Конструкционные стали для сварных конструкций

Сварка стали

Конструкционная сталь заслужила популярность для монтажа сварных конструкции. Спрос на такой тип стального проката возрос из-за оптимального сочетания характеристик эксплуатации. Они прочные, стойки к износу и хорошо свариваются.

Отличная свариваемость металла для сварки в первую очередь показывает устойчивость к высоким температурам. Способность переносить сварочное тепло без образования дефектных участков с низкими пластическими свойствами. Такие дефекты приводят к образованию трещин.

Предварительный нагрев является предупреждением образования деформации металла. После сварочного процесса осуществляют высокотемпературный отпуск. Он необходим для:

• восстановления пластичных свойств стали;
• снятия внутреннего напряжения.

Хрупкое разрушение металла периодически бывает вызвано его склонностью к старению. В особенности это касается участком термического влияния. Происходит процесс из-за распада перенасыщенного раствора. Содержание азота в стали для сварных конструкций имеет большое значение:

• стандартное железо — не больше 0,001%;
• конверторный, бессемеровский сплавы— более 0,015%;
• мартеновская печь — 0,008%.

Эти процентные данные показывают содержание азота и его растворимость при комнатной температуре, тогда как при продувке воздухом в печах они повышаются.

Марки конструкционных сталей для сварных конструкций:

• 03ХГЮ
• 05Г1Б
• 06Г2АФ
• 06Г2МФБ
• 06Г2ФР
• 06Г2СЮ
• 06ХГСЮ
• 07ХБЮ
• 07ГФБ
• 08Г1НФБ
• 08Г2МФ
• 08Г2С
• 08Г2СФБ
• 08Г2Т
• 08Г2ФБТ
• 08ГБЮ
• 08ГБЮТР
• 08ХМФчЮА
• 09Г2
• 09Г2Д
• 09Г2С
• 09Г2СД
• 09Г2ФБ
• 09ГБЮ
• 09ГНФБ
• 09ГСНБЦ
• 09ХГН2АБ
• 09ГСФЮ
• 10Г2Б
• 10Г2БД
• 10Г2БТЮ
• 10Г2С1
• 10Г2С1Д
• 10Г2СБ
• 10Г2СФБ
• 10Г2ФБ
• 10Г2Т
• 10Г2ФБЮ
• 10ГНБ
• 10ГС2
• 10ГТ
• 10ХГСН1Д
• 10ХДП
• 10ХНДП
• 10ХН1М
• 10ХНДМ
• 10ХСНД
• 12Г
• 12Г2АФ
• 12Г2А
• 12Г2Б
• 12Г2С
• 12Г2СБ
• 12Г2СД
• 12Г2СМФ
• 12Г2СМФАЮ
• 12ГН2МФАЮ
• 12Г2Ф
• 12Г2ФД
• 12ГНДЮ
• 12ГС
• 12ГСБ
• 12ГСБЮ
• 12ГФ
• 12ХГДАФ
• 12Х8
• 12ХСНД
• 12ХГН2МФБАЮ
• 13Г1С-У
• 13Г1СБ-У
• 13Г2АФ
• 13ГДФ
• 13ГС
• 13ГФ
• 13ХФЮ
• 14Г2
• 14Г2АФ
• 14Г2АФД
• 14ГС
• 14ГФ
• 14ХГС
• 15Г2АФД
• 15Г2СФ
• 15Г2СФД
• 15Г2ФБЮ
• 15ГС
• 15ГФ
• 15ГФД
• 15ХДП
• 15ХСНД
• 16Г
• 16Г2АФ
• 16Г2АФД
• 16Г2СФ
• 16Г2САФ
• 16ГД
• 16ГМЮч
• 16ГС
• 16ГФБ
• 16Д
• 16Х2ГСБ
• 17Г1С
• 17Г1С-У
• 17ГС
• 18Г2
• 18Г2АФ
• 18Г2АФД
• 18Г2С
• 18ЮТ (Ч-33)
• 19ЮФТ (Ч-37)
• 1Х2М1
• 20Г2С
• 20ГС
• 20ГС2
• 20ГСФ
• 20ФЮ
• 20Х2Г2СР
• 20ХГ2Т
• 20ХГ2Ц
• 20ХГС2
• 22Г2
• 22ГЮ
• 22ГФ
• 22С
• 22Х2Г2АЮ
• 22Х2Г2Р
• 23Х2Г2Т
• 23Х2Г2Ц
• 25Г2С

Нормирование сталей и маркировка

Регламентирует соответствие свойств конструкционной стали. Требования определяются по ГОСТ 27772. Согласно ему используются следующие марки:

• Фасонный прокат (235, С245, С255 и другие).
• Листовой прокат, гнутые профили — С390, С390К, пр.

