4. Стальные конструкции

Стальные конструкции наиболее распространены для строительства объектов трубопроводного транспорта и резервуаров нефтегазохранилищ.

Сталями называются сплавы железа с углеродом и добавками. Максимальное содержание углерода в стали 2,14%. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-94 Сталь углеродистая обыкновенного качества, ГОСТ 1050-88 Углеродистая качественная конструкционная сталь) и легированные (ГОСТ 4543-71 Сталь конструкционная легированная, ГОСТ 5632-72 Высоколегированные стали и сплавы коррозийностойкие, жаростойкие и жаропрочные, ГОСТ 11268-76 Сталь конструкционная легированная высококачественная специального назначения и т.д. ).

В зависимости от содержания углерода различают, следующие углеродистые стали:

• малоуглеродистые с содержанием углерода менее 0,25%;

• среднеуглеродистые с содержанием углерода 0,25 – 0,60%;

• высокоуглеродистые, в которых содержание углерода выше 0,60%.

В свою очередь легированные стали подразделяют на:

• низколегированные стали с содержанием легирующих элементов до 2,5%;

• среднелегированные стали, в составе которых легирующие элементы составляют от 2,5 до 10,0%;

• высоколегированные стали, которые содержат свыше 10,0% легирующих элементов.

Железо в виде феррита обеспечивает сталям высокую пластичность. Углерод же в виде соединения с железом Fe₃C (цементит) повышает твердость, износостойкость, прочность. Однако, высокое содержание углерода увеличивает хрупкость стали и снижает ее обрабатываемость, что крайне не желательно для строительных конструкций. Строительные стали должны обладать высокой пластичностью, поэтому с этой целью содержание углерода в них не превышает 0,22 %.

Легирующие элементы улучшают качество сталей и позволяют получать стали с заданными свойствами (таблица 1).

Остающиеся в процессе выплавки вредные элементы снижают качество сталей.

Кислород, водород и азот ухудшают свойства сталей, повышают ее хрупкость.

Фосфор (P) – повышает хрупкость разрушения при низких температурах (хладноломкость).

Сера (S) – вызывает высокотемпературное (800 – 1000 ) растрескивание при остывании (красноломкость).

Качество сталей связывают с содержанием в них вредных примесей серы и фосфора:

• стали обыкновенного качества с содержанием серы до 0,06% и фосфора до 0,07%;

• стали качественные – серы и фосфора до 0,035%;

• стали высококачественные – серы и фосфора до 0,025%.

При выборе стали необходимо учитывать способ выплавки, который существенно влияет на качество и стоимость стали. В настоящее время применяют следующие способы производства сталей:

• мартеновский (производство сокращено, строительство мартеновских печей прекращено в 70-х годах XX века);

• кислородно-конверторный. В процесс выплавки стали происходит передел жидкого чугуна в сталь без подвода тепла путем продувки металла в конверторе сверху кислородом. Примеси чугуна окисляются (Si, Mn, C и др.) с выделением значительной теплоты. По окончании продувки удаляют избыток кислорода. В настоящее время мировой выпуск кислородно-конверторной стали свыше 50%;

• в электропечах получают особо качественную электросталь. Электрические печи различают в зависимости от способа нагрева (дуговые, индукционные, печи сопротивления, электронно-лучевые и др.).

Качество стали также зависит от степени ее раскисления. По этому показателю различают три вида сталей:

• кипящая (КП);

• полуспокойная (ПС);

• спокойная (СП).

Таблица 1. Влияние легирующих элементов на свойства сталей

При выплавке стали, из чугуна выделяется газ (углекислый газ CO и двуокись углерода CO₂), что вызывает ее кипение. Если кипение происходит в разливочном ковше или в изложницах (формы для отливки слитков) до полного затвердевания, то такая сталь называется кипящей. Она характеризуется неоднородностью по содержанию углерода, серы, фосфора и, как результат, неоднородностью механических свойств.

Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате или в ковше при выпуске из печи такими раскислителями, как марганец, кремний, алюминий. Раскислители активнее, чем углерод, соединяются с кислородом, в результате окисление углерода прекращается, и сталь перестает кипеть. Свойства такой стали становятся гораздо однороднее, но она получается значительно дороже.

Компромиссным вариантом является полуспокойная сталь, которая получается при частичном ее раскислении. Механические свойства стали становятся достаточно высокими, а стоимость значительно ниже.

