1.2.1. Загальна характеристикасталей.Сталь - це сплав заліза з вуглецем, що містить легуючі добавки, що покращують якість металу, та шкідливі домішки, які потрапляють у метал із руди або утворюються в процесі виплавки.

Структура стали.У твердому стані сталь є полікристалічним тілом, що складається з безлічі по-різному орієнтованих кристалів (зерен). У кожному кристалі атоми (точніше, позитивно заряджені іони) розташовані упорядковано у вузлах просторових ґрат. Для сталі характерні об'ємно-центрована (ОЦК) та гранецентрована (ГЦК) кубічна кристалічна решітка(Рис. 1.4). Кожне зерно як кристалічне утворення різко анізотропне і має різні властивості з різних напрямків. При великому числі по-різному орієнтованих зерен ці відмінності згладжуються, статистично в середньому по всіх напрямках якості стають однаковими і сталь поводиться як квазіізотропне тіло.

Структура сталі залежить від умов кристалізації, хімічного складу, режиму термообробки та прокатки.

Температура плавлення чистого заліза дорівнює 1535°С, при твердінні утворюються кристали чистого заліза - фериту, так званого 8-заліза з об'ємно-центрованими ґратами (рис. 1.4, а);при температурі 1490 °С відбувається перекристалізація, і 5-залізо переходить в у-залізо з гранецентрованими гратами (рис. 1.4, б).При температурі 910°С і нижче кристали у-заліза знову перетворюються на об'ємно-центровані і цей стан зберігається до нормальної температури. Остання модифікація називається а-залізом.

При введенні вуглецю температура плавлення знижується для сталі з вмістом вуглецю 0,2 % становить приблизно 1520°С. При охолодженні утворюється твердий розчин вуглецю в у-залізі, званий аустенітом, в якому атоми вуглецю розташовуються в центрі ГЦК решітки. При температурі нижче 910 ° С починається розпад аустеніту. Залізо, що утворюється з ОЦК гратами (ферит) погано розчиняє вуглець. У міру виділення фериту аустеніт збагачується вуглецем і при температурі 723 °С перетворюється на перліт - суміш фериту та карбіду заліза Fe 3 C, званого цементитом.

Мал. 1.4. Кубічні кристалічні грати:

а- об'ємноцентрована;

б- гранецентрована

Таким чином, при нормальній температурі сталь складається з двох основних фаз: фериту та цементиту, які утворюють самостійні зерна, а також входять у вигляді пластинок до складу перліту (рис. 1.5). Світлі зерна – ферит, темні – перліт).

Ферріт дуже пластичний і маломіцний, цементить твердий і тендітний. Перліт має властивості, проміжні між властивостями фериту і цементиту. Залежно від вмісту вуглецю переважає та чи інша структурна складова. Величина зерен фериту та перліту залежить від числа вогнищ кристалізації та умов охолодження і істотно впливає на механічні властивості сталі (чим дрібніше зерно, тим вища якість металу).

Легуючі добавки, входячи в твердий розчин з феритом, зміцнюють його. Крім того, деякі з них, утворюючи карбіди та нітриди, збільшують число вогнищ кристалізації та сприяють утворенню дрібнозернистої структури.

Під впливом термічної обробки змінюються структура, величина зерна та розчинність легуючих елементів, що призводить до зміни властивостей сталі.

Найпростішим видом термічної обробки є нормалізація. Вона полягає в повторному нагріванні прокату до температури утворення аустеніту та подальшому охолодженні на повітрі. Після нормалізації структура сталі виходить більш упорядкованою, що призводить до поліпшення міцності та пластичних властивостей сталевого прокату та його ударної в'язкості, а також підвищення однорідності.

При швидкому охолодженні сталі, нагрітої до температури, що перевищує температуру фазового перетворення, сталь загартовується.

Структури, що утворюються після загартування, надають високу міцність. Однак пластичність її знижується, а схильність до тендітного руйнування підвищується. Для регулювання механічних властивостей загартованої сталі та утворення бажаної структури виробляється її відпустка, тобто. нагрівання до температури, при якій відбувається бажане структурне перетворення, витримка за цієї температури протягом необхідного часу і потім повільне охолодження 1 .

При прокатуванні в результаті обтиснення структура сталі змінюється. Відбувається подрібнення зерен та різне їхнє орієнтування вздовж і поперек прокату, що призводить до певної анізотропії властивостей. Істотно впливають також температура прокатки і швидкість охолодження. При високій швидкості охолодження можливе утворення гартових структур, що призводить до підвищення властивостей міцності сталі. Чим товщі прокат, тим менше ступінь обтискання та швидкість охолодження. Тому зі збільшенням товщини прокату характеристики міцності знижуються.

Таким чином, варіюючи хімічний склад, режими прокатки і термообробки, можна змінити структуру і отримати сталь із заданими властивостями міцності та іншими властивостями.

Класифікація сталей.За властивостями міцності стали умовно поділяються на три групи: звичайної (<29 кН/см 2), повышенной ( = 29...40 кН/см 2) и высокой прочности ( >40 кН/см 2).

Підвищення міцності сталі досягається легуванням та термічною обробкою.

За хімічним складом сталі поділяються на вуглецеві ілеговані. Вуглецеві сталі звичайної якості складаються із заліза та вуглецю з деякою

добавкою кремнію (або алюмінію) та марганцю. Інші добавки спеціально не вводяться і можуть потрапити в сталь із руди (мідь, хром тощо).

Вуглець (У) 1 підвищуючи міцність сталі, знижує її пластичність і погіршує зварюваність, тому для будівельних металевих конструкцій застосовуються тільки низьковуглецеві сталі з вмістом вуглецю не більше 0,22%.

До складу легованих сталей крім заліза та вуглецю входять спеціальні добавки, що покращують їхню якість. Оскільки більшість добавок у тому чи іншою мірою погіршують зварюваність сталі, і навіть подорожчають її, у будівництві переважно застосовуються низьколеговані сталі із сумарним вмістом легуючих добавок трохи більше 5 %.

Основними легуючими добавками є кремній (С), марганець (Г), мідь (Д), хром (X), нікель (Н), ванадій (Ф), молібден (М), алюміній (Ю), азот (А).

