Применение стали в строительстве. 2
«Материаловедение»
На тему: «Применение стали в строительстве».
СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………
1. УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ………………………………
1.1. Сталь углеродистая
1.2. Сталь углеродистая
2. ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ………………………………
3. МАРКИРОВКА СТАЛИ……………………………………
4. ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛИ В
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………...19
ВВЕДЕНИЕ
Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.
Металлами называют вещества, характерными свойствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим.
Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов).
Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придать черным металлам специфические свойства в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.
Сталь - ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2%. В зависимости от способа получения стали разделяют на мартеновские, конвертерные и электростали. По химическому составу в зависимости от входящих в сплав химических элементов стали бывают углеродистые и легированные. К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания принято разделять на спокойную, полуспокойную и кипящую. Легированными называют стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др.).
По назначению стали могут быть конструкционные, применяемые для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, специальные, характеризующиеся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью, и инструментальные.
Классификация стали:
СТАЛЬ:
- Углеродистая нелегированная:
- Низкоуглеродистая С<0,25%
- Среднеуглеродистая C=0,25-0,6%
- Высокоуглеродистая C>0,6%
- Легированная:
- Низколегированная C<2,5%
- Среднелегированная C=2,5-10%
- Высоколегированная C>10%
- УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ.
Сталь углеродистая обыкновенного качества - сплав железа с углеродом. В ее составе также присутствуют в небольшом количестве примеси: кремний, марганец, фосфор и сера, каждая из которых оказывает определенное влияние на механические свойства стали. В сталях обыкновенного качества, применяемых в строительстве, углерода содержится 0,06-0,62%. Стали с низким содержанием углерода характеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышенное содержание углерода придает стали хрупкость и твердость.
Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы: А - поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (СтО, Ст1 и др.);
Б - поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а их уровень, кроме условий обработки, определяется химическим составом (БСтО, БСт1 и др.);
В - поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).
Сталь углеродистая качественная конструкционная по видам обработки при поставке делится на: горячекатаную и кованую, калиброванную, круглую со специальной отделкой поверхности - серебрянку. Наиболее широко в строительстве используют сталь марки СтЗ, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линии электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона.
1.1. Сталь углеродистая обыкновенного качества.
Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода. При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость.
Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы – красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание фосфора от 0,04 до 0,09 %, а серы от 0.04 до 7 %.
Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси марганца и кремния в количестве от 0,8 до 1 % практически не оказывают влияния на механические свойства углеродистых сталей.
В стали, предназначенной
для сварных конструкций,
Содержание азота повышает прочность и твердость стали и снижает пластичность.
Маркировка:
При обозначении марок стали могут быть указаны:
- группы, по которым сталь поставляется :
«А» – по механическим свойствам,
«Б» – по химическому составу,
«B» – по механическим свойствам и дополнительным требованиям по химическому составу;
методу производства:
«М» – мартеновский,
«Б» – бессемеровский,
«K» – кислородно-конвертерный;
- дополнительные индексы
«сп» – спокойная сталь,
«пс» – полуспокойная сталь,
«кп» – кипящая сталь.
В группе «А» индекс «М» часто опускается, но имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии индексов «сп», «пс», «кп» имеется в виду сталь спокойная.
Спокойная сталь является более качественной, но по стоимости она на 12 - 15 % дороже кипящей. Полуспокойная сталь занимает по свойствам промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью, но в результате и незначительного расхода раскислителей стоимость ее меньше, чем спокойной.
Механические характеристики стали зависят также от формы и толщины проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без термообработки.
1.2. Сталь углеродистая качественная конструкционная.
Качественная конструкционная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах (спокойная, полуспокойная, кипящая).
В зависимости от химического состава эта сталь делится на две группы: I – с нормальным и II – с повышенным содержанием марганца.
В марке стали двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь в соответствии с требованиями может поставляться в термически обработанном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная).
Инструментальные качественные углеродистые
стали предназначены для
Маркировка.
Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,..., У13).
Высококачественные стали
2. ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ.
При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, V и др.) достигается значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).
Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали.
Большое значение на практике имеет
способность большинства
Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу и микроструктуре.
По назначению легированные стали разделяют на три класса:
- конструкционные (машиноподелочные и строительные),
- инструментальные,
- стали с особыми физико-химическими свойствами.
Маркировка.
Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система.
Легирующие элементы обозначаются буквами:
С – кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д.
Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента.
Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят.
Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo.
По химическому составу легированные стали делят на три класса:
- низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5%
- среднелегированные – от 2,5 до 10%
- высоколегированные, содержащие от 10 до 50% таких элементов, например нержавеющая сталь (1Х18Н9).
Низколегированные стали
наиболее часто применяют в
Легирующие добавки влияют на свойства стали следующим образом: марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу; кремний и хром повышают прочность и жаростойкость; медь - стойкость стали к атмосферной коррозии; никель способствует улучшению вязкости без снижения прочности. Низколегированные стали имеют более высокие механические свойства, чем малоуглеродистые. Стали, содержащие никель, хром и медь, высокопластичны, хорошо свариваются, их с успехом используют для сварных и клепаных конструкций промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, нефтерезервуаров, труб и т. д.
Среднелегированные
и высоколегированные стали
К высоколегированным относят:
I) коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие
стойкостью против электрохимической и химической коррозии;
межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;
II) жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие
стойкостью против химического разрушения в газовых средах при
температуре выше 50°С, работающие в ненагруженном и
слабонагруженном состоянии;
III) жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.
В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная, аустенитная, феррит-ная, карбидная (ледебуритная).
Большинство
конструкционных и
После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