Сталь обыкновенного качества подразделяется по промышленным поставкам на 3 группы:

- группа А – для этой группы гарантируется качество поставки по механическим свойствам стали;

- группа Б – гарантия по химическому составу;

- группа В – гарантия качества и по механическим свойствам и по химическому составу.

Кроме того, для каждой марки стали устанавливаются категории, которые отражают ударную вязкость, химический состав, временное сопротивление , относительное удлинение и другие характеристики, имеющие важнейшее значение при проектировании строительных конструкций.

Свойства стали, существенным образом зависят от ее термообработки. Термическая обработка стали это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью придания им определённых свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства стали.

Ниже приведены основные виды термообработки, применяемые для улучшения механических свойств стали.

• Закалка. Это процесс термической обработ­ки, при которой сталь нагревают до оптималь­ной температуры, выдерживают при этой темпе­ратуре и затем быстро охлаждают с целью по­лучения заданной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество за­калки зависит от температуры и скорости на­грева, времени выдержки и охлаждения. Основ­ными параметрами закалки являются темпера­тура нагрева и скорость охлаждения.

• Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной тем­пературы, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении, с целью получения равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

• Нормализация. Термическая операция, при которой сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше температуры образования аустенита, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на воздухе. При таком термическом воздействии происходит измельчение внутренней структуры стали, повышается ее однородность, увеличивается вязкость. Нормализация стали по сравнению с отжи­гом является более коротким процессом термиче­ской обработки, а следовательно, и более произ­водительным.

Таким образом, целью термической обработки является получение оптимального сочетания прочностных и пластических свойств стали.

Не менее важной технологической операцией улучшения механических свойств стали является химикотермическая обработка.

Химикотермическая обработка объединяет процессы химического и термического воздействия на поверхностный слой стальных элементов строительных конструкций и деталей с целью улучшения их свойств и структуры. Химикотермическая обработка повышает твердость поверхностного слоя стальных изделий, их износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства.

Химикотермическая обработка основана на диффузии атомов различных химических эле­ментов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Наиболее распространенными видами хими­котермической обработки стали являются цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.

При проектировании стальных строительных конструкций необходимо учитывать все разнообразие механических свойств сталей, в следующей главе рассмотрены основные из них.

5. Механические свойства сталей и стальных конструкций.

• Прочность, жесткость, упругость, пластичность, хрупкость. Эти характеристики стали и стальных конструкций объединяются единой методикой их оценки по диаграмме деформирования (рисунок 1).

Прочность - способность строительных конструкций, ее отдельных частей, элементов и деталей выдерживать внешние нагрузки, не разрушаясь.

Жесткость – способность конструкций и ее элементов противостоять внешним нагрузкам в отношении величины полученных при этом деформаций, т.е. изменений формы и размеров. При заданных нагрузках деформации не должны превышать определенных величин, устанавливаемых в соответствии с требованиями к конструкции.

Упругость – свойство материала и конструкции восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Другими словами, упругие деформации исчезают после прекращения действия вызвавших их сил.

Пластичность – свойство материала и конструкции получать остаточные деформации (не возвращаться к первоначальным размерам и форме) после снятия внешней нагрузки.

Хрупкость – склонность материала к разрушению при малых деформациях.

Перечисленные механические характеристики сталей можно оценить по результатам испытаний специальных образцов на растяжение. В результате испытаний записывается диаграмма напряжений в осях напряжения – деформации (рисунок 1).

Напряжения в образце определяются отношением растягивающей силы к площади рабочей части образца

(5.1)

Деформации образца определяются отношением удлинения рабочей части образца к её первоначальной длине

(5.2)

Рисунок 1. Диаграммы растяжения (напряжений) различных сталей.

На диаграмме напряжений стали выделяют характерные точки, которые отражают её основные механические характеристики.

На первом участке (до точки 1) деформации упругие и они пропорциональны напряжениям. На этом участке выполняется закон Гука

, (5.3)

где – модуль упругости при растяжении или модуль Юнга;

- угол наклона участка пропорциональности на диаграмме деформирования.

На участке от точки 1 до точки 2 деформации остаются еще упругими, но закон Гука уже не выполняется.

Напряжения в точке 1 называются пределом пропорциональности .