Кремній розкислює сталь, тобто. зв'язує надлишковий кисень і підвищує її міцність, але знижує пластичність, погіршує при підвищеному вмісті зварюваність та корозійну стійкість. Шкідливий вплив кремнію може компенсуватися підвищеним вмістом марганцю.

Марганець підвищує міцність, є хорошим розкислювачем і, з'єднуючись із сіркою, знижує її шкідливий вплив. При вмісті марганцю більше 1,5% сталь стає крихкою.

Мідь дещо підвищує міцність сталі та збільшує її стійкість проти корозії. Надлишковий вміст міді (понад 0,7 %) сприяє старінню сталі та підвищує її крихкість.

Хром і нікель підвищують міцність сталі без зниження пластичності та покращують її корозійну стійкість.

Алюміній добре розкислює сталь, нейтралізує шкідливий вплив фосфору, підвищує ударну в'язкість.

Ванадій та молібден збільшують міцність майже без зниження пластичності та запобігають розуміцненню термообробленої сталі при зварюванні.

Азот у незв'язаному стані сприяє старінню сталі і робить її крихкою, тому його має бути не більше 0,009%. У хімічно пов'язаному стані з алюмінієм, ванадієм, титаном та іншими елементами він утворює нітриди і стає легуючим елементом, сприяючи отриманню дрібнозернистої структури та покращенню механічних властивостей.

Фосфор відноситься до шкідливих домішок, так як утворюючи твердий розчин з феритом, підвищує крихкість сталі, особливо при знижених температурах (холодноламкість). Однак за наявності алюмінію фосфор може бути легуючим елементом, що підвищує корозійну стійкість сталі. На цьому ґрунтується отримання атмосферостійких сталей.

Сірка внаслідок утворення легкоплавкого сірчистого заліза робить сталь червоноломкою (схильною до утворення тріщин за нормальної температури 800-1000 °З). Це особливо важливо для зварювальних конструкцій. Шкідливий вплив сірки знижується при підвищеному вмісті марганцю. Зміст сірки і фосфору сталі обмежується і має становити трохи більше 0,03 - 0,05% залежно від типу (марки) стали.

Шкідливий вплив на механічні властивості сталі має насичення її газами, які можуть потрапити з атмосфери в метал, що знаходиться в розплавленому стані. Кисень діє подібно до сірки, але в більш сильній мірі, і підвищує крихкість сталі. Незв'язаний азот також знижує якість сталі. Водень хоч і утримується в незначній кількості (0,0007 %), але, концентруючись біля включень у міжкристалічних областях і перебуваючи переважно по межах зерен, викликає в мікрооб'ємах високу напругу, що призводить до зниження опору сталі тендітного руйнування, зниження тимчасового опору та погіршення пластичних. властивостей. Тому розплавлену сталь (наприклад при зварюванні) необхідно захищати від впливу атмосфери.

Залежно від виду поставки стали поділяються на гарячекатані та термооброблені (нормалізовані або термічно покращені). У гарячекатаному стані сталь далеко не завжди має оптимальний комплекс властивостей. При нормалізації подрібнюється структура сталі, підвищується її однорідність, збільшується в'язкість, проте скільки істотного підвищення міцності не відбувається. Термічна обробка (загартування у воді та високотемпературна відпустка) дозволяє отримати сталі високої міцності, що добре опираються крихкому руйнуванню. Витрати з термічної обробки сталі можна істотно знизити, якщо проводити загартування безпосередньо з прокатного нагріву.

Сталь, що застосовується в будівельних металевих конструкціях, виробляється в основному двома способами: мартенівських печах і конвертерах з продуванням киснем. Властивості мартенівських і киснево-конвертерних сталей практично однакові, проте киснево-конвертерний спосіб виробництва значно дешевший і поступово витісняє мартенівський. Для найбільш відповідальних деталей, де потрібно особливо висока якістьметалу, використовуються також сталі, одержувані шляхом електрошлакового переплаву (ЕШП). З розвитком електрометалургії можливе ширше використання у будівництві сталей, одержуваних електропечах. Електросталь відрізняється низьким вмістом шкідливих домішок та високою якістю.

За ступенем розкислення стали можуть бути киплячими, напівспокійними та спокійними.

Нерозкислені сталі киплять при розливанні у виливниці внаслідок виділення газів. Така сталь зветься окропом і виявляється більш забрудненою газами і менш однорідною.

Механічні властивостідещо змінюються по довжині зливка через нерівномірний розподіл хімічних елементів. Особливо це стосується головної частини, яка виходить найбільш пухкою (внаслідок усадки та найбільшого насичення газами), у ній відбувається найбільша ліквація шкідливих домішок та вуглецю. Тому від зливка відрізають дефектну частину, що становить приблизно 5% маси зливка. Киплячі сталі, маючи достатньо хороші показникиза межею плинності та тимчасового опору, гірше опираються крихкому руйнуванню та старінню.

Щоб підвищити якість низьковуглецевої сталі, розкислюють її добавками кремнію від 0,12 до 0,3% або алюмінію до 0,1%. Кремній (або алюміній), з'єднуючись із розчиненим киснем, зменшує його шкідливий вплив. При з'єднанні з киснем розкислювачі утворюють у дрібнодисперсній фазі силікати та алюмінати, які збільшують кількість вогнищ кристалізації та сприяють утворенню дрібнозернистої структури сталі, що веде до підвищення її якості та механічних властивостей. Розкислені сталі не киплять при розливанні у виливниці, тому їх називають спокійними. Від головної частини зливка спокійної сталі відрізають частину, що становить приблизно 15%. Спокійна сталь більш однорідна, краще зварюється, краще чинить опір динамічним впливам і тендітному руйнуванню. Спокійні сталі застосовуються під час виготовлення відповідальних конструкцій, що піддаються динамічним впливам.

Однак спокійні сталі приблизно на 12% дорожчі за киплячі, що змушує обмежувати їх застосування і переходити, коли це вигідно з техніко-економічних міркувань, на виготовлення конструкцій з напівспокійної сталі.

Напівспокійна сталь за якістю є проміжною між киплячою та спокійною. Вона розкислюється меншою кількістю кремнію – 0,05 – 0,15% (рідко алюмінієм). Від головної частини зливка відрізається менша частина, що дорівнює приблизно 8% маси злитка. За вартістю напівспокійні сталі також займають проміжне положення. Низьколеговані сталі поставляються переважно спокійної (рідко напівспокійної) модифікації.