Тогда как цифровое обозначение значит предел текучести в величине МПа (МегаПаскаль), которая используется для измерения прочности стали на сжатие и на изгиб. То значение буквенных обозначений следующее:

• Д — повышенное содержание меди для усиления сопротивляемости коррозиям (С345, С375, С390, С440);
• C — конструкционная сталь специально для строительных работ;
• Т — термическое улучшение;
• К — вариация химического состава.

Металл в прокате реализуется горячекатаным и термически обработанным перед продажей. Причем завод производитель сам принимает решение об количество добавок для легирования стали, об температуре воздействия — общего стандарта не существует. Так, к примеру, листовая сталь C345 может быть произведена из металла с химическим составом C245, имеющего повышенную стойкость к термообработке. Именно в этом случае в названии сплава появляется буква Т.

Маркировка листового проката также включает подразделение на категории, например, C345-1. Всего выделяется шесть категорий, различие между которыми в следующих факторах:

• эксплуатационные температурные условия готовой конструкции;
• степень вероятности разрушения;
• сопротивляемость удару при разных температурах.

Номер категории зависит от последнего фактора — температура стойкости всех этих характеристик. От первого к шестому по возрастанию.

Сварка конструкционной стали также имеет оценку состыковывания:

• менее 0,4% — легко обрабатываемая, без дефектных последствий;
• от 0,4% — 0,55% — сварка возможна лишь при принятии специальных мер для предотвращения раскола;
• выше 0,55% — труднообрабатываемая, высокая вероятность дефектов: расколов, трещин, ям.

Маркировку стали регламентирует ГОСТ 380-88, согласно которому дополнительно прописывает группа поставки, способ окисления стали и её категория. Они также имеют собственные обозначения:

Сгруппированная поставка:

• А — механические свойства;
• Б — химический состав;
• В — комбинированный вид.

Степень окисления:

• КП — кипящая;
• СП — спокойная;
• ПС — полуспокойная.

Категория испытаний на ударную вязкость:

• Первая — проверки не проводится;
• Вторая — минимальная ударная вязкость;
• Третья — высокая температура +20 градусов по Цельсию;
• Четвертая — низкая температура (-20 градусов);
• Пятая — механическое старение, совмещенное с низкой температурой;
• Шестая — механическое изнашивание.

Конструкционная сталь маркируется согласно проведенным исследованиям.

Легирование сталей: химические элементы

Легируемые стали — это металлы, обработанные химическими элементами, которые вводятся в сплав для улучшения их характеристик. Улучшаются механические, физические и химические свойства основного металла. Сплавы маркируются согласно первой букве элемента.

Основной химический элемент — углерод. Он снижает пластичные свойства материала, портя его соединение при сварке. Поэтому чаще всего популярностью при строительстве пользуются стали с низким содержанием углерода.

Помимо железа и углерода стали легируются добавками, которые значительно влияют на качество конструкции. Оптимальное количество добавок — 5% и ниже, поскольку они не только портят пластичность, но и увеличивают стоимость материала.

Основные легирующие добавки и их эффекты на материал:

• медь — повышение прочности, стойкости к коррозии. Избыток вызывает старение, способствует окислению, повышается хрупкость;
• хром — повышение прочности;
• алюминий — окисление, нейтрализация влияния фосфора;
• кремний — связывает избыток кислорода, повышает прочность. Однако в избытке снижает пластичность, отягчают стойкость к коррозиям;
• марганец — повышение прочности, раскисляет серу. В избытке делает материал хрупким;
• никель — повышение прочности, улучшение коррозийных характеристик;
• ванадий — повышает прочность;
• молибден — не теряет прочности при воздействии высокотемпературной обработки;
• бор — имеет аналогичные свойства;
• азот — в чистом виде старит материал, увеличивая его хрупкость.

Химически связанный азот с различными добавками — алюминий, ванадий, титан, — образует нитриды, становясь лучшим легирующим материалом. Он обеспечивает мелкозернистую структуру, улучшает механические свойства.

Если объединить добавки кремния и марганца, можно добиться сокращения их негативного воздействия.

Фосфор не относится к основным добавкам для легирования, поскольку является вредной примесью. В сочетании с металлом он увеличивает его хрупкость, снижает сопротивляемость низким температурам и пластичность при высоком температурном воздействии. Но совмещенный с алюминием, он становится отличным легирующим элементом, который повышает стойкость к коррозии. Именно их таких сплавов производятся атмосферостойкие группы стали.

Сера провоцирует появление дефектов при высокотемпературной обработке. Однако сернистое железо обладает легкой плавкостью, что важно для конструкционной стали. Добавление марганца позволяет значительно купировать влияние серы, приводя все положительные улучшения в сбалансированное состояние.

Добавка серы и фосфора серьёзно ограничивается по количеству, и может быть не более 0,03% - 0,05% в одной марке стали.

Механические характеристики стали с низким легированием значительно увеличиваются за счет присадки металлов. Их объединяют с углеродом для образования карбидов и нитридов. Насыщение газам происходит во время плавки металлов, и оказывает вредное воздействие на механические характеристики стали.

Вредное воздействие в расплавленном состоянии:

Кислород по действию во многом схож с серой, только действует сильнее — он повышает хрупкость разрушения.

Несвязанный другими элементами азот ухудшает качество.

Сконцентрированный водород повышает напряжение, снижая тем самым сопротивляемость стали, ухудшая её пластичность.

Поэтому сталь чаще плавится в закрытых контейнерах, защищенных от воздействия атмосферы.

Маркировка стали с химической добавкой указывается первой буквой названия элемента. Используется русский алфавит. Количество элемента отмечается с округлением до целых, то есть малое содержание процента — до 1%, не указывается.

Особенность маркировки в том, что нигде не проставляется буква У — углерод содержится в абсолютном большинстве, потому его указание нецелесообразно. Зато проставляется его процентное количество в начале маркировки.

Разновидности конструкционной стали

Стали обычной прочности

Группа металлов, содержащая мало углерода, и имеющая разную степень окисления. Листовой прокат производится горячекатаным способом. В группу входят стали с C235 по C285. Характеристики заключаются в небольшой прочности, но сильной пластичности — от 2,5%.

Хорошая свариваемость обеспечивается за счет низкого уровня углерода и содержания в сплаве кремния. Однако это влияет на стойкость к коррозии — конструкции из такой стали необходимо укреплять дополнительно при строительных работах.

Значительный недостаток — непереносимость минусовых погодных условий. В результате низкотемпературного воздействия появляются микродефекты, ведущие к увеличению хрупкости конструкции. Потому их применение в условиях холода значительно ограничено.

Стали повышенной прочности

Прочность повышают при выплавке стали, для этого в сплав вводятся основные легирующие добавки:

• кремний;
• марганец;
• никель;
• хром.

Соответствующую маркировку получает группа сталей с C345 до C390. Другой также применяемый метод — термическое упрочение низкоуглеродистой стали (маркировка Т). Однако такой способ снижает пластичные характеристики металла, уменьшается текучесть до 1,5% и менее.

Технология сварки требует применения специально направленных мер на предотвращение появления дефектов в местах соединения. Дефекты могут быть вызваны высокой температурой. Сам процесс значительно ухудшается из-за высокого содержания кремневых добавок.

Характеристика коррозийной прочности повышена только у сталей с добавлением в сплав меди. В остальном стойкость к коррозиям точно такая же, как у малоуглеродистых сплавов.

Преимущество кроется в ударной вязкости, сохраняющейся даже при низкой температуре (до -40). Это позволяет расширить зону реализации таких сталей до северных районов страны.

Стали высокой прочности

Группа сталей обладает мелкозернистой структурой поверхности, для создания которой используется нитрид. При производстве такие стали легируются и проходят обработку высокой температурой. К ним относятся сплавы с C440 до C590.

Такие металлы практически не имеют площадь текучести, потому их пластические свойства значительно снижены. Поэтому при монтаже конструкции из этих сталей можно не учитывать возможные пластические дефекты — их просто нет.

Но стоит учесть структурные изменения, возникающие вследствие неравномерного нагрева (сварки) и последующего охлаждения. Могут образовываться следующие дефекты:

• жесткие прослойки — комбинирование повышенной прочности и хрупкости;
• мягкие прослойки, напротив, низкая прочность и высокая пластичность.

Поскольку они образовываются на отдельных участках, то структура конструкции нарушается. Именно эти участки в будущем могут стать причиной обрушения. Разная прочность может достигать перепада от 5% до 30% в пределах одного элемента. Поэтому нужно учитывать характеристики стали перед проектированием и сварочными работами. Эффект деформации может снизить введение молибдена и ванадия в сплав.

Сопротивляемость хрупкому разрушению обеспечено за счет правильно подобранного хим.состава и режима термической обработки стали. Ударная вязкость также имеет высокое значение, удерживающееся даже при экстремально низких температурах (до -70 градусов).

Недостаток у этой группы всё же есть: высокая прочность и низкая пластичность требуют применения специализированного оборудования. Строительные работы не провести без мощной техники для резки, правки и сверления высокопрочных сталей.

Целесообразно применять высокопрочные термообработанные стали в постройке мощных конструкции, включая основание зданий.

Атмосферостойкие стали

Группа сталей имеет повышенные характеристики стойкости к коррозиям. Сплавы низколегированных сталей содержат добавки хрома, никеля и меди.

Атмосферное воздействие на конструкцию может обернуться серьёзными деформациями. Поэтому чаще всего применяют стали с добавлением небольшого процента фосфора. Это позволяет образовать на поверхности конструкции оксидную пленку. Она служит защитой металла от внешнего воздействия, предотвращает коррозию. Но планка свариваемости таких сталей сильно снижается — фосфор защищает и от воздействия высоких температур.

Следующий недостаток в морозостойкости. Стойкость в низким температурам напрямую зависит от толщины листового проката. Если она больше 10 мм, то показатель морозостойкости снижается. Однако тонкие листы позволено применять при температурах до -40 градусов по Цельсию.

Выбор стального проката для строительства

Подбор материалов дело не такое уж простое. Нужно учесть не только план конструкции, но и вероятные внешние факторы, воздействующие на металл, и многие другие характеристики. Поэтому выбор зависит от следующих факторов, напрямую оказывающих влияние на эксплуатацию металла:

• Средняя температура среды, в котором будет смонтирована конструкция. Нередко требуется изучить погодную сводку и предположительные изменения в течение строительных работ. Здесь же следует учесть вероятность хрупкого разрушения при пониженных температурах.
• Характер нагрузки на металл во время эксплуатации. Различается три разновидности: динамическая, вибрационная и переменная. Следует учесть особенности работы стали при таких условиях.
• Вид напряженного состояния — сжатие или растяжение, плоское или объемное; а также уровень напряжения элементов — высокий или низкий.
• Способ объединения элементов (крепежи или сварка), который также имеет степень концентрации напряжения. Следует учесть в этом факторе свойства металла в зоне установки крепежей.
• Толщины проката, поскольку это влияет на прочностные характеристики. Кроме того, увеличение толщины ведет за собой изменение общих свойств стали.

Материалы для сварных конструкции должны иметь высокий коэффициент на свариваемость. Требования к конструкционным элементам, где не будет сварочных швов, возможно снизить. Отсутствие напряжения стали, полей сварки и другие факторы улучшают общую эксплуатацию стали.

Группы металлических конструкций

Выбирая конструкционную сталь, следует учесть и вид конструкции. Всего их насчитывается четыре:

Группа 1 — это строительство в тяжелых климатических условиях, в особенности в холодных регионах страны. Кроме того, учитывается тип почвы, на который устанавливается конструкция, и вероятность пролегания подземных вод. Это все может оказать разрушающее воздействие на металл.

Такие конструкции постоянно подвергаются динамической нагрузке, они вибрируют и трясутся. Эта группа строений обширна: несущие балки, конструкционные части мостов железнодорожного и автомобильного движения, лифтовые системы, строительные леса. Например, несущие балки на мостах принимают на себя вибрацию от передвижения поездов и автомобилей, удерживая при этом дорожное полотно. Уровень напряжения таких строений повышается за счет постоянной нагрузки. Такие типы сталей рекомендуется для использования в сложных областях, где погодные условия, почва и многое другое располагает к быстрому разрушению. Потому и к свойствам конструкционных сталей требования высокие.

Группа 2 — конструкции, имеющие постоянную загрузку. Чаще всего они применяются для сбора балок перекрытия, при постройках крупных ферм, ригелей рам и иных строениях.

Общие характеристики для возведения строений, относящихся к конструкциям высокого риска: вероятность хрупкого разрушения в результате воздействия низких температур. Однако вероятность усталостного обрушения ниже.

Группа 3 —это конструкции, проходящие проверку на постоянное сжатие. Исследуется их напряжение, после чего определяется возможное назначение. К таким относятся колонны, стойки, опоры для тяжелого строительного оборудования. Характерно также отсутствие сварных соединений.

Группа 4 объединяет все вспомогательные конструкции и строительные элементы — связки балок, фахверк, лестничные пролеты, ограждения на балконах и прочее. Категории также характерно отсутствие сварочных швов.

При сборке конструкции первой и второй категорий важно оценивать сопротивляемость стали динамическому и хрупкому воздействию с последующим разрушением. Третьей и четвертой категориях достаточно учесть критерий прочности при статичных объектов.

К каждой группе также предъявляются требования к температуре эксплуатации, ударной вязкости при различном тепловом воздействии. Полный перечень марок стали указан в СНиП II-23-81. Классификация указана в зависимости от климата региона, группы стали и маркировки сплава.

• Конструкционная сталь
• Инструментальная сталь
• Магнитная сталь