После точки 2 начинается область упругопластических деформаций, а напряжения в точке 2 называются пределом упругости .

Наиболее важным является участок между точками 3 – 4, который называется площадкой текучести. На этом участке увеличение деформаций происходит при постоянной нагрузке, которая характеризуются пределом текучести _т. Площадку текучести имеют не все стали, поэтому для них определяется условный предел текучести . При испытании его величина соответствует остаточной деформации 0,2%.

Участок 4 – 5 называется зоной упрочнения стали. На этом участке при увеличении напряжений происходит рост как упругих, так и пластических деформаций. Несмотря на развитие пластических деформаций, эту стадию работы строительных конструкций используют при расчетах, вызывающих интерес с точки зрения экономии стали.

Точка 5 вторая, после предела текучести, из важнейших механических характеристик стали. В этой точке напряжения достигаю максимального значения, и они называются пределом прочности или временным сопротивлением .

Важнейшей характеристикой пластичности сталей является относительное остаточное удлинение при разрыве

, (5.4)

где - первоначальная длина образца;

- остаточная длина образца после разрыва.

Материалы, обладающие значительной величиной относительного остаточного удлинения при разрыве , называются пластичными. Материалы, у которых остаточное удлинение меньше 3%, относят к хрупким материалам. Для элементов строительных конструкций, как правило, необходимо применять достаточно пластичные материалы. Пластичные материалы обладают повышенным сопротивлением в условиях концентрации напряжений, ударных и тепловых нагрузок, при наличии трещин и других поверхностных повреждений.

Как следует из сравнительного анализа диаграмм напряжений различных сталей (рисунок 1), при увеличении предела прочности стали, уменьшается площадка текучести, а для некоторых сталей она отсутствует. Кроме того, для более прочных материалов характерно уменьшение остаточного удлинения при разрыве . Это означает, что более прочные стали, как правило, менее пластичны, у них снижается надежность при динамических нагрузках, увеличивается способность к хрупкому разрушению.

• Ударная вязкость стали. Это еще одна характеристика хрупкости и пластичности сталей, необходимая для правильного выбора материалов строительных конструкций. Она обязательно учитывается при оценке свойств сталей в конструкциях, работающих при динамических нагрузках, например, при больших скоростях нагружения или при ударных нагрузках. Принципиальная схема испытаний на удар показана на рисунке 2. В основу методики испытаний положено представление о том, что для более хрупких материалов при разрушении затрачивается меньше энергии, чем для пластичных материалов. Надрез образца позволяет сосредоточить всю деформацию, поглощающую энергию удара, в срединном сечении.

Рисунок 2. Схема образца для определения ударной вязкости.

Рисунок 3. Схемы испытательных машин (маятниковых копров) для создания ударной нагрузки.

Для испытаний на ударную вязкость сталей используются специальные маятниковые копры (рисунок 3). Перед испытанием маятник поднимают на исходную высоту . Падая с этой высоты маятник ударяет образец, разрушает его и взлетает на высоту . Работа на разрушение образца определяется по разности потенциальной энергии маятника до разрушения и после разрушения

, (5.5) где - высота копра до разрушения;

– высота копра после разрушения.

Ударная вязкость определяется отношением работы , необходимой для разрушения образца, к площади его поперечного сечения

. (5.6)

Для сталей ударная вязкость лежит в пределах . Материалы с ударной вязкостью относятся к числу хрупких.

• Ползучесть – свойство материала деформироваться при постоянных нагрузках в условиях повышенных температур. Свойство ползучести проявляется у углеродистых сталей при температуре выше , а для легированных сталей при температуре выше .

• Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации при внедрении в него индентора из более твердого материала. Показатели твердости связаны с показателями прочности и пластичности и могут служить для косвенной оценки механических свойств материалов. На практике широкое распространение получили пробы твердости по Бринелю и Роквеллу. Твердость по Бринелю обозначается и определяется диаметром отпечатка при вдавливании в материал твердого шарика диаметром 10 мм под нагрузкой 30 кН. Твердость по Бринеллю принимается равной напряжению сжатия на поверхности полученного отпечатка

, (5.6)

где – сила вдавливания шарика;

– диаметр вдавливаемого шарика;

– диаметр отпечатка на поверхности материала.

