Сталь, ее свойства и характеристики

Сталь — это сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество ме­талла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или обра­зуются в процессе выплавки.

По прочностным свойствам стали условно делят на три группы: обычной прочности ( < 29 кН/см²: С 235, 245, 255,275); повышенной прочности (29 кН/см² ≤ < 40 кН/см²: С 295,315, 345); высокой прочности { > 40 кН/см²: С400 –С100, используют в основном для болтов).

Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки (медь, хром и т.д.) специально не вводятся и могут попасть в сталь из руды. Углерод, повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому для строительных металлических конструкций применяют только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,22%.

В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добавки, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стали, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяют

низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5%.

Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (X), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А). Состав легирующих добавок указывают в наименовании стали: первые две цифры в марке стали

соответствуют содержанию углерода в сотых долях процента, далее перечисляют добавки и их содержание с округлением до целых процентов, цифру 1 при этом обычно не проставляют. Например: 09Г2С, 14Г2АФ.

Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, но снижает пластичность, ухудшает при повышенном содержании свариваемость и коррозионную стойкость. Вредное влияние кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца. Марганец повышает прочность, является хорошим раскислителем и, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. При содержании марганца более 2,0% сталь становится хрупкой. Медь несколько повышает прочность стали и увеличивает ее стойкость против коррозии. Алюминий хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость и т.д.

Вредные примеси - к ним в первую очередь относится фосфор, который, растворясь в феррите, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладоломкость). Однако при

наличии алюминия фосфор может служить легирующим элементом, повышающим коррозионную стойкость стали. На этом основано получение атмосферостойких сталей. Сера вследствие образования легкоплавкого сернистого железа, делает сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800-1000*'С). Это особенно опасно для сварных конструкций. Вредное влияние серы снижается при повышенном содержании марганца. Содержание серы и фосфора в стали ограничивается и должно быть не более 0,03...0,05%.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует

подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0,0007%), но, концентрируясь около включений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам зерен, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению, снижению временного

сопротивления и ухудшению пластических свойств. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

В зависимости от вида поставки стали подразделяют на горячекатаные и термообработанные (нормализованные или термически улучшенные). В горячекатаном состоянии сталь далеко не всегда обладает оптимальным комплексом свойств. При нормализации измельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличивается вязкость, однако существенного повышения прочности не происходит. Термическое улучшение (закалка в воде и высокотемпературный отпуск) позволяют получить стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению. Существенное снижение затрат по термической отработке стали можно получить,

если проводить закалку непосредственно с прокатного нагрева.

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными, спокойными. Нераскисленные стали кипят при разливке вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной.Чтобы повысить качество низкоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния от 0,12 до 0,3% или алюминия до 0,1%. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спокойными.хрупкому разрушению. Ее применяют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям. Однако спокойные стали примерно на 12% дороже кипящих, что заставляет ограничивать их применение и переходить, когда это выгодно по технико-экономическим соображениям, на изготовление

конструкций из полуспокойной стали. Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной

между кипящей и спокойной. Ее раскисляют меньшим количеством кремния - 0,05...0,15% (редко алюминием).

Механические свойства стали определяются их прочностными и деформативными характеристиками (т.к. 2 группы предельных состояний), получаемыми испытаниями образцов с получением зависимости «».

К прочностным характеристикам относятся:

4. - временное сопротивление, напряжение при разрыве, разрешении образца,

5. - физический предел текучести для мягких сталей, напряжение, соответствующее текучести стали (рост деформаций без заметного увеличения напряжений)

6. - условный предел текучести для твердых сталей, напряжение, соответствующее равенству 0,2% остаточных (пластических) деформаций.

К деформативным характеристикам относятся:

3. E_S – модуль упругости стали = 20*10⁴, E_S = tg α

4. - полное относительное удлинение после разрыва. 5 или 10 –число шагов нанесенных рисок образца, включающих место разрыва. , L_k, Lн – конечная и начальная длина эл-в

Перечисленные характеристики являются сертифицированными, указываются в паспортах на арматурную сталь.

Деформации ε могут быть упругими и пластическими (остаточными). , L –база испытываемого эл-та на расстяжение.

Рабочий диапазон мягких сталей: 0… ;

твердых: 0…. .

Прочность мягкой стали < прочности твердой. Чем > пластичность, тем < опасность хрупкого внезапного разрушения. Мягкая сталь более надежная.

Особенно важны пластические свойства мягких сталей в местах перегибов. С пластичностью стали тесно связано свойство свариваемости. Чем < пластичность, тем хуже свариваемость. Плохо свариваются упрочненные стали. При этом происходит нагрев и разупрочнение. Некоторые стали обладают свойством хладноломкости (сталь 35 ГС), т.е. склонностью к хрупкому разрушению при низких температурах.

Как и бетон, арматурные стали проявляют свойства ползучести (нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки) и релаксации (уменьшение напряжений при ограничении свободы деформации).