1.2.2. Нормування сталей.Основним стандартом, що регламентує характеристики сталей для будівельних металевих конструкцій, є ГОСТ 27772 - 88. Відповідно до ГОСТу фасонний прокат виготовляють із сталей 1 С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, для листового та універсального прокату та гнутих профіліввикористовуються також сталі С390, С390К, С440, С590, С590К. Сталі С345, С375, С390 та С440 можуть поставлятися з підвищеним вмістом міді (для підвищення корозійної стійкості), при цьому до позначення сталі додається буква «Д».

Хімічний склад сталей та механічні властивості представлені в табл. 1.2 та 1.3.

Прокат може поставлятися як у гарячекатаному, так і термообробленому стані. Вибір варіанта хімічного складу та виду термообробки визначається заводом. Головне – забезпечення необхідних властивостей. Так, листовий прокат сталі С345 може виготовлятися із сталі. хімічним складомС245 із термічним поліпшенням. У цьому випадку до позначення сталі додається буква Т, наприклад, С345Т.

Залежно від температури експлуатації конструкцій та ступеня небезпеки тендітного руйнування випробування на ударну в'язкість для сталей С345 та С375 проводяться за різних температур, тому вони поставляються чотирьох категорій, а до позначення сталі додають номер категорії, наприклад, С345-1; С345-2.

Нормовані характеристики кожної категорії наведені в табл. 1.4.

Прокат постачається партіями. Партія складається з прокату одного розміру, однієї плавки-ковша та одного режиму термообробки. При перевірці якості металу від партії відбираються випадково по дві проби.

З кожної проби виготовляють по одному зразку для випробувань на розтягування та вигин і по два зразки для визначення ударної в'язкості за кожної температури. Якщо результати випробувань не відповідають вимогам ДСТУ, то проводять по-

другі випробування на подвоєній кількості зразків. Якщо й повторні випробування показали незадовільні результати, партія бракує.

Оцінку зварюваності стали проводять за вуглецевим еквівалентом, %:

де С, Mn, Si, Cr, Ni, Сі, V, Р - масова частка вуглецю, марганцю, кремнію, хрому, нікелю, міді, ванадію та фосфору, %.

Якщо з,<0,4%, то сварка стали не вызывает затруднений, при 0,4 %< С,< 0,55 % сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возник­новения трещины. При С э >0,55% небезпека появи тріщин різко зростає.

Для перевірки суцільності металу та попередження розшарування у необхідних випадках на вимогу замовника проводиться ультразвуковий контроль.

Відмінною особливістюГОСТ 27772 - 88 є використання деяких сталей (С275, С285, С375) статистичних методівконтролю, що гарантує забезпечення нормативних значеньмежі плинності та тимчасового опору.

Будівельні металеві конструкціївиготовляються також із сталей, що поставляються за ГОСТ 380 - 88 "Сталь вуглецева звичайної якості", ГОСТ 19281 -73 "Сталь низьколегована сортова і фасонна", ГОСТ 19282 - 73 "Сталь низьколегована товстолистова і широкосмугова універсал".

Принципові відмінності між властивостями сталей, що мають однаковий хімічний склад, але поставляються по різним стандартамні. Різниця у способах контролю та позначеннях. Так, за ГОСТ 380 - 88 із змінами позначення марки сталі вказується група поставки, спосіб розкислення і категорія.

При постачанні за групою А завод гарантує механічні властивості, за групою Б – хімічний склад, за групою В – механічні властивості та хімічний склад.

Ступінь розкислення позначається буквами КП (кипляча), СП (спокійна) та ПС (напівспокійна).

Категорія сталі вказує вид випробувань на ударну в'язкість: категорія 2 - випробування на ударну в'язкість не проводяться, 3 - проводяться при температурі +20 °С, 4 - при температурі -20 °С, 5 - при температурі -20 °С та після механічного старіння 6 - після механічного старіння.

У будівництві переважно використовуються сталі марок ВстЗкп2, ВстЗпсб і ВстЗсп5, і навіть сталь із підвищеним вмістом марганцю ВстЗГпс5.

За ГОСТ 19281-73 та ГОСТ 19282 - 73 в позначенні марки сталі вказується зміст основних елементів. Наприклад, хімічний склад сталі 09Г2С розшифровується так: 09 - вміст вуглецю в сотих частках відсотка, Г2 - марганець у кількості від 1 до 2%, С - кремній до 1 %.

Наприкінці марки сталі вказується категорія, тобто. вид випробування на ударну в'язкість. Для низьколегованих сталей встановлено 15 категорій, випробування проводять при температурах до -70 °С. Сталі, що поставляються за різними стандартами, взаємозамінні (див. Табл. 1.3).

Властивості сталі залежать від хімічного складу вихідної сировини, способу виплавки та обсягу плавильних агрегатів, зусилля обтискання та температури при прокатці, умов охолодження готового прокату і т.д.

При таких різноманітних чинниках, які впливають якість сталі, цілком природно, що показники міцності та інших властивостей мають певний розкид і їх можна як випадкові величини. Уявлення про мінливість показників дають статистичні гістограми розподілу, що показують відносну частку (частоту) тієї чи іншої значення показника.

1.2.4.Сталі підвищеної міцності(29 кН/см 2< <40 кН/см 2). Стали повышенной прочности (С345 - С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих
добавок, в основному марганцю та кремнію, рідше нікелю та хрому, або термозміцнювальному.
ням низьковуглецевої сталі (С345Т).

Пластичність сталі у своїй дещо знижується, і довжина майданчика плинності зменшується до 1 -1,5 %.

Сталі підвищеної міцності дещо гірше зварюються (особливо стали з високим вмістом кремнію) та вимагають іноді використання спеціальних технологічних заходів для запобігання утворенню гарячих тріщин.

За корозійною стійкістю більшість сталей цієї групи близькі до низьковуглецевих сталей.

Більш високу корозійну стійкість мають сталі з підвищеним вмістом міді (С345Д, С375Д, С390Д).

Дрібнозерниста структура низьколегованих сталей забезпечує значно вищий опір крихкому руйнуванню.

Високе значення ударної в'язкості зберігається при температурі -40 ° С і нижче, що дозволяє використовувати ці сталі для конструкцій, що експлуатуються у північних районах. За рахунок більш високих властивостей міцності застосування сталей підвищеної міцності призводить до економії металу до 20 -25 %.