Твердость по Роквеллу обозначается (по шкале С) и определяется как разность глубины проникновения алмазного конуса от основной нагрузки (1,5 кН) и от предварительной (0,1 кН). Твердость по Роквеллу применяют для контроля более твердых, как правило, закаленных элементов конструкций. Важно отметить, что в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

• Концентрация напряжений – повышение опасности разрушений из-за концентратов напряжений: отверстий, надрезов, выточек и т.п. Например, при растяжении полосы с отверстием (рисунок 4) закон равномерного распределения напряжений вблизи отверстия нарушается, у края отверстия появляется пик осевого напряжения . Основным показателем концентрации напряжений является теоретический коэффициент концентрации напряжений

. (5.7)

Рисунок 4. Схема концентрации напряжений у отверстия.

Концентрация напряжений менее опасна, если в зоне концентратора могут проявляться пластические свойства стали. В этом случае при достижении максимальными напряжениями предела текучести _т происходит выравнивание напряжений у концентратора из-за наличия площадки текучести на диаграмме напряжений материала.

• Усталостное разрушение металла происходит под воздействием многократно повторяющихся нагрузок. Процесс постепенного накопления микропластических деформаций приводит к образованию микротрещин. На следующей стадии происходит длительный рост трещины, т.е. медленное, но стабильное увеличение размеров трещины за каждый цикл переменного нагружения. Усталостное разрушение материала и конструкции в целом опасно тем, что существуют критические размеры трещины, при достижении которых начинается неконтролируемый рост трещины, при этом конструкция разрушается практически мгновенно.

Способность материала сопротивляться повторно-переменным нагрузкам называется выносливостью материала. Максимальное напряжение, при котором материал будет работать не разрушаясь любое произвольно большом числе циклов нагружений, называется пределом выносливости материала .

Предел выносливости определяется экспериментально на специальных испытательных машинах. Наиболее распространенными являются испытания вращающихся цилиндрических образцов на чистый изгиб. За один оборот образца получается один синусоидальный цикл нагружения. Нагрузка на образец постепенно снижается, а число циклов нагружений до разрушения растет. Опыт испытаний стальных образцов показывает, что если образец не разрушился до 10⁷ циклов, то он не разрушится и при более длительном испытании. Такое число циклов называется базой испытаний.

Таким образом, предел выносливости это наибольшее напряжение цикла нагружения, при котором образец не разрушается до базы испытаний.

• . Старение – постепенное изменение свойств материала с течением времени под воздействием силовых и температурных колебаний. У стальных конструкций через определенный срок сильнее проявляются упругие качества, и снижается пластичность. В связи с этим, возникает необходимость периодической диагностики и оценки несущей способности строительных конструкций

• Основным способом соединения элементов строительных конструкций является сварка. Поэтому выбранные стали должны обладать хорошей свариваемостью. Свариваемость стали оценивают по химическому составу и с помощью специальных технологических проб, т.е. сваркой образцов определенной формы.

• Долговечность строительных конструкций зависит от коррозионной стойкости сталей, которая, в свою очередь, определяется химическим составом выбранной марки стали. Мерой коррозионной стойкости является скорость коррозии по толщине металла в год.

• При проектировании строительных конструкций большое значение имеют технологические свойства выбранного материала. Для изготовления и монтажа отдельных строительных элементов применяются такие способы механической обработки стали, как гибка, резка, строжка, сверление отверстий и т.п. В связи с этим выбранная сталь должна обеспечивать качественное выполнение технологических операций. Технологические свойства стали, прежде всего, зависят от её химического состава и способа термообработки.

• Для изменения свойств стали могут применяться и некоторые механические способы её обработки. Так для повышения зоны упругости работы стали применяется наклеп или нагартовка. На рисунке 5 сравниваются высокопрочная и мягкая сталь. Без механической обработки мягкая сталь имеет низкий предел текучести, если же её растянуть выше предела текучести до точки и создать остаточные деформации (эта операция называется наклепом), то в дальнейшем эта сталь будет вести себя упруго до напряжений . После наклепа свойства пластичной стали приближаются к свойствам высокопрочной стали, соответственно она становится и более хрупкой.

Рисунок 5. Схема изменения свойств стали наклепом.

• В таблице 2 приведены основные физические характеристики сталей, принимаемые для расчетов.

Таблица 2. Физические характеристики сталей, принимаемые для расчетов.