Строительные типы стали: виды и сферы применения

Строительные виды стали применяются не только для возведения зданий, но и для постройки различных сооружений и оборудования: ферм, газо- и нефтепроводов, котлов, мостов и т. д. Соответственно, набор требований к этой категории металлов будет отличаться, но можно выделить, пожалуй, главный – свариваемость.

Соответственно, добавление различных элементов в сталь будет сказываться как на свариваемости, так и на прочих характеристиках стали. В нашей статье мы расскажем, какой бывает строительная сталь, разберем ее свойства и поговорим о правилах маркировки и выбора.

Понятие и виды строительной стали

Сталью принято называть содержащий углерод сплав железа. Ее качество определяется совокупностью химического состава, однородностью структуры, физико-химическими свойствами и тем, насколько хорошо она поддается обработке. Все эти показатели формируются в процессе выплавки и термообработки металла.

Строительными называют конструкционные малоуглеродистые, низко- или нелегированные марки стали, используемые для изготовления деталей тех или иных конструкций. В ходе монтажа части сооружения скрепляют, сваривая их между собой, склепывая или применяя иной способ соединения.

Сталь для строительных конструкций может быть и легированной, то есть улучшенной путем введения в ее состав специальных компонентов, которые называются легирующими добавками. Легирование позволяет существенно повысить прочность, жаростойкость и другие важные характеристики металла.

Среди главных требований, которым должна отвечать строительная сталь – прочность, свариваемость, пластичность и другие показатели, регламентируемые соответствующими нормативами. Одной из важнейших характеристик таких сортов металла является их углеродистость. С увеличением процентного содержания углерода в сплаве растет его твердость и некоторые другие важные свойства, но одновременно повышается склонность к хрупкому разрушению и снижается свариваемость.

Классификация типов строительной стали производится по ряду различных параметров. Одной из важнейших здесь является прочность. Различают три ее вида:

• обычная;
• повышенная;
• высокая.

Кроме того, строительную сталь принято разделять на группы по химическому составу:

1. Малоуглеродистые типы стали, которые широко применяются в строительстве, отличает повышенные пластичность и свариваемость.
2. Для низколегированных конструкционных сортов металла характерен высокий предел текучести, что позволяет добиваться снижения массы конструкций. Такие сплавы отличаются высокой стойкостью к коррозии и прекрасной свариваемостью. Строительные низколегированные типы стали содержат не более 2,5 % улучшающих добавок. Относительно малый вес и устойчивость к окислению позволяют широко применять такой металл в строительстве гидротехнических сооружений, где, помимо высоких механических нагрузок, на изделия постоянно воздействует влага.
3. К легированным принято относить виды строительной стали, в состав которых входит от 2,6 до 10 % легирующих добавок, существенно улучшающих эксплуатационные качества.

Химические и механические свойства строительной стали

Основные механические свойства:

• нормативное сопротивление статическому воздействию, временное сопротивление и предел текучести (устанавливаются испытаниями на растяжение, сжатие и изгиб);
• сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударная вязкость при различной температуре);
• пластичность (относительное удлинение при испытаниях нагрузками);
• сопротивление расслоению (загиб в холодном состоянии, определяемый углом загиба).

Основные химические свойства:

• Окисляемость. Это склонность сплава образовывать соединения с кислородом, которая возрастает при его нагреве. Для малоуглеродистых типов стали характерно образование ржавчины (слоя, состоящего из оксида железа) при контакте с влагой и воздухом.
• Коррозионная стойкость – сопротивляемость стали окислению под воздействием факторов окружающей среды.
• Жаростойкость. Так называют устойчивость металла к образованию окислов и окалины под воздействием высокой температуры.
• Жаропрочность. Это способность сплава сохранять физические параметры при интенсивном нагреве.

Структура металла может содержать как феррит и цементит в виде простых зерен, так и комбинации из зерен феррита с длинными узкими пластинами цементита внутри. Такие сочетания зерен в структуре сплава принято называть перлитами. Легирующие компоненты в составе металла позволяют упрочить основу из ферритов и укрепить связь зерен между собой.

Все металлы, помимо основных элементов (железо и углерод), включают в свой состав как легирующие добавки, вводимые для улучшения их физико-химических качеств, так и примеси различных элементов, попадающие в сплав из-за тех или иных погрешностей технологического процесса. Принято условное разделение примесей на две категории – полезных и вредных.

Полезные элементы:

• Углерод. Необходим для улучшения прочности, вязкости и закаливаемости металла. В концентрациях ниже 0,25 % он не сказывается на свариваемости стали, тогда как в больших количествах начинает ее ухудшать.
• Кремний. В процентном содержании до 0,6 % повышает упругость металла, но в концентрации ниже 0,3 % отрицательно сказывается на свариваемости и ударной вязкости металла.
• Марганец. В концентрации до 1,8 % улучшает закаливаемость стали, однако большее содержание этого элемента ведет к ухудшению свариваемости, так как возрастает риск появления горячих трещин.
• Хром. В процентном содержании от 0,3 % до 35 % способствует повышению твердости и прочности металла, одновременно отрицательно сказываясь на его пластичности и ударной вязкости. Кроме того, этот элемент под действием высокой температуры может образовывать карбиды и ухудшать свариваемость.
• Никель. Никак не сказываясь на свариваемости, повышает прочность и пластичность стали.
• Молибден. Позволяет повысить термостойкость металла, способствует увеличению его твердости. Благодаря легированию строительной стали этим элементом улучшается несущая способность конструкций при эксплуатации под ударными нагрузками и воздействием экстремально высокой температуры. Отрицательно сказывается на свариваемости из-за склонности к окислению и выгоранию.
• Ванадий. Позволяет добиться повышения вязкости, закаливаемости и пластичности стали, однако добавление этого вещества также ведет к ухудшению свариваемости.
• Вольфрам. Увеличивая термостойкость и улучшая механические характеристики металла, негативно сказывается на свариваемости.
• Титан. Позволяет повысить устойчивость металла к коррозии, но приводит к ухудшению свариваемости из-за образования горячих трещин.
• Медь. Не сказываясь на свариваемости, улучшает показатели прочности и коррозионной стойкости металла.

