – 720	45
	1.4307	200	500 – 700	45
Молибден-хромоникелевые аустенитные стали	1.4401	220	520 – 670	45
	1.4404	220	520 – 670	45
Дуплексные стали	1.4162	450	650 – 850	30
	1.4462	460	640 – 840	25

Механические свойства относятся к горячекатаному листу. Для холоднокатаной и горячекатаной полосы указанные значения прочности на 10-17 % выше.

Рекомендации по выбору нержавеющей стали

BS EN ISO 9223 [16] Класс атмосферной коррозии	Типичная внешняя среда	Подходящая нержавеющая сталь
C1 (очень низкий)	Пустыни и арктические районы (очень низкая влажность)	1. 4301/1.4307, 1.4162
C2 (низкий)	Засушливые условия или низкий уровень загрязнения (сельская местность)	1.4301/1.4307, 1.4162
C3 (средний)	Прибрежные районы с небольшими отложениями соли Городские или промышленные районы с умеренным загрязнением	1.4401/1.4404, 1.4162 (1.4301/1.4307)
C4 (высокий)	Загрязненная городская и промышленная атмосфера Прибрежные районы с умеренными отложениями солей Дорожная среда с противогололедными солями	1.4462, (1.4401/1.4404), другие более высоколегированные дуплексы или аустениты
C5 (Очень высокая)	Сильно загрязненная промышленная атмосфера с высокой влажностью Морская атмосфера с высокой степенью солевых отложений и брызг	1.4462, другие более высоколегированные дуплексы или аустениты

Материалы, подходящие для более высокого класса, могут использоваться для более низких классов, но могут оказаться нерентабельными. Материалы, указанные в квадратных скобках, могут быть рассмотрены, если приемлема некоторая умеренная коррозия. Накопление агрессивных загрязняющих веществ и хлоридов будет выше в защищенных местах; следовательно, может быть необходимо выбрать рекомендуемую марку из следующего более высокого класса коррозии.

[наверх]Ссылки

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2} BS EN 10025-2:2019 Горячекатаный прокат из конструкционных сталей. Технические условия поставки нелегированных конструкционных сталей BSI.
2. ↑ NA+A1:2014 к BS EN 1993-1-1:2005+A1:2014, Национальное приложение Великобритании к Еврокоду 3: Проектирование стальных конструкций Общие нормы и правила для зданий, BSI
3. ↑ ^{3.0 3.1} BS EN 10210-1:2006 Горячедеформированные конструкционные полые профили из нелегированных и мелкозернистых сталей. Технические требования к поставке, BSI.
4. ↑ BS EN 10346:2015 Стальной плоский прокат с непрерывным горячим покрытием для холодной штамповки. Технические условия поставки. БСИ
5. ↑ BS EN 1993-1-3:2006 Еврокод 3: Проектирование стальных конструкций. Общие правила — Дополнительные правила для холодногнутых элементов и листов, BSI.
6. ↑ ^{6.0 6.1} BS EN 1993-1-4:2006+A1:2015 Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Основные правила. Дополнительные правила для нержавеющих сталей, BSI
7. ↑ БС ЕН 10088-1:2014
   Нержавеющие стали. Список нержавеющих сталей, BSI
8. ↑ BS EN 10025-3: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 3. Технические условия поставки нормализованного / нормализованного проката свариваемых мелкозернистых конструкционных сталей, BSI
9. ↑ BS EN 10025-4: 2019 +A1:2022, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 4. Технические условия поставки термомеханически свариваемого проката из мелкозернистых конструкционных сталей, BSI
10. ↑ BS EN 10025-5:2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 5. Технические условия поставки конструкционных сталей с повышенной атмосферной коррозионной стойкостью, BSI
11. ↑ BS EN 10025-6: 2019 +A1:2022, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 6. Технические условия поставки плоского проката из конструкционных сталей с высоким пределом текучести в закаленном и отпущенном состоянии, BSI
12. ↑ BS EN 1993-1-10:2005 Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Прочность материала и свойства по толщине, BSI.
13. ↑ NA to BS EN 1993-1-10: 2005, Национальное приложение Великобритании к Еврокоду 3: Проектирование стальных конструкций. Прочность материала и свойства по толщине. БСИ
14. ↑ PD 6695-1-10:2009 Рекомендации по проектированию конструкций по BS EN 1993-1-10. БСИ
15. ↑ ^{15,0 15,1} BS EN 10088-4:2009 Нержавеющие стали. Технические условия поставки листа и ленты из коррозионно-стойких сталей строительного назначения, BSI.
16. ↑ BS EN ISO 9223:2012 Коррозия металлов и сплавов, Коррозионная активность атмосферы, Классификация, определение и оценка. БСИ

