Классификация и свойства сталей и проката

Для изготовления металлических конструкций в основ­ном используется стальной прокат. В отдельных случаях применяются отливки и поковки. Свойства стали опреде­ляются ее химическим составом и технологией изготовле­ния заготовок. По химическому составу стали, используе­мые для изготовления сварных конструкций, делятся на три группы.

1. Малоуглеродистые стали 20, СтЗ, М16С (ГОСТ 380), кипящие, полуспокойные и спокойные, поставляются в виде проката. К ним же относятся стали для отливок 20ГЛ, 25JI. Стали этой группы имеют нормативный предел теку­чести < 250 МПа. Стали, подвергнутые термомехани­ческому упрочнению в процессе прокатки, имеют предел текучести до 295 МПа и выше.

2. Низколегированные стали, легированные кремнием, марганцем, никелем, хромом, медью и другими элемента­ми, не образующими карбидной фазы. Это, например, ста­ли 09Г2С, 10Г2С1, 15ХСНД, 10ХСНД с нормативным пре­делом текучести , которые могут поставляться как в состоянии после прокатки, так и в тер­мообработанном виде.

3. Низколегированные стали, микролегированные кар- бидо- и нитридообразующими элементами (ванадием, ниобием, азотом), используемые после термического упроч­нения (улучшения, нормализации). Стали, например, типа 14Г2АФ (толщиной до 20 мм), 15Г2АФДпс имеют норма­тивный предел текучести . Стали, соержащие добавку молибдена 0,2-0,8%, как, например, 12ГН2МФАЮ, 13ХГСН1МД, а также зарубежные стали Domex690ХР, Weldox700, Weldox1100 и другие, имеют нормативный предел текучести . Ли­тые стали этого класса 20ХГСФЛ, 08ГДНФЛ и 12ДН2ФЛ также могут использоваться для элементов сварных кон­струкций после нормализации ( ).

Вредными примесями, снижающими пластичность и хла- достойкость стали, являются сера и фосфор. Их содержание в малоуглеродистых сталях по ГОСТ 380-94 и ГОСТ 27772-88 не должно превышать 0,04-0,05 %, а в низколегирован­ных сталях по ГОСТ 19281-89 — 0,035-0,040 %.

При повышенных температурах предел текучести ста­ли снижается. Для наиболее часто используемых в свар­ных конструкциях малоуглеродистых и низколегирован­ных сталей в интервале температур это снижение можно оценить по зависимости

(12.1)

Малоуглеродистые стали можно использовать при крат­ковременных температурных воздействиях до 200-250 °С, а низколегированные — до 300-350 °С. Длительное воз­действие повышенных температур приводит к снижению пластичности (ударной вязкости) и прочности стали. Для конструкций, эксплуатируемых в условиях длительных, интенсивных тепловых воздействии, следует учитывать влияние ползучести и применять специальные стали.

Основным технологическим процессом при изготовле­нии конструкций является сварка. Сталь считают хорошо свариваемой, если бездефектное сварное соединение на ней можно получить путем сварки без предварительного подо­грева, последующей термообработки и без ограничения на подвод энергии в процессе сварки. Таким свойством обла­дают малоуглеродистые стали, содержащие не более 0,22 % углерода. Свариваемость низколегированных сталей оце­нивают по значению углеродного эквивалента. Его нахо­дят по формуле, разработанной в Международном инсти­туте сварки (IIW),

(12.2)

В числителе стоят значения процентного содержания со­ответствующих элементов в стали. Превышение указан­ных значений свидетельствует о предрасположенности стали к холодным трещинам (возникающим при или после остывания сварного узла). Для их избежания приходится вести сварку с предварительным подогревом, поддерживать повышенную температуру конструкции и производить тер­мообработку после сварки, использовать специальные тех­нологии сварки. Эти меры приходится применять для сварки многих высокопрочных сталей, что, естественно, повыша­ет стоимость их применения.

Листовой прокат некоторых низколегированных сталей толщиной 20 мм и более имеет склонность к расслоению, т. е. образованию внутренних трещин в плоскостях, па­раллельных поверхности. Расслоения могут появляться на стадии прокатки, в процессе сварки или при нагружении в направлении, перпендикулярном к поверхности (по оси z). Поэтому, если лист в конструкции нагружается попереч­ным растяжением, т. е. в направлении толщины, то следу­ет использовать специальные стали, в которых гарантиру­ются Z-свойства (ГОСТ 28870).

Классификация сталей по прочности и нормативные требования к механическим характеристикам проката установлены в ГОСТ 535, ГОСТ 19281, ГОСТ 27772 и др. В зависимости от требований по ударной вязкости малоуг­леродистые стали делятся на шесть категорий (ГОСТ 14637). Для машиностроительных конструкций следует использо­вать стали 5-й или 6-й категории (например, СтЗсп-5), для которых кроме прочностных характеристик обеспечивается значение ударной вязкости (в зависимости от толщины проката) при темпе­ратуре соответственно -20 или -40 °С, а также после ме­ханического старения.

Низколегированные стали поставляются в виде прока­та по ГОСТ 19281, ГОСТ 6713 и др. Для них установлено 15 категорий качества. Для несущих конструкций, экс­плуатируемых при температуре не ниже -40 °С, обычно используют стали 12-й категории, для которых контроли­руется ударная вязкость KCUпри температуре -40 °С и после механического старения при нормальной темпера­туре (например, 09Г2С-12). Для конструкций, используе­мых при температуре до -65 °С, применяют стали 15-й категории, ударная вязкость KCUкоторых нормируется при температуре —70 °С и также после механического старе­ния. Прокат из сталей указанных категорий поставляется в нормализованном или улучшенном состоянии.

В отдельных узлах конструкций применяют отливки III группы (ГОСТ 977-88) из сталей 20ГЛ, 25JIи др., под­вергнутые термообработке (нормализация и отпуск). Ис­пользуются также поковки IV и V групп (ГОСТ 8479-70*) из сталей СтЗ, 20, 10Г2, 10ХСНД и др., которые также подвергаются термообработке.

В европейских нормах EN10025 введены классы прочно­сти конструкционных сталей, которые обозначаются буквой Sи цифрой, характеризующей значение нормативного пре­дела текучести (МПа) при толщинах до 16 мм, например S355. Стали классов от S235 и выше имеют категории каче­ства, которые устанавливают дополнительные требования и технологические условия. Они обозначаются буквами и циф­рами, расположенными после основного обозначения. Например, обозначение S355J2 показывает, что сталь имеет пре­дел текучести не менее 355 МПа при толщине до 16 мм и обеспечивает работу удара для образцов с V-образным надрезом Дж при температуре -20 °С. Могут быть так­же добавлены индексы, обозначающие поставку в нормали­зованном состоянии (+N), повышенную сопротивляемость атмосферной коррозии (W) и пр. Полный химический со­став конкретной марки зависит от производителя. Кроме того, выпускаются стали с фирменными обозначениями как, например, DOMEX, WELDOX, RAEX.

Конструкции, работающие на открытом воздухе, испы­тывают коррозионное воздействие окружающей среды. Коррозионную стойкость стали наиболее существенно по­вышают хром и никель в сочетании с медью . В частности, низколегированные стали, содержащие ука­занные элементы (10Г2С1Д, 10ХСНД, 15ХСНД), имеют коррозионную стойкость в 1,5-2,0 раза больше, чем у стали СтЗкп. Для особо агрессивных условий эксплуатации используют атмосферостойкие стали.