Свойства строительной стали в значительной степени определяют вредные примеси и их концентрацию. К ним относится ряд химических элементов, которые могут существенно ухудшать эксплуатационные качества изделий:

• Сера. Способствует увеличению красноломкости или хрупкости при нагреве, отрицательно сказывается на свариваемости.
• Фосфор. Приводит к увеличению хладноломкости или хрупкости при нормальной температуре, плохо сказывается на свариваемости.
• Азот. Вызывает ускоренное старение металла и повышение хрупкости.
• Кислород и водород. Увеличивают хрупкость стали, ухудшая ее структуру.

Требования к выбору строительной стали для проведения работы

Выбор видов строительной стали, как правило, основывают на сравнительном анализе различных проектных вариантов конструкции. В современном строительстве для изготовления конструкционных элементов из прокатных профилей чаще всего используют марки 09Г2С и Ст3сп/пс5 (ГОСТ 27772-88).

Главным фактором при выборе марок строительной стали всегда является группа, к которой будут относиться элементы конструкции. Строительные правила описывают четыре таких категории:

1. элементы сварных конструкций, предназначенных для эксплуатации в особо тяжелых условиях (крановые балки, конструкционные элементы бункерной или разгрузочной эстакады и т. п.);
2. части сварных конструкций, испытывающие статические нагрузки и растягивающие напряжения (фермы, ригели, балки перекрытий, сердечники лестничного полотна и опор ЛЭП);
3. участки сварных конструкций, испытывающие статические нагрузки и сжимающие напряжения (колонны, стойки, опорные плиты и т. д.);
4. элементы вспомогательных конструкций зданий и сооружений.

Важным фактором для правильного выбора марок стали также являются климатические условия, в которых будут эксплуатироваться будущие элементы конструкций. Следует определить, в каком диапазоне температуры предстоит работать изделиям. К примеру, для северных регионов важно учитывать увеличение хрупкости материала при низкой температуре. Расчетную температуру можно найти в соответствующих строительных нормах и правилах.

Также при выборе марок стали для строительных конструкций необходимо связывать его с расчетным сопротивлением металла, которое показывает, какие нагрузки выдерживают изделия. Этот показатель должен быть выше предполагаемого напряжения в будущих стальных конструкциях.

Диаграммы функционирования стальных деталей под растягивающими нагрузками описывают особенности трех типов работы металла:

• упругой;
• пластичной;
• упруго-пластичной.

Как правило, простейшие расчеты предполагают работу стали на первом участке (упругом), когда показатели напряжения должны укладываться в рамки пределов текучести сплава. В этих случаях расчет нормативных и расчетных показателей строительной конструкции производится с учетом значения предела текучести.

Для этого применяют таблицу соответствующих строительных норм, учитывая при этом марку стали, вид проката и размеры изделий. Расчеты всегда производят, исходя из самой низкой температуры.

Маркировка типов строительной стали

В ГОСТе от 1979 года для строительных марок стали специальная маркировка не предусматривалась. Согласно общим правилам, первые цифры обозначали процентное содержание углерода, дальше шли буквенные обозначения легирующих добавок, если они имелись. Нередко присутствующее в конце буквенное обозначение А указывало на наличие более жестких допусков по химическому составу или размерам проката.

Действующий сегодня ГОСТ 27772 от 2015 года предусматривает новый порядок маркировки типов строительной стали. Данный стандарт предполагает наличие:

• буквы С (строительная) в начале марки;
• числового обозначения предела текучести в МПа;
• дополнительного буквенного обозначения, указывающего на степень коррозионной стойкости (К – обычная, П – повышенная).

Если существуют различные варианты производства, за показателями предела текучести может следовать через тире численное указание соответствующего варианта. Для примера: сталь С390К имеет предел прочности не менее 390 МПа и повышенную коррозионную стойкость.

Специальная справочная литература содержит сведения по соответствию конкретных марок стали условиям применения.

Строительные нормы и правила допускают применение для каждой группы конструкций нескольких вариантов строительной стали. Скажем, не рекомендуется использование элементов из кипящих типов стали при сооружении конструкции, подвергающейся в ходе эксплуатации серьезным динамическим нагрузкам, особенно при низкой температуре, так как присутствующие в структуре металла газовые пузырьки способствуют концентрации напряжения.

При строительстве таких сооружений лучше использовать более раскисленные, спокойные виды стали, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Оптимальным вариантом окажутся полуспокойные сорта строительной стали.

Сегодня технологии выплавки строительных сталей непрерывно развиваются, что ведет к постоянному улучшению характеристик и эксплуатационных качеств конструктивных элементов и гарантирует долговечность и надежность даже самых сложных сооружений.