[наверх] Ресурсы

• SCI ED007 Выбор марки стали в соответствии с Еврокодами, 2012 г.
• SCI P419 Хрупкий излом: выбор марки стали в соответствии с BS EN 1993-1-10, 2017

[наверх] См. также

• Производство стали
• Спецификация металлоконструкций
• Атмосферостойкая сталь
• Защита от коррозии
• Коды и стандарты проектирования
• Производство
• Сварка

Конструкционная сталь 101: формы, свойства и применение

Конструкционная сталь

незаменима во многих областях строительства. Фактически на этот сектор приходится примерно половина мирового потребления стали. Конструкционная сталь, в частности, предлагает строительной и другим отраслям многочисленные преимущества, основанные на составе материала стали и вариантах формы. Сочетание этих факторов может придать конструкционной стали различные механические свойства, которые хорошо подходят для конкретных применений. Являясь ведущим поставщиком услуг по производству конструкционной стали в США, Infra-Metals Co. может помочь вам найти правильный состав и форму углеродистой конструкционной стали, которые будут полезны для вашего применения.

Состав конструкционной стали

Для обеспечения надежной долговечности и способности выдерживать большой вес конструкционная сталь должна иметь правильный состав. Железо и углерод являются двумя наиболее важными компонентами, используемыми сталелитейными заводами при производстве конструкционной стали. Углерод придает прочность железной руде, которая является источником железа в стали и сама по себе довольно мягкая. Для достижения несущей способности конструкционная сталь должна иметь более высокое содержание углерода по весу, и производители могут увеличить количество углерода в соответствии с уровнем прочности и пластичности, которого требует ее применение. Для большинства строительных целей требуется только низкоуглеродистая или мягкая конструкционная сталь, которая содержит от 0,04 до 0,30% углерода по весу. Для средне- и высокоуглеродистой конструкционной стали требуется от 0,31 до 1,50% углерода по весу, что делает эту сталь пригодной для применения в машиностроении.

Конструкционная сталь также может содержать марганец, фосфор, серу и силикон среди других материалов. Хотя производители могут добавлять дополнительные металлы, такие как хром, титан и молибден, в свои составы стали для достижения большей прочности, это обычно лучше всего подходит для неконструкционной стали, поскольку может привести к хрупкости конечного продукта.

Независимо от состава производители должны проверять свою конструкционную сталь на допустимую текучесть и прочность на растяжение. Частью того, что делает конструкционную сталь прочной, является ее способность поддаваться весовому давлению без постоянного изменения формы. Точка, в которой конструкционная сталь необратимо меняет форму, называется пределом текучести. Дополнительное весовое давление в конечном итоге приведет сталь к пределу прочности на растяжение, точке, при которой сталь фактически ломается. Предел текучести и предел прочности при растяжении измеряются в фунтах на квадратный дюйм (psi) и в килофунтах на квадратный дюйм (ksi).

Для оценки удара или поглощения энергии конструкционной сталью стандартизирован процесс испытания на удар по Шарпи. Операторы используют увесистый маятник-молот и образец конструкционной стали, чтобы рассчитать, сколько энергии конкретная сталь может поглотить, когда маятник ударит по ней, прежде чем материал достигнет пределов текучести и предела прочности на растяжение. Тест Шарпи также может включать температурные испытания для имитации колебаний температуры окружающей среды.

Учитывая критический характер применения в строительстве, Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) разработало более 12 000 нормативных стандартов, классифицирующих марки стали и регулирующих материалы и их допуски. Эти правила обеспечивают единый стандарт для различных отраслей промышленности и гарантируют, что сталь, отвечающая требованиям ASTM, будет самого высокого качества. Некоторые из утвержденных марок конструкционной стали включают ASTM A36, ASTM A500, ASTM A572 и ASTM A588 с несколькими вариантами формы в зависимости от применения.

Профили из конструкционной стали

Большое разнообразие вариантов форм позволяет изделиям из конструкционной стали поддерживать строительство и проектирование. Форма является неотъемлемой частью правильного распределения веса груза и давления, а правильный выбор обеспечивает долговечность и безопасность здания. Различные формы конструкционной стали обладают уникальными механическими и химическими свойствами, которые делают их пригодными для различных применений. Эти формы включают:

• Углы. Эти перпендикулярные L-образные поперечные сечения с равными или неравными опорами обычно встречаются в углах конструкций и в других местах в дополнение к основным колоннам и балкам.
• Трубка. Полые трубы, изготовленные из рулонов горячекатаной стали и поставляемые в круглых, квадратных и прямоугольных формах, легко изготавливаются и свариваются в соответствии с потребностями. Это легкая конструкционная альтернатива изделиям из цельной конструкционной стали.
• Двутавровые балки. Эти балки являются одним из наиболее распространенных изделий из конструкционной стали как для балок, так и для колонн. Два параллельных элемента поперечного сечения «I» или «H» известны как фланцы, а соединительный элемент известен как стенка.
• Балки с широкими полками. При гораздо более длинной стенке, чем у двутавровых балок, полки широкополочной балки почти перпендикулярны стенке.
• Каналы. Швеллеры горячекатаные в виде буквы С, которые, как и двутавры, имеют более широкий угол крепления между полками и стенкой. Они обеспечивают структурную поддержку в дополнение к основной несущей балке, чаще всего для распорок или каркаса.
• Тарелки. Пластины из углеродистой стали могут выдерживать огромный вес и давление, что делает их идеальными для океанских судов. Это сверхпрочные, широкие площади поверхности из сплошной непрерывной конструкционной стали, предназначенные для охвата больших площадей.
• Бары. Сокращение от товарных стержней, это горячекатаные и холоднокатаные углеродные стержни с различными свойствами, размерами и подкатегориями формы, такими как круглое, квадратное и плоское поперечное сечение.

Преимущества конструкционной стали

Конструкционная сталь является чрезвычайно эффективным и эффективным материалом для применения в строительстве. Это дает отрасли множество преимуществ, поскольку нержавеющая сталь:

• Экономична. Помимо экономичности с точки зрения первоначальных вложений в материалы, конструкционная сталь часто позволяет снизить затраты в других областях, таких как меньшая потребность в материалах из-за высокой прочности стали, сокращение сроков строительства, сокращение производства отходов, возможность вторичной переработки и многое другое.
• Сейф. Прочность конструкционной стали является определяющей характеристикой, но у нее есть и другие характеристики, обеспечивающие безопасную функциональность. Сталь устойчива к коррозии, ржавчине, плесени, огню и температурным условиям. Он также не раскалывается, как некоторые другие материалы, если стальная конструкция сдвигается.
• Адаптируется под рост. Поскольку производители специально проектируют конструкционную сталь из-за ее прочности и несущей способности, если строителю потребуется или он захочет построить пристройку к собственности, стальной каркас часто может приспособиться к изменению.
• Надежный. Стандарт ASTM гарантирует, что конструкционная сталь соответствует стандартам качества, единым для всех отраслей, поэтому покупатели знают, что они получают, покупая эту сталь. Это дает строителям уверенность в том, что продукт безопасен для использования по назначению.
• Универсальный. Сравнительно легкий вес и прочность конструкционной стали позволяют создавать более уникальные или сложные конструкции и архитектурные особенности, чем строительные материалы, такие как дерево.
• Эффективный. Когда производители объединяют производство конструкционной стали с компьютерными технологиями, которые могут создавать модели и включать цепочку поставок, эти технологические достижения могут помочь определить области для экономии средств, улучшения конструкции и соображений безопасности.
• Экологически чистый. Сталь — это пригодный для вторичной переработки металл, который сохраняет свою прочность независимо от того, сколько циклов переработки ему предстоит пройти. Эта возможность также снижает количество брака. Благодаря изобилию запасов железа в Америке, например, в Миннесоте, внутреннее производство стали может стать устойчивой отраслью.

Применение конструкционной стали

При всех своих преимуществах по сравнению с другими строительными материалами конструкционная сталь используется в различных отраслях промышленности, в том числе:

• Строительство
• Автомобилестроение
• Транспорт
• Горнодобывающая промышленность
• Судостроение
• Упаковка
• Энергия
• Сельское хозяйство

Конструкционная сталь для инфраструктуры возобновляемых источников энергии

В различных энергетических секторах, от электроэнергетики до атомной энергетики, в производстве оборудования уже давно используется конструкционная сталь из-за ее свойств сопротивления в таких приложениях, как трубопроводы, опоры и газовые скважины. Теперь индустрия возобновляемых источников энергии также использует его.

Быстрорастущая солнечная промышленность применяет конструкционную сталь к инфраструктуре в виде креплений для солнечных панелей, чтобы обеспечить их безопасность при любых погодных условиях. Энергия ветра также зависит от конструкционной стали, которая требуется для турбин и линий электропередач, проложенных на большие расстояния. Кроме того, морские возобновляемые источники энергии зависят от морских применений конструкционной стали для создания стальных пластин, которые поддерживают морские ветряные турбины, лодки, необходимые для строительства инфраструктуры, и оборудование для линий электропередач. Конструкционная сталь даже затрагивает создание аккумуляторов для электромобилей с использованием в инфраструктуре производственного предприятия и сборочном оборудовании.

Конструкционная сталь Infra-Metals

Знающие дистрибьюторы гарантируют, что продаваемая ими конструкционная сталь является надежно прочной и соответствует строгим стандартам по составу, испытаниям на долговечность и допустимым размерам для поддержки целого ряда отраслей промышленности.