1.2.5.Сталі високої міцності(> 40 кН/см 2). Прокат сталі високої міцності
(С440-С590) отримують, як правило, шляхом легування та термічної обробки.

Для легування використовуються нітридоутворюючі елементи, що сприяють утворенню дрібнозернистої структури.

Сталі високої міцності можуть мати майданчики плинності (при про > ,>50 кН/см 2 ), та його пластичність (відносне подовження) знижується до 14% і від.

Ставлення збільшується до 0,8 - 0,9, що дозволяє враховувати при розрахунку конструкцій з цих сталей пластичні деформації.

Підбір хімічного складу та режиму термообробки дозволяє значно підвищити опір крихкому руйнуванню та забезпечити високу ударну в'язкість при температурі до -70 °С. Певні проблеми виникають під час виготовлення конструкцій. Висока міцність і низька пластичність вимагають потужнішого обладнання для різання, правки, свердління та інших операцій.

При зварюванні термооброблених сталей внаслідок нерівномірного нагріву та швидкого охолодження в різних зонахзварного з'єднання відбуваються різні структурні перетворення. На одних ділянках утворюються гартувальні структури, що мають підвищену міцність і крихкість (жорсткі прошарки), на інших метал піддається високій відпустці і має знижену міцність і високу пластичність (м'які прошарки).

Розміцнення сталі в навколошовній зоні може досягати 5 - 30%, що необхідно враховувати при проектуванні зварних конструкцій з термооброблених сталей.

Введення до складу сталі деяких карбідоутворювальних елементів (молібден, ванадій) знижує ефект розміцнення.

Застосування сталей високої міцності призводить до економії металу до 25 -30 % порівняно з конструкціями з низьковуглецевих сталей і особливо доцільно в пролітних і важко навантажених конструкціях.

1.2.6.Атмосферостійкі сталі.Для підвищення корозійної стійкості метали-
чеських конструкцій застосовують низьколеговані сталі, що містять у невеликому
кількості (частки відсотка) такі елементи, як хром, нікель та мідь.

У конструкціях, що зазнають атмосферних впливів, дуже ефективні сталі з добавкою фосфору (наприклад, сталь С345К). На поверхні таких сталей утворюється тонка оксидна плівка, що має достатню міцність і захищає метал від розвитку корозії. Однак зварюваність сталі за наявності фосфору погіршується. Крім того, в прокаті великих товщин метал має знижену холодностійкість, тому застосування сталі С345К рекомендується при товщинах не більше 10 мм.

У конструкціях, що поєднують несучі та огороджувальні функції (наприклад, мембранні покриття), широко застосовується тонколистовий прокат. Для підвищення довговічності таких конструкцій доцільно застосування нержавіючої хромистої сталі марки ОХ18Т1Ф2, що не містить нікелю. Механічні властивості сталі ОХ18Т1Ф2:

50 кН/см 2 = 36 кН/см 2 >33 %. При великих товщинах прокат із хромистих сталей має підвищену крихкість, проте властивості тонколистового прокату (особливо товщиною до 2 мм) дозволяють застосовувати його в конструкціях при розрахункових температурах до -40 °С.

1.2.7. Вибір сталей для металевих будівельних конструкцій.Вибір сталі здійснюється на основі варіантного проектування та техніко-економічного аналізу з урахуванням рекомендацій норм. З метою спрощення замовлення металу під час виборів стали слід прагнути більшої уніфікації конструкцій, скорочення кількості сталей і профілів. Вибір сталі залежить від таких параметрів, що впливають на роботу матеріалу:

температури середовища, в якому монтується та експлуатується конструкція. Цей фактор враховує підвищену небезпеку тендітного руйнування при знижених температурах;

характеру навантаження, що визначає особливість роботи матеріалу та конструкцій при динамічному, вібраційному та змінному навантаженнях;

виду напруженого стану (одновісний стиск або розтяг, плоский або об'ємний напружений стан) і рівня напруг, що виникають (сильно або слабо навантажені елементи);

способу з'єднання елементів, що визначає рівень власної напруги, ступінь концентрації напруги та властивості матеріалу в зоні з'єднання;

товщини прокату, що застосовується в елементах. Цей фактор враховує зміну властивостей сталі із збільшенням товщини.

Залежно та умовами матеріалу всі види конструкцій поділяються на чотири групи.

До першій групівідносяться зварні конструкції, що працюють в особливо важких умовах або зазнають безпосереднього впливу динамічних, вібраційних або рухомих навантажень (наприклад, підкранові балки, балки робочих майданчиків або елементи естакад, що безпосередньо сприймають навантаження від рухомих складів, фасонки ферм і т.д.). Напружений стан таких конструкцій характеризується високим рівнемта великою частотою завантаження.

Конструкції першої групи працюють у найбільш складних умовах, що сприяють можливості їх тендітного чи втомного руйнування, тому до властивостей сталей для цих конструкцій пред'являються найвищі вимоги.

До другій групівідносяться зварні конструкції, що працюють на статичне навантаження при впливі одновісного і однозначного двовісного поля розтягуючих напруг (наприклад, ферми, ригелі рам, балки перекриттів і покриттів та інші розтягнуті, розтягнуто-згинальні та згинальні елементи), а також конструкції першої групи за відсутності .

Загальним для конструкцій цієї групи є підвищена небезпека тендітного руйнування, пов'язана з наявністю поля напруг, що розтягують. Імовірність втомного руйнування тут менше, ніж для конструкцій першої групи.

До третій групівідносяться зварні конструкції, що працюють при переважному впливі стискаючих напруг (наприклад, колони, стійки, опори під обладнання та інші стислі та стисло-згинальні елементи), а також конструкції другої групи за відсутності зварних з'єднань.

До четвертій групівідносяться допоміжні конструкції та елементи (зв'язки, елементи фахверка, сходи, огородження тощо), а також конструкції третьої групи за відсутності зварних з'єднань.

Якщо конструкцій третьої і четвертої груп досить обмежитися вимогами до міцності при статичних навантаженнях, то конструкцій першої і другої груп важлива оцінка опору стали динамічним впливам і тендітному руйнації.

У матеріалах для зварних конструкцій обов'язково слід оцінювати зварюваність. Вимоги до елементів конструкцій, що не мають зварних з'єднань, можуть бути знижені, оскільки відсутність полів зварювальних напруг, нижча концентрація напруг та інші фактори покращують їхню роботу.

У межах кожної групи конструкцій залежно від температури експлуатації до сталей пред'являються вимоги щодо ударної в'язкості за різних температур.

У нормах міститься перелік сталей залежно від групи конструкцій та кліматичного району будівництва.

Остаточний вибір сталі в межах кожної групи повинен виконуватись на підставі порівняння техніко-економічних показників (витрати сталі та вартості конструкцій), а також з урахуванням замовлення металу та технологічних можливостей заводу-виробника. У складових конструкціях (наприклад, складових балках, фермах і т. п.) економічно доцільно застосування двох сталей: більш високої міцності для сильно навантажених елементів (пояси ферм, балок) та меншої міцності для слабо навантажених елементів (решітка ферм, стінки балок).

1.2.8. Алюмінієві метали.Алюміній за своїми властивостями суттєво відрізняється від сталі. Його щільність = 2,7 т/м 3 тобто. майже в 3 рази менше густини сталі. Модуль поздовжньої пружності алюмінію Е=71 000 МПа, модуль зсуву G = 27 000 МПа, що приблизно в 3 рази менше, ніж модуль поздовжньої пружності та модуль зсуву сталі.

Алюміній немає майданчика плинності. Пряма пружних деформацій безпосередньо перетворюється на криву пружнопластичних деформацій (рис. 1.7). Алюміній дуже пластичний: подовження при розриві сягає 40 - 50%, але міцність його дуже низька: = 6...7 кН/см 2 , а умовна межа плинності = 2...3 кН/см 2 . Чистий алюміній швидко покривається міцною оксидною плівкою, що перешкоджає подальшого розвиткукорозії.

Внаслідок дуже низької міцності технічно чистий алюміній будівельних конструкціяхзастосовується досить рідко. Значне збільшення міцності алюмінію досягається шляхом легування його магнієм, марганцем, міддю, кремнієм. цинком та деякими іншими елементами.

Тимчасовий опір легованого алюмінію ( алюмінієвих сплавів) залежно від складу легуючих добавок у 2 -5 разів вище, ніж технічно чистого; проте відносне подовження при цьому відповідно в 2-3 рази нижче. З підвищенням температури міцність алюмінію знижується і за температури понад 300 °С близька до нуля (див. рис. 1.7).

Особливістю ряду багатокомпонентних сплавів А1-Mg-Si, Al-Сі-Mg, Al-Mg-Zn є їх здатність до подальшого збільшення міцності в процесі старіння після термічної обробки; такі сплави називаються термічно зміцнюваними.

Тимчасовий опір деяких високоміцних сплавів (системи Al – Mg – Zn) після термічної обробки та штучного старінняперевищує 40 кН/см 2 відносне подовження при цьому становить всього 5-10 %. Термічна обробка сплавів подвійної композиції (Al-Mg, Al-Mn) до зміцнення не призводить, такі сплави одержали назву термічно незміцнюваних.

Підвищення умовної межі плинності виробів із цих сплавів в 1,5 - 2 разу може бути досягнуто холодною деформацією (нагартуванням), відносне подовження при цьому також суттєво знижується. Слід зазначити, що показники всіх основних фізичних властивостейсплавів незалежно від складу легуючих елементів та стану практично не відрізняються від показників для чистого алюмінію.

Корозійна стійкість сплавів залежить від складу легуючих добавок, стану постачання та ступеня агресивності зовнішнього середовища.

Напівфабрикати з алюмінієвих сплавів виготовляють на спеціалізованих заводах: листи та стрічки – прокаткою на багатовалкових станах; труби та профілі - методом екструзії на горизонтальних гідравлічних пресах, Що дозволяє отримати профілі найрізноманітнішої форми перерізу, у тому числі і із замкнутими порожнинами.

На напівфабрикатах, що відправляються із заводу, вказується марка сплаву і стан поставки: М - м'яке (відпалене); Н - нагартоване; Н2 - напівнагартоване; Т - загартоване та природно зістарене протягом 3 - 6 діб при кімнатній температурі; Т1 - загартоване і штучно зістарене протягом кількох годин при підвищеній температурі; Т4 - не повністю загартоване та природно зістарене; Т5 - не повністю загартоване та штучно зістарене. Напівфабрикати, що поставляються без обробки, не мають додаткового позначення.

З великої кількостімарок алюмінію до застосування у будівництві рекомендуються такі:

Термічно неукрепляемые сплави: АД1 і АМцМ; АМг2М та АМг2МН2 (листи); АМг2М (труби);

Термічно зміцнювані метали: АД31Т1; АД31Т4 та АД31Т5 (профілі);

1915 та 1915Т; 1925 та 1925Т; 1935, 1935Т, АД31Т (профілі та труби).

Всі зазначені вище сплави, за винятком сплаву 1925Т, який використовується тільки для клепаних конструкцій, добре зварюються. Для литих деталей використовується ливарний метал марки АЛ8.

Конструкції з алюмінію завдяки малій масі, стійкості проти корозії, холодностійкості, антимагнітності, відсутності іскроутворення, довговічності та гарного виглядумають широкі перспективи застосування у багатьох галузях будівництва. Однак через високу вартість використання алюмінієвих сплавів у будівельних конструкціях обмежене.

Алюміній та нержавіюча сталь можуть виглядати схожими, але насправді вони зовсім різні. Запам'ятайте ці 10 відмінностей та керуйте ними під час вибору типу металу для вашого проекту.

