Конструкційні будівельні низьколеговані сталі

Низьколегованими називаються сталі, що містять не більше 0,22 % С і порівняно невелику кількість недефіцитних легуючих елементів: Мn (до 1,8 %), Si (до 1,2 %), Сr (до 0,8 %), а також Ni (до 0,8 %), Сu (до 0,5 %), V (до 0,15 %), Ti (до 0,03 %), N (до 0,15 %) та ін. Ці сталі у вигляді листів, сортового фасонного прокату застосовують у будівництві і машинобудуванні для зварних конструкцій, в основному без додаткової термічної обробки.

Низьколеговані низьковуглецеві сталі добре зварюються. Це означає, що вони не утворюють при зварюванні холодних і гарячих тріщин* і що властивості зварного з'єднання та ділянок, прилеглих до нього (зони термічного впливу), близькі до властивостей основного металу.

Легуючі елементи, розчиняючись у фериті, зменшують розмір зерна і, збільшуючи схильність аустеніту до переохолодження, сприяють подрібненню карбідної фази, тому низьколеговані сталі в порівнянні з вуглецевими сталями звичайної якості (Ст2, Ст3, Ст4) мають більш високі значення границь міцності і плинності при збереженні хорошої пластичності, меншої схильності до старіння і холодноламкості. Застосування низьколегованих сталей, що мають σ_0,2 = 350 МПа, замість вуглецевих дозволяє заощадити до 15 % металу, а при σ_0,2 = 400 МПа економія досягає 25…30 %.

*Гарячі тріщини утворюються у шві в процесі кристалізації, холодні – в результаті мартенситного перетворення. Збільшення в сталі вмісту вуглецю і легуючих елементів погіршує зварюваність.

Нікель знижує поріг холодноламкості. Це важливо для будівельних сталей, для яких при –40 °С ударна в'язкість повинна бути більше 0,3…0,5 МДж/м².

Уведення міді, нікелю або одночасно міді і фосфору збільшує корозійну стійкість сталей в атмосферних умовах (сталі 10ХСНД, 15ХСНД).

Низьколеговані сталі часто поставляють після нормалізації (або нормалізації і високого відпуску). Нормалізація дещо підвищує границі міцності і плинності та, подрібнюючи зерно, покращує пластичність і в'язкість, зменшуючи схильність до крихкого руйнування. Деякі сталі (14Г2, 17ГС, 15ХСНД) надходять після гартування і відпуску, що значно підвищує їх міцність, знижує поріг холодноламкості і схильність до старіння.

Застосування в будівництві термооброблених профілів і листів з низьколегованої сталі, що має σ_0,2 = 400…500 МПа, дає економію металу до 50 %.

Вдале поєднання механічних і технологічних властивостей досягається при легуванні низьковуглецевої сталі 0,05…0,12 % V і 0,015…0,025 % N. При взаємодії ванадію з азотом утворюється нітрид ванадію, який дозволяє одержати сталь з дуже дрібним зерном (бал 10…12) і низьким порогом холодноламкості (–80 °С). На цьому принципі розроблені й освоєні низьколеговані сталі 14Г2АФ, 16Г2АФД, 16Г2АФ та інші з границею плинності після нормалізації до 450 МПа.

Легована сталь, яка містить 0,2 % С, 0,5 % Мо і 0,003 % В, відзначається високою стійкістю аустеніту, що приводить до утворення під час охолодження на повітрі структури бейніту. Така сталь має σ_0,2 = 450 МПа при хорошій пластичності. Підвищення механічних властивостей і зниження порога холодноламкості низьковуглецевих сталей, легованих Mn, V, Mo, Nb і N (близько 0,01 %), до –50 °С досягають застосуванням контрольованого плющення.

Вибір сталі для сталевих конструкцій будівель і споруд проводять відповідно до будівельних норм і правил, в яких узагальнені результати численних досліджень. Марка сталі вибирається залежно від виду споруди (елемента конструкції), умов експлуатації і розрахункових температур, характеру та величини діючих навантажень і т. ін. Усі сталі, які застосовуються для сталевих конструкцій, поділяють на умовні класи за співвідношенням σ_в/ σ_0,2(С38/23, С44/29 тощо). За галузями застосування сталі всі конструкції поділяють на дев'ять груп. Наведемо деякі з них.

Група I. Зварні конструкції, що працюють в особливо важких умовах і зазнають безпосередньої дії динамічних та вібраційних навантажень (балки робочих майданчиків головних будівель мартенівських і конверторних цехів, елементи конструкції бункерних і розвантажувальних естакад, підкранові балки і т. ін.). У цій групі беруть дві розрахункові температури: t ≥ –40 °C і –40 > t ≥ –60 °C; рекомендуються сталі класів C44/29 (09Г2С), C46/33 (09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД та ін.), C52/40 (10ХСНД і термооброблена 10Г2С1). Застосування високоміцних сталей (σ_0,2 > 400 МПа), більш схильних до крихкого руйнування, не рекомендується.

