Металлические конструкции.

Тема занятия 6. Материалы для металлических конструкций, их состав, свойства. Основным материалом металлических конструкций является сталь. Она должна обладать необходимой прочностью, быть достаточно пластичной, хорошо свариваться и сопротивляться динамическим воздействием без перехода в хрупкое состояние. При необходимости значительно снизить массу конструкций и повысить их коррозионную стойкость используют алюминиевые сплавы.

Сталь – сплав железа с углеродом. Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают:

1. Добавками углерода. Углеродистая сталь в зависимости от содержания углерода подразделяются на: а) малоуглеродистую с содержанием углерода (0,09-0,22) %,применяемую в строительных конструкциях (малоуглеродистая сталь обычной прочности); б) среднеуглеродистую с содержанием углерода (0,25-0,5)%, применяемую в машиностроении; в) высокоуглеродистую с содержанием углерода (0,6-1,2)%, применяемую в инструментальной промышленности.

2. Легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и др.элементами. В зависимости от содержания легирующих компонентов, стали делятся на: а) низколегированные - легирующие элементы до 2,5%, применяемые в строительных конструкциях (низколегированные стали повышенной прочности); б) среднелегированные – легирующие компоненты (2,5-5)%; в) высоколегированные - легирующие компоненты более 10%.

3. Термическим упрочнением и легированием получают, стали высокой прочности.

По способу выплавки стали подразделяются на мартеновские и конверторные. Современные методы выплавки конверторной стали с продувкой кислородом позволяют получит сталь, близкую по качеству к мартеновской. Поэтому при поставке углеродистых сталей способ их выплавки не различают.

Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется его механическими свойствами:

1) сопротивлением статическим воздействием - временным сопротивлением и пределом текучести ; 2) сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению; 3) показателями пластичности – относительным остаточным удлинением; 4) сопротивлением расслоению (изгибом в холодном состоянии); 5) ударной вязкостью стали, которое характеризует ее хрупкость и оценивается работой, которую надо совершить для разрушения специального образца с надрезом при его испытании на удар. Чем больше ударная вязкость стали, тем меньше хрупкость.

Значения этих показателей устанавливается ГОСТами. Кроме того, качество стали определяется сопротивлением многократному нагружению (усталостью); свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства и коррозионной стойкостью.

Особенности структуры сталей. Структура малоуглеродистой стали, определяющая ее механические свойства, зависит от температуры. Температура плавления чистого железа 1535⁰С. При охлаждении ниже этой температуры в процессе кристаллизации образуется так называемое - железо, имеющие кристаллическую решетку объемно-центрированного куба (ОЦК). Атомы железо располагаются по углам и в центре куба, всего 9 атомов. При температуре, равной 1400⁰С, когда железо находится уже в твердом состоянии, из - железо образуется – железо, обладающее гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК). Атомы железо располагаются плотно по углам куба решетки и в центре граней, всего 14 атомов. При 910⁰С с ГЦК решеткой - Fe вновь при охлаждении превращаются в более рыхлые, объемно-центрированные. И это состояние сохранится до комнатной и отрицательной температуры. Эта модификация железа называется -железо. Температура плавления железоуглеродистого сплава от содержания углерода. По мере увеличения содержания углерода в стали температура плавления снижается. При остывании образуется твердый раствор углерода в - Fe, называемой аустенитом, в котором атомы располагаются в центре ГЦК-14 атомов железа и 1 атом углерода. При 910⁰С из аустенита начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода (до 0,003%) в - железе, называемого ферритом. - железо в отличие от – железо плохо растворяет углерод, и поэтому его в феррите содержится незначительное количество. По мере выделения феррита из аустенита аустенит все более обогащается углеродом и при t = 723⁰С превращается в перлит-смесь, состоящую из феррита и карбида железа , называемого цементитом. Если феррит пластичен и малопрочен, цементит, наоборот, очень тверд и хрупок. Перлит обладает промежуточными свойствами. Феррит образует кристаллы, занимающие почти весь объем металла; цементит располагается между зернами феррита.

В малоуглеродистых сталях углерода мало (0,09-0,22%), поэтому цементит образуется только в отдельных местах, где вместе с частицами феррита составит смесь –перлит. Перлит размещается между зернами феррита в виде отдельных включений. Структура низколегированных сталей аналогична структуре малоуглеродистой стали. Низколегированные стали тоже содержат мало углерода, повышение их прочности достигается легированием - добавками, которые находятся в твердом растворе с ферритом и этом его упрочняют.

Химические составы сталей. Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и углерода с некоторыми добавками кремния, алюминия, марганца, меди. Каждому химическому элементу, входящему в состав стали, присвоена буква русского алфавита (указана в скобках), которая приводится при обозначении марки стали. 1. Углерод (У), повышая прочность стали, снижает пластичность и ухудшает ее свариваемость, Поэтому в строительных сталях углерод допускается не более 0,22%. 2.Кремний (С) повышает прочность стали, но ухудшает свариваемость стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях (С) применяется как хороший раскислитель; в этом случае он добавляется а пределах до 0,3%, в низколегированных сталях – до 1%. 3. Алюминий (Ю) хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышают ударную вязкость.4. Марганец (Г) повышает прочность и вязкость стали. Он служит хорошим раскислителем, снижает вредное влияние серы. В малоуглеродистых сталях марганец содержится до 0,64%, а в легированных – до 1,5%. 5. Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное содержание (более 0,7%) способствует старению стали.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды и нитриды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Г), хром (Х), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированной стали также повышают введением никеля (Н), меди (Д), кремния (С) и алюминия (Ю). Азот (А) в химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном становится легирующим элементом. Обозначение марок низколегированных сталей состоит из цифр (% содержания соответствующего компонента в целых единицах) и букв (наличие компонентов). Так как углерод присутствует в стали любой марки, его наличие не обозначается а количественное содержание в сотых долях % приводятся в начале обозначения марки. Например, марка стали 10Г2С1(С375) означает что содержание углерода составляет 0,10%, марганца -2%, кремния -1%. Увеличение прочности для некоторых видов стали достигается термическим упрочнением. Целью термической обработки стали и алюминиевых сплавов является искусственное изменение структуры сплава для улучшения его прочностных деформационных свойств. На свойства стали оказывают влияние различные примеси: сера вызывает хрупкость при повышенных температурах (красноломкость), фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). Содержание вредных примесей строго ограничивают.

По технологии изготовления малоуглеродистая сталь может быть кипящей (кп), полуспокойной (пс), спокойной (сп). Сталь называют кипящей, если ее сразу же (без выдержки) разливают в изложницы; при этом часть газов остается в затвердевшем металле в виде газовых пузырьков, которые снижают его качество. Спокойные (и в несколько меньшей степени полуспокойные) стали перед разливкой определенное время выдерживают, в результате чего устраняется возможность образование газовых пузырьков, а следовательно, повышается надежность работы стали в конструкциях, особенно при динамических нагрузках и в условиях низких температур. Низколегированные стали выплавляют только спокойными. По прочности все стали условно делят на три группы. Малоуглеродистые стали обычной прочности поставляется по 3 группам: группа А –с гарантированными механическими свойствами; группа Б –с гарантированным химическим составом; группа В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В строительных конструкциях применяют сталь группы В, т.к. для обеспечения прочности необходимо гарантия механических свойств, а для хорошей свариваемости и пластичности – гарантия химического состава. К этой группе относятся, стали С235…С285 различной степени раскисления. Стали повышенной прочности можно получить как термической обработкой малоуглеродистой стали, так и легированием. Малоуглеродистая термически обработанная сталь С345Т получается термической обработкой стали Ст3 кипящих, спокойных и полуспокойных плавок. К сталям повышенной прочности относятся стали С345, С375, С390. Прокат из низколегированной стали повышенной прочности поставляется по ГОСТу и легирует марганцем (Г), кремнием (С), хромом (Х), медью (Д), ванадием (Ф). Стали высокой прочности (С440 - С590) получают путем легирования и термической обработки. При сварке термообработанной стали необходимо учитывать возможное разупрочнение в околошовной зоне.

Алюминиевые сплавы. Алюминий по своим свойствам значительно отличается от стали. Если плотность стали , то алюминия , т.е. почти в 3 раза легче стали. Модуль упругости также в 3 раза меньше чем стали. Алюминий не имеет площадки текучести. Вследствие низкой прочности алюминий в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Поэтому его упрочняют: 1) легированием – сплавлением с другими металлами, которое повышает прочность, но снижает пластичность и ухудшает стойкость против коррозии; 2) нагартовкой – вытяжкой; 3) термической обработкой и естественным или искусственным старением. Поэтому алюминиевые сплавы имеют большое число марок. Их поставляют в различных состояниях термической обработки и нагартовки и обозначают: М – отожженный (мягкий); Н – нагартованный; ½ Н – полунагартованный; Т – закаленный и естественно состаренный в течение 3-6 суток при комнатной температуре; Т1 – закаленный и искусственно состаренный в течение нескольких часов при повышенной температуре. Символ состояния поставки добавляют к условному обозначению марки сплава через тире (АМг – М, АД-35-Т1 и т.д.). В строительстве применяют следующие сплавы: 1) сплав алюминия с магнием, называемой магналиями. Обозначается буквами АМг с добавлением цифры, указывающей % содержание магния АМг6); 2) сплав алюминия с медью, магнием и небольшим количеством марганца, называемой дюралюминами. Обозначается буквой «Д» с добавлением порядкового номера (Д1, Д16); 3) сплав алюминия с кремнием (1%), магнием (0,7%), медью (0,4%), марганца или хрома, называемой авиалем. Обозначается «АВ», применяется в конструкциях, сочетающих ограждающие и несущие функции, при строительстве в северных, в труднодоступных и в сейсмоопасных районах.

Сортамент для стальных конструкций. В стальных конструкциях применяется листовая и профильная прокатная сталь. Профильная сталь разделяется на сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавры, швеллеры, шпунтовые и другие фасонные профили). Кроме того, широко применяется сортамент вторичных профилей: сварных, профиль которых образован соединением на сварке отдельных полос или листов, и гнутых, образованных холодной гибкой стальных полос и листов. Наиболее дешевы прокатные профили, они непосредственно с металлургического завода идут на изготовление металлоконструкций. Для образования сварных и гнутых профилей требуется дополнительная операция- изготовление профиля из прокатного листа.

Основные параметры существующего сортамента металла. 1. Листовая сталь. Сталь прокатная толстолистовая, листы прокатывают толщиной 4-160 мм, в строительных конструкциях применяются листы до 40 мм. Градация толщин листовой стали: от 4 до 6 мм – через 1 мм, от 6 до 22 мм – через 2 мм и далее 25, 28, 30, 32, 36, 40, 50, 60, 80, 100 мм. Ширина листовой стали имеет размеры 600-3600 мм при длине 2-12 м. Толстолистовую сталь применяют в листовых конструкциях и сплошностенчатых сечениях отдельных элементов. Сталь прокатная широкополосная универсальная, толщина полос универсальной стали 4-60 мм с той же градацией, что и для толстолистовой стали, ширина полос 200-1050 мм, ходовая длина полос 5-12 м. Универсальную сталь применяют для полок и стенок сплошных балок, колонн и др. Сталь горячекатаная рулонная поставляется в свернутых рулонах, поэтому толщина ее ограничена 10 мм, ширина рулона 200-2300 мм. Перед изготовлением такую сталь необходимо править. Ее выгодно применять для больших тонкостенных элементов и листовых конструкций, т.к. при этом уменьшается количество стыков и отходов. Сталь прокатная тонколистовая горячекатаная, толщина листов 0,2-3,9 мм, ширина 600-2000 мм, длина 1,2-5 м. В строительных конструкциях применяется для гнутых профилей и кровель. Сталь прокатная полосовая, толщина полос 4-60 мм, ширина 12-200 мм, длина 3-9 м. Применяется в виде отдельных полос и для изготовления гнутых профилей. Сталь листовая рифленая, толщина листов 2,5-8 мм, ширина 600-1400 мм, длина 2-6,3 м. Рифленый лист применяется в виде настила на рабочих площадках, ступенях лестниц и т. д. Сталь листовую просечно-вытяжную, образуют вытяжкой листа в холодном состоянии с предварительно просеченными в нем щелями. Толщина листов 4,5-6 мм, ширина 500-1400 мм, длина до 6 м. Применяется для настилов различных площадок. Для ограждающих конструкций (кровель) применяются: сталь тонколистовая оцинкованная, стальной профилированный настил, листовая кровельная, сталь листовая волнистая. 2. Профильная сталь. Сталь прокатная угловая равнополочная, имеет свыше 70 типоразмеров. Наименьшей уголок с шириной полки 20 мм, толщиной полки 3 мм, площадью сечения 1,13 см². Наибольший уголок с шириной полки 250 мм, толщиной 30 мм и площадью 142 см². Уголки прокатывают длиной от 4 до 13 м. Сталь прокатная угловая неравнополочная, количество профилей свыше 50. Наименьшие размеры профиля В=25 мм, b=16 мм, t=3 мм при площади сечения 1,16 см²; наибольшие В=250 мм, b=160 мм, t=20 мм с площадью сечения 78,5 см². Балки двутавровые, их размеры определяются номером, которой соответствует высоте двутавра h, см. Сортамент включает двутавры с № 10 по № 60. Швеллеры, размеры также определяются их номером, соответствующем высоте швеллера h, см. Сортамент включает швеллеры с № 5 по № 40. Кроме перечисленных основных видов профильной стали в строительных конструкциях применяют: балки двутавровые для подвесных путей, трубы стальные бесшовные горячекатаные, рельсы крановые, рельсы железнодорожные, сталь горячекатаную круглую, сталь горячекатаную квадратную. 3. Сварные профили. Сварные двутавры Их изготовляют трех типов: для подкрановых балок, для колонн, балочные профили общего назначения. Трубы стальные электросварные. Сортамент содержит трубы диаметром до 1620 мм, толщина стенок труб меньшего диаметра 1-8 мм, большего 6-16 мм. Профили холодногнутые сварные квадратного и прямоугольного сечений, размеры квадратных труб 63-200 мм, толщина стенки 3-8 мм; прямоугольных от 63 х 32 до 250 х 180 мм при толщине 2-8 мм. 4. Гнутые профили. Сталь холодногнутая угловая равнополочная и неравнополочная, холодногнутые швеллеры и другие гнутые фасонные профили, которые применяются для легких стержневых систем, прогонов, связей и вспомогательных конструкций.

Сортамент для конструкций из алюминиевых сплавов. Профили из алюминиевых сплавов для строительных конструкций получают прокаткой, прессованием или гнутьем. Прокатывают только плоские профили: листы, полосы и ленты. Прессованные профили могут быть самого различного очертания, поперечное сечение их должно вписываться в круг диаметром матрицы размером 320 мм. Гнутые профили изготавливают гибкой тонких листов или лент на роликогибочных станках или гибочных прессах. Исходя из технологии изготовления, сортамент для алюминиевых сплавов включает: листы из алюминия и алюминиевых сплавов, употребительные размеры листов: толщина 0,3-10 мм, ширина 400-2000 мм длина 2-6 мм. Стандартные прессованные профили, могут применяться только в легких несущих конструкциях как конструктивные или декоративные элементы. Нестандартные прессованные профили, изготавливаются специальным заказом для конкретной конструкций. Гнутые профили из листов и полос, форма может быть, так же как и стальных и очень разнообразной.

Основная литература: 2[140-145], 4[299-302].

Дополнительная литература: 6[9-17], 11[11-20, 54-62].

Контрольные вопросы:

1. Материалы, применяемые для металлических конструкций и требования, предъявляемые к ним?

2. Способы повышения прочности строительных стали?

3. Назовите современный метод способа выплавки стали?

4. Какими механическими свойствами определяются качество стали?

5. Как различают строительные стали по химическому составу?

6. Назовите вредные примеси и их влияние на свойства стали?

7. Как разделяется сталь по технологии изготовления?

8. Особенности свойства алюминиевых сплавов?

9. Способы упрочнения алюминиевых сплавов?

10. Алюминиевые сплавы, применяемые в строительных конструкциях?

11. Опишите сортамент листовой и профильной стали.

12. Опишите сортамент алюминиевых сплавов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: