Строительство - одна из самых металлоемких отраслей народного хозяйства, значительная часть стали расходуется на изготовление металлоконструкций, из которых монтируются автодорожные и железнодорожные мосты, каркасы нро-мыпшенных и гражданских зданий, мачты и башни антенных устройств, оноры линий электропередачи, резервуары и газгольдеры для хранения нефти, нефтепродуктов и газов, трубопроводы и многое другое. Все эти конструкции изготовляются на заводах металлоконструкций индустриальным методом из стального проката массового применения с использованием для соединений наиболее производительных способов сварки.
Успех в создании конструкций - возможность их индустриального изготовления, надежность и долговечность в эксплуатации, технико-экономическая эффективность во МНОГОМ зависят от правильного выбора материала. В последние годы, благодаря совместным усилиям металлургов, металловедов и специалистов-сварщиков, улучшены существующие и разработаны новые эффективные марки стали и виды проката, значительно расширившие возможности проектирования. При ЭТОМ были сформулированы определенные требования к стальному прокату для металлоконструкций.
Размеры поперечных сечений многих элементов металлоконструкций а следовательно, и их масса, определяются расчетом, непосредственно учитывающим прочностные свойства материала - предел текучести и временное сопротивление разрыву [1]. Поэтому повышение прочности стали - наиболее действенное средство снижения металлоемкости и стоимости таких конструкций. Кроме того, при существующем сортаменте металлопроката повышение прочности стали позволяет увеличить максимальный пролет и высоту сооружений, повысить расчетные нагрузки, что создает благоприятные предпосылки для дальнейшего развития новых прогрессивных конструктивных и архитектурных форм.
Вместе с тем при изготовлении конструкций и на монтаже сталь подвергается действию технологических операций: сварке, резке огневым и механическим способами, механической обработке, правке, гибке, вальцовке. При этом она не должна разрушаться, сохраняя, по-возможности, стабильность микроструктуры и механических свойств. В сварных конструкциях, изобилующих концентраторами напряжений, сталь при эксплуатации длительное время должна выдерживать большие нагрузки статические, динамические и переменные, часто при низких климатических температурах. Наконец, сталь не должна иметь чрезмерную стоимость или значительную стоимость изготовления из нее конструкций, т.е. в условиях конкурентной возможности применения в конструкциях разных материалов сталь должна быгь экономически эффективной.
S 60
S 40
I К о
m 20
1.1. Требования к свойствам строительных сталей
Анализ этих положений и накопительный опыт позволяют выделить пять основных служебных свойств, которыми в той или иной мере должна обладать строительная сталь: прочность, свариваемость, сопротивление хрупкому разрушению, сопротивление вязкому разрушению, технико-экономическая эффективность.
1.1.1. Прочность. Эффективность повышения прочности стали в части снижения массы конструкции может быть иллюстрирована примерами элементов тяжелого пролетного строения моста, каркаса промышленного здания, растянутых элементов конструкций (рис. 1.1) [2]. За основу для сравнения принята наименее прочная углеродистая сталь обыкновенного качества с пределом текучести 230 МПа и временным сопротивлением 380 МПа. Из графика следует, что особенно интенсивное снижение массы конструкции наблюдается при относительном повышении прочности - до двух-, трехкратного уровня. При этом максимальное снижение массы достигается в сооружениях, в которых значительная часть несущей способности конструкции расходуется на поддержание собственного веса, например в элементах тяжелого пролетного строения; хорошие результаты дает использование высокопрочной стали в элементах, испытывающих растяжение, несколько худшее в конструкциях, включающих сжато-изогнутые элементы. Пе удается получить снижения массы при повышении прочности стали в элементах с малой жесткостью и
большой деформативностью, рассчитываемых по второй группе предельных состояний, а также в сжато-изогнутых элементах с большой гибкостью. Пе достигается оно и в элементах сварных конструкций, испытывающих интенсивные переменные силовые воздействия с большим числом циклов нагружения и малой асимметрией циклов.
Пз этого следует, что наиболее эффективными в части снижения массы (и стоимости) могут оказаться комбинированные конструкции, включающие элементы из сталей разных уровней прочности, которые выбираются, исходя из условий нагружения и конструктивных особенностей элементов.