Група II. Зварні конструкції, що знаходяться під безпосереднім впливом динамічних і вібраційних навантажень, крім перерахованих у групі I (прогони похилих мостів, доменних печей, прогінні будови та опори транспортних галерей і т. п.). Для цієї групи беруть три розрахункові температури. При t = –30 ºC крім сталей звичайної і підвищеної міцності – С38/23 (09Г2С), С46/33 (10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД), С52/40 (10ХСНД, 14Г2АФ) – застосовують високоміцні сталі С60/45 (16Г2АФ), а також термозміцнені 15ХСНД, 15Г2СФ. При температурі –30 > t ≥ –40 °С і –40 > t ≥ –65 °Сзастосовувати високоміцні сталі не слід. У цьому випадку застосовують сталі 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ХСНД.

Група III. Зварні конструкції перекриттів і покриттів (ферми, ригелі рам, головні балки перекриттів і т. п.). Для цієї групи конструкцій розрахункові температури беруть за групою II: при t ≥ –30 °С разом зі сталями 14Г2 (С46/33), 14Г2АФ, 15Г2СФ (С52/40), 16Г2АФ і термозміцненими 15ХСНД і 15Г2СФ (С60/45) застосовуються високоміцні сталі С70/60 (12Г2СМФ); при –30 > t ≥ –40°С – ті самі марки високоміцних сталей; при –40 > t ≥ –65 °С застосовувати високоміцні сталі (C60/45 і C70/60) не рекомендується.

Група IV. Зварні конструкції, що не зазнають безпосереднього впливу рухомих або вібраційних навантажень (колони, стояки, опорні плити, конструкції, що підтримують технологічне устаткування і трубопроводи, бункери і т. п.). Для цієї групи беруть чотири розрахункові температури: t ≥–30 °С, –30 > t ≥ –40 °С, –40 > t ≥–50 °С і –50 > t ≥ –65 °С. При температурах до –40 °С застосовують сталі класу С60/45 (16Г2АФ і термозміцнену сталь 15Г2СФ) та класу С70/60 (12Г2СМФ і 14ГСМФР).

При більш низьких температурах застосовують сталі 09Г2С, 09Г2 (С44/29), 10Г2С1, 15ХСНД (С46/33) і 10ХСНД (С52/40).

Група V. Конструкції груп I–IV, що монтуються при температурі нижче –40 °С та експлуатуються в опалюваних приміщеннях. Для цієї групи конструкцій застосовують сталі 09Г2С і 09Г2 (С44/29), 09Г2С і 15ХСНД (С46/33).

До груп VI–IX включені допоміжні конструкції будівель і споруд, а також клепані конструкції. Для цих груп рекомендують сталі класів С38/23, С44/29 і С52/40.

Мости для автотранспорту виготовляють зі сталі класів С46/33–С70/60 (15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 16Г2АФ). Гусеничні і крокуючі екскаватори, важконавантажені елементи несучих металоконструкцій виготовляють зі сталі класів С70/60–С85/75 (12Г2СМФ, 14ГСМФР). Для резервуарів великих об'ємів, газгольдерів та інших вмістищ рекомендовані сталі класів С46/33–С70/60 (09Г2С, 16Г2АФ, 10Г2С1, 12Г2СМФ та ін.).

Для зварних магістральних газопровідних труб сталь повинна мати високі значення міцності та достатні зварюваність і пластичність, в'язкість та опір крихкому руйнуванню за низьких температур монтажу і служби газопроводу в нормалізованому стані.

Для виготовлення труб великого діаметра застосовують сталь 17ГС (σ_0,2 = 360 МПа, σ_в = 520 МПа), яка надходить у нормалізованому стані, а для менш відповідальних труб – у гарячекатаному стані. Останніми роками для труб рекомендовані сталі 14Г2САФ, 14Г2СФБ, 16Г2САФ з σ_вдо 600 МПа і σ_0,2 до 450 МПа. Зміцнення цих сталей досягається подрібненням зерна і дисперсійним твердінням унаслідок виділення карбонітридних фаз у процесі охолоджування після прокатки або нормалізації.

Низьколеговані гарячекатані сталі застосовують і для армування звичайних та заздалегідь напружених залізобетонних конструкцій (стрижнева арматурна сталь).

У табл. 10.2 наведені марки і механічні властивості арматурних сталей.

Таблиця 10.2. Механічні властивості арматурних сталей

Клас арматурної сталі	Марка сталі	s_в	s_0,2	d, %
МПа
А-І А-ІІ А-ІІІ А-ІV А-V	Ст3кп, ВСт3 ВСт5нс, 18Г2С, 10ГТ 35ХС, 25Г22С 80С, 20ХГ2Ц 23Х2Г2Т

Примітка. Сталь класу А-I виготовляється круглою гладкою, класів А-II–А-V – періодичного профілю. Сталі класів А-I–А-III застосовують для ненапружених конструкцій, а більш високих класів – для попередньо напружених конструкцій.