1. Співвідношення міцності та ваги.Алюміній зазвичай не такий міцний, як сталь, але при цьому він набагато легший. Це основна причина, чому літаки виготовлені з алюмінію.
2. Корозія.Нержавіюча сталь складається із заліза, хрому, нікелю, марганцю та міді. Хром додають як елемент для забезпечення корозійної стійкості. Алюміній має високу стійкість до окислення та корозії, головним чином завдяки спеціальної плівціна поверхні металу (шару, що пасивує). Коли алюміній окислюється, його поверхня стає білою і іноді на ній з'являються западинки. У деяких екстремальних кислотних або лужних середовищах алюміній може зазнати корозії з катастрофічною швидкістю.
3. Теплопровідність.Алюміній має набагато кращу теплопровідність, ніж нержавіюча сталь. Це одна з основних причин, через яку він використовується для автомобільних радіаторів та кондиціонерів.
4. Вартість.Алюміній зазвичай дешевше, ніж нержавіюча сталь.
5. Технологічність.Алюміній досить м'який і легше ріжеться та деформується. Нержавіюча сталь більше міцний матеріал, але з ним важче працювати, оскільки він піддається деформації з великими труднощами.
6. Зварювання.Нержавіюча сталь відносно легко зварюється, тоді як із алюмінієм можуть виникнути проблеми.
7. Теплові властивості.Нержавіюча сталь може використовуватися при набагато більше високих температурах, Алюміній, який може стати дуже м'яким вже при 200 градусах.
8. Електрична провідність.Нержавіюча сталь - справді поганий провідник у порівнянні з більшістю металів. Алюміній – навпаки, дуже гарний провідник електрики. Через високу провідність, малу масу та корозійну стійкість високовольтні повітряні лініїелектропередач зазвичай виготовляються з алюмінію.
9. Міцність.Нержавіюча сталь міцніша за алюміній.
10. Вплив на продукти харчування.Нержавіюча сталь меншою мірою вступає в реакцію з продуктами. Алюміній може реагувати на продукти, які можуть впливати на колір та запах металу.

Ще не знаєте, який метал підходить для ваших цілей? Зв'яжіться з нами по телефону, електронній поштіабо приїжджайте до нашого офісу. Наші менеджери з роботи з клієнтами допоможуть вам зробити правильний вибір!

Вибираючи металовироби – сушки для рушників і перила, посуд і огородження, решітки або поручні – ми вибираємо, в першу чергу, матеріал. Традиційно конкуруючими вважаються нержавіюча сталь, алюміній та звичайна чорна сталь (вуглецева). Володіючи подібними характеристиками вони, тим не менш, істотно відрізняються один від одного. Має сенс порівняти їх і розібратися, що краще: алюміній або нержавіюча сталь(чорна сталь, через низьку корозійну стійкість, розглядатися не буде).

Алюміній: характеристики, переваги, недоліки

Один із найлегших металів, що в принципі використовуються в промисловості. Дуже добре проводить тепло, не схильний до кисневої корозії. Алюміній випускається кількох десятків видів: кожен зі своїми добавками, що збільшують міцність, стійкість до окиснення, ковкість. Однак, за винятком дуже дорогого авіаційного алюмінію, всім їм притаманний один недолік: надмірна м'якість. Деталі цього металу легко деформуються. Саме тому неможливе використання алюмінію там, де під час експлуатації на виріб впливає великий тиск (гідроудари в системах водопостачання, наприклад).

Стійкість до корозії у алюмініюдещо завищена. Так, метал не «прогниє». Але тільки за рахунок захисного шару з оксиду, який на повітрі утворюється на виробі за лічені години.

Нержавіюча сталь

Сплав практично не має недоліків – крім високої ціни. Він не боїться корозії не теоретично, як алюміній, а практично: на ньому не з'являється оксидної плівки, а значить, згодом. нержавіюча сталь» не тьмяніє.

Трохи важча, ніж алюміній, нержавіюча сталь відмінно справляється з ударними впливами, високим тискомта стиранням (особливо марки, в яких є марганець). Теплопередача у неї гірша, ніж у алюмінію: але завдяки цьому метал не потіє, на ньому менше конденсату.

За підсумками порівняння стає ясно – для виконання завдань, де потрібна мала вага металу, міцність та надійність, нержавіюча сталь краще, ніж алюміній.

Опис алюмінію:Алюміній не має поліморфних перетворень, має грати гранецентрованого куба з періодом а=0,4041 нм. Алюміній та його сплави добре піддаються гарячій та холодній деформації — прокатці, ковці, пресуванні, волоченню, згинанні, листовому штампуванню та іншим операціям.

Усі алюмінієві сплави можна з'єднувати точковим зварюванням, А спеціальні сплави можна зварювати плавленням та іншими видами зварювання. Деформовані алюмінієві сплави поділяються на термічною обробкою, що зміцнюється і не зміцнюється.

Всі властивості сплавів визначають не тільки способом отримання напівфабрикату заготівлі та термічною обробкою, але головним чином хімічним складом та особливо природою фаз – зміцнювачів кожного сплаву. Властивості старіючих алюмінієвих сплавів залежать від видів старіння: зонного, фазового чи коагуляційного.

На стадії коагуляційного старіння (Т2 та ТЗ) значно підвищується корозійна стійкість, причому забезпечується найбільш оптимальне поєднанняхарактеристик міцності, опору корозії під напругою, корозії, що розшаровує, в'язкості руйнування (К 1с) і пластичності (особливо у висотному напрямку).

Стан напівфабрикатів, характер плакування та напрямок вирізки зразків позначені наступним чином - Умовні позначенняпрокату з алюмінію:

М - М'який, відпалений

Т - загартований і природно зістарений

Т1 - загартований і штучно зістарений

Т2 - загартований і штучно зістарений за режимом, що забезпечує більш високі значення в'язкості руйнування і кращий опір корозії під напругою

ТЗ - загартований і штучно зістарений за режимом, що забезпечує найвищі опори корозії під напругою і в'язкість руйнування

Н - Нагартований (нагартовування листів сплавів типу дуралюмії приблизно 5-7%)

П - Напівнагартований

H1 - Посилено нагартований (нагартування листів приблизно 20%)

ТПП - загартований і природно зістарений, підвищеної міцності

ГК - Гарячекатані (листи, плити)

Б - Технологічне плакування

А - Нормальне плакування

УП - Потовщене плакування (8% на бік)

Д - Поздовжній напрямок (вздовж волокна)

П - Поперечний напрямок

В - Висотний напрямок (товщина)

X - Хордовий напрямок

Р - Радіальний напрямок

ПД, ДП, ВД, ВП, ХР, РХ - Напрямок вирізки зразків, що застосовується для визначення в'язкості руйнування та швидкості зростання тріщини втоми. Перша буква характеризує напрямок осі зразка, друга — напрямок площини, наприклад: ПВ — вісь зразка збігається з шириною напівфабрикату, а площина тріщини паралельна висоті або товщині.

Аналіз та отримання проб алюмінію: Руди.В даний час алюміній отримують лише з одного виду руди - бокситів. У бокситах, що зазвичай використовуються, міститься 50—60% А 12 Про 3 ,<30% Fe 2 О 3 , несколько процентов SiО 2 , ТiО 2 , иногда несколько процентов СаО и ряд других окислов.

Проби від бокситів відбирають за загальними правилами, звертаючи особливу увагу на можливість поглинання вологи матеріалом, а також різне співвідношення часток великих і дрібних частинок. Маса проби залежить від величини випробуваної поставки: від кожних 20 т необхідно відбирати у загальну пробу щонайменше 5 кг.

При відборі проб бокситу в конусоподібних штабелях від усіх великих шматків масою >2 кг, що лежать в колі радіусом 1 м, відколюють маленькі шматочки і відбирають у лопату. Об'єм, що бракує, заповнюють дрібними частинками матеріалу, взятими з бічної поверхні випробуваного конуса.

Відібраний матеріал збирають в судини, що щільно закриваються.

Весь матеріал проби подрібнюють у дробарці до частинок розміром 20 мм, зсипають у конус, скорочують і знову дроблять до частинок розміром<10 мм. Затем материал еще раз перемешивают и отбирают пробы для определения содержания влаги. Оставшийся материал высушивают, снова сокращают и измельчают до частиц размером < 1 мм. Окончательный материал пробы сокращают до 5 кг и дробят без остатка до частиц мельче 0,25 мм.

Подальшу підготовку проби для аналізу проводять після висушування при 105° С. Розмір частинок проби для аналізу має бути меншим за 0,09 мм, кількість матеріалу 50 кг.

Підготовлені проби бокситу дуже схильні до розшарування. Якщо проби, що складаються з частинок розміром<0,25 мм, транспортируют в сосудах, то перед отбором части материала необходимо перемешать весь материал до получения однородного состава. Отбор проб от криолита и фторида алюминия не представляет особых трудностей. Материал, поставляемый в мешках и имеющий однородный состав, опробуют с помощью щупа, причем подпробы отбирают от каждого пятого или десятого мешка. Объединенные подпробы измельчают до тех пор, пока они не будут проходить через сито с размером отверстий 1 мм, и сокращают до массы 1 кг. Этот сокращенный материал пробы измельчают, пока он не будет полностью проходить через сито с размером отверстий 0,25 мм. Затем отбирают пробу для анализа и дробят до получения частиц размером 0,09 мм.

Проби від рідких розплавів фторидів, що застосовуються при електролізі алюмінієвого розплаву в якості електролітів, відбирають сталевим черпаком з рідкого розплаву після видалення твердої настилі з поверхні ванни. Рідку пробу розплаву зливають у виливницю і отримують невеликий зливок розмірами 150х25х25 мм; потім всю пробу подрібнюють до розміру частинок лабораторної проби менше 0,09 мм.

Плавка алюмінію:Залежно від масштабів виробництва, характеру лиття та енергетичних можливостей плавку алюмінієвих сплавів можна проводити в печах тигельних, в електропечах опору і в індукційних електропечах.

Плавка алюмінієвих сплавів повинна забезпечувати не тільки високу якість готового сплаву, а й високу продуктивність агрегатів та, крім того, мінімальну вартість лиття.

Найбільш прогресивним методом плавлення алюмінієвих сплавів є метод індукційного нагрівання струмами промислової частоти.

Технологія виготовлення алюмінієвих сплавів складається з тих же технологічних етапів, що і технологія виготовлення сплавів на основі будь-яких інших металів.

1. При проведенні плавки на свіжих чушкових металах і лігатурах в першу чергу завантажують (повністю або частинами) алюміній, а потім розчиняють лігатури.

2. При проведенні плавки з використанням у шихті попереднього чушкового сплаву або чушкового силуміну в першу чергу завантажують і розплавляють чушкові сплави, а потім додають необхідну кількість алюмінію та лігатур.

3. У тому випадку, коли шихта складена з відходів та чушкових металів, її завантажують у наступній послідовності: чушковий первинний алюміній, браковані виливки (зливки), відходи (першого сорту) та рафінований переплав та лігатури.

Мідь можна вводити у розплав у вигляді лігатури, а й як електролітичної міді чи відходів (введення шляхом розчинення).

В даний час найбільш поширеними на російському ринку системи НВФ можна розділити на три великі групи:

• системи з підлицювальною конструкцією з алюмінієвих сплавів;
• системи з підлицювальною конструкцією з оцинкованої сталі з полімерним покриттям;
• системи з підлицювальною конструкцією з нержавіючої сталі.

Найкращі міцнісні та теплофізичні показники, безумовно, мають підлицювальні конструкції з нержавіючої сталі.

Порівняльний аналіз фізико-механічних властивостей матеріалів

*Властивості нержавіючої та оцинкованої сталі відрізняються незначно.

Теплотехнічні та міцнісні характеристики нержавіючої сталі та алюмінію

1. Враховуючи в 3 рази меншу несучу здатність та в 5,5 разів більшу теплопровідність алюмінію, кронштейн із алюмінієвого сплаву є сильнішим "мостом холоду", ніж кронштейн із нержавіючої сталі. Показником цього є коефіцієнт теплотехнічної однорідності огороджувальної конструкції. За даними досліджень коефіцієнт теплотехнічної однорідності огороджувальної конструкції при застосуванні системи з нержавіючої сталі становив 0,86-0,92, а для алюмінієвих систем він дорівнює 0,6-0,7, що змушує закладати більшу товщину утеплювача і, відповідно, збільшувати вартість фасаду .

Для м. Москви необхідний опір теплопередачі стін з урахуванням коефіцієнта теплотехнічної однорідності становить нержавіючий кронштейн - 3,13/0,92=3,4 (м2.°C)/Вт, для алюмінієвого кронштейна - 3,13/0,7= 4,47 (м 2 .°C)/Вт, тобто. на 1,07 (м 2 .°C)/Вт вище. Звідси при використанні алюмінієвих кронштейнів товщина утеплювача (з коефіцієнтом теплопровідності 0,045 Вт/(м.°C) повинна прийматися майже на 5 см більше (1,07*0,045=0,048 м)).

2. Через більшу товщину та теплопровідність алюмінієвих кронштейнів за розрахунками, проведеними в НДІ Будівельної фізики, при температурі зовнішнього повітря -27 °C температура на анкері може опускатися до -3,5 °C і навіть нижче, т.к. у розрахунках площа поперечного перерізу алюмінієвого кронштейна приймалася 1,8 см 2 тоді як реально вона становить 4-7 см 2 . При застосуванні кронштейна з нержавіючої сталі температура на анкері склала +8 °C. Тобто, при застосуванні алюмінієвих кронштейнів анкер працює в зоні знакозмінних температур, де можлива конденсація вологи на анкері з наступним замерзанням. Це буде поступово руйнувати матеріал конструктивного шару стіни навколо анкера і відповідно знижувати його здатність, що несе, що особливо актуально для стін з матеріалу з низькою несучою здатністю (пінобетон, пустотіла цегла та ін.). При цьому теплоізоляційні прокладки під кронштейн через їх малу товщину (3-8 мм) і високу (щодо утеплювача) теплопровідність знижують втрати втрати всього на 1-2 %, тобто. практично не розривають "міст холоду" і мало впливають на температуру анкера.

3. Низьке температурне розширення напрямних. Температурні деформації алюмінієвого сплаву у 2,5 рази більші, ніж нержавіючої сталі. Нержавіюча сталь має нижчий коефіцієнт температурного розширення (10 10 -6 °C -1) порівняно з алюмінієм (25 10 -6 °C -1). Відповідно подовження 3-метрових напрямних при перепаді температур від -15 °C до +50 °C становитиме 2 мм для сталі та 5 мм для алюмінію. Тому для компенсації температурного розширення алюмінієвої напрямної необхідна ціла низка заходів:

а саме - введення в підсистему додаткових елементів - рухомих санок (для П-подібних кронштейнів) або овальних отворів із втулками для заклепок - не жорстка фіксація (для L-образних кронштейнів).

Це неминуче призводить до ускладнення та подорожчання підсистеми або неправильного монтажу (оскільки часто буває, що монтажники не використовує втулки або неправильно фіксує вузол з додатковими елементами).

В результаті цих заходів вагове навантаження припадає тільки на несучі кронштейни (верхній і нижній), а інші служать лише як опора, а це означає, що анкери навантажені не рівномірно і це обов'язково потрібно враховувати при розробці проектної документації, що часто просто не роблять. У сталевих системах все навантаження розподіляється рівномірно - всі вузли жорстко зафіксовані - незначні температурні розширення компенсуються з допомогою роботи всіх елементів на стадії пружної деформації.

Конструкція кляммера дозволяє робити зазор між плитами в системах з нержавіючої сталі від 4 мм, тоді як в алюмінієвих системах - не менше 7 мм, що не влаштовує багатьох замовників і псує зовнішній вигляд будівлі. Крім того, клямер повинен забезпечувати вільне переміщення плит облицювання на величину подовження напрямних, інакше відбуватиметься руйнування плит (особливо на стику напрямних) або розгинання клямеру (і те, й інше може призвести до випадання плит облицювання). У сталевій системі немає небезпеки розгинання лапок клямера, що може з часом відбутися в алюмінієвих системах через великі температурні деформації.

Протипожежні властивості нержавіючої сталі та алюмінію

Температура плавлення нержавіючої сталі 1800 ° C, а алюмінію 630/670 ° C (залежно від сплаву). Температура при пожежі на внутрішній поверхні плитки (за результатами випробувань МООУ «Регіональний сертифікаційний центр «ДОСВІДНЕ») досягає 750 °C. Таким чином, при застосуванні алюмінієвих конструкцій може статися розплавлення підконструкції та обвалення частини фасаду (в зоні віконного отвору), а при температурі 800-900 ° С алюміній сам по собі підтримує горіння. Нержавіюча сталь при пожежі не плавиться, тому найкраща за вимогами пожежної безпеки. Наприклад - м. Москва під час будівництва висотних будівель алюмінієві підконструкції взагалі допускаються до застосування.

Корозійні властивості

На сьогоднішній день єдиним достовірним джерелом про корозійну стійкість тієї чи іншої підлицювальної конструкції, а відповідно і довговічності, є експертний висновок «ЕкспертКор-МІСіС».

Найбільш довговічними є конструкції із нержавіючих сталей. Термін служби таких систем становить не менше 40 років у міській промисловій атмосфері середньої агресивності та не менше 50 років в умовах умовно-чистої атмосфери слабкої агресивності.

Алюмінієві сплави, завдяки оксидній плівці, мають високу корозійну стійкість, але в умовах підвищеного вмісту в атмосфері хлоридів і сірки можливе виникнення міжкристалітної корозії, що швидко розвивається, що призводить до істотного зниження міцності елементів конструкції і їх руйнування. Таким чином, термін служби конструкції із алюмінієвих сплавів в умовах міської промислової атмосфери середньої агресивності не перевищує 15 років. Однак, за вимогами Росстрою, у разі застосування алюмінієвих сплавів для виготовлення елементів підконструкції НВФ, всі елементи обов'язково повинні мати анодне покриття. Наявність анодного покриття збільшує термін служби підконструкції із алюмінієвого сплаву. Але при монтажі підконструкції різні її елементи з'єднуються заклепками, навіщо свердляться отвори, що викликає порушення анодного покриття ділянці кріплення, т. е. неминуче створюються ділянки без анодного покриття. Крім того, сталевий осердя алюмінієвої заклепки спільно з алюмінієвим середовищем елемента становить гальванічну пару, що також веде до розвитку активних процесів міжкристалітної корозії у місцях кріплення елементів підконструкції. Варто відзначити, що найчастіше дешевизна тієї чи іншої системи НВФ з підконструкцією з алюмінієвого сплаву обумовлена ​​саме відсутністю анодного захисного покриття на елементах системи. Несумлінні виробники таких підконструкцій заощаджують на дорогих електрохімічних процесах анодування виробів.

Недостатню корозійну стійкість, з точки зору довговічності конструкції, має оцинкована сталь. Але після нанесення полімерного покриття термін служби підконструкції з оцинкованої сталі з полімерним покриттям складе 30 років за умов міської промислової атмосфери середньої агресивності, і 40 років за умов умовно-чистої атмосфери слабкої агресивності.

Порівнявши перелічені вище показники алюмінієвих і сталевих підконструкцій, можна зробити висновок - сталеві підконструкції за всіма показниками значно перевершують алюмінієві.