Па основании приведенных представлений в государствах бывш. СССР для проката строительных сталей с учетом возможности упрочнения (при удовлетворении требований к другим служебным свойствам) бьши выбраны семь основных унифицированных уровней прочности, которым соответствует предел текучести не менее 225, 285, 325, 390, 440, 590 и 735 МПа и временное сопротивление разрыву не менее 375, 430, 450, 510, 590, 685 и 830 МПа соответственно.
1.1.2. Свариваемость. Традиционный способ повышения прочности стали состоит в увеличении содержания углерода и легирующих элементов. Установлено, однако, что при этом возрастает опасность появления в околошовной зоне закалочных микроструктур, хрупких холодных трещин и трещин задержанного хрупкого разрушения. Действие углерода в этом отношении особенно отрицательно. Влияние легирующих элементов и примеси выражают количественно сравнением с
200 400 600 800 1000
Предел текучести, Н/мм
Рис. 1.1. Снижение массы элементов металлоконструкций при замене углеродистой стали СтЗ сталью с
более высоким пределом текучести 1 - тяжелое пролетное строение; 2 -растянутые элементы конструкций;
3 - каркас промышленного здания
влиянием углерода. Предложено несколько десятков формул углеродного эквивалента Сэ. Наиболее признанными из них являются следующие четыре, в которых Сэ выражают содержанием углерода и соответствующих легирующих элементов, % по массе:
1) формула Международного института сварки (МИС) [3]
Мп Сг-hMo-hV Cu-nNi Сз,=С. -.---(1.1)
2) формула стандарта WES 135 японского общества сварщиков [4]
Мп Si Ni Cr Mo V Си = 24 40 Т -
3) формула Ито и Бессио [5]
Si Мп Си Ni Cr Mo V
Cq =С + - +-+-+ - + - +-+ - -н5В; (1.3)
30 20 20 60 20 15 10
ее авторы полагают, что формула справедлива в диапазоне содержаний 0,07-0,22 %
где сомножитель A(Q, отражающий влияние повышения содержания углерода на усиление совместного действия легирующих элементов, имеет величину A(Q = = 0,75 + 0,25 tli[20(C-0,12)].
Полагают, что при расчете по формулам (1.1), (1.2) и (1.4) при Сэ<0,35 сварка стали не вызывает затруднений, при 0,35<С<0,6 требуются возрастающие технологические меры предосторожности, при Сэ > 0,6 вероятность появления трещин без осуществления специальных мер опасно увеличивается. При расчете по формуле (1.3) этим ситуациям соответствуют меньшие значения С.
Кроме того, образование закалочных микроструктур и связанных с ними трещин зависит от скорости охлаждения металла шва и околошовной зоны, на которую влияют тепловые параметры сварки (тепловложение, начальная температура) и конструктивные особенности соединения (форма, толщина). При сварке стали с ОДНИМ и тем же углеродным эквивалентом с возрастанием скорости охлаждения вероятность образования закалочных микроструктур увеличивается, что находит отражение в монотонном росте максимальной твердости в околошовной зоне. Поэтому ограничение максимальной твердости некоторой критической величиной может служить хорошим критерием для выбора стали и условий ее применения. Так в японских стандартах на сталь для сварных конструкций, помимо ограничений по углеродному эквиваленту, с 70-х годов введено ограничение по максимальной твердости в околошовной зоне: не свыше 350 HV.
Следует также иметь в виду, что в прокате каждой промышленной марки стали содержание элементов может изменяться в определенном (часто весьма широком) интервале марочных составов. В соответствии с этим и углеродный эквивалент стали каждой марки также может варьироваться в весьма широких пределах. Это наглядно иллюстрирует табл. 1.1, содержащая подсчеты Сэ для марочных составов сталей, применяемых в сварных конструкциях. В ней приведены средние значения и пределы изменения Сэ для ряда отечественных строительных сталей. Они рассчитаны по четырем формулам с учетом вариации содержания элементов в пределах марочных составов (включая допускаемые отклонения в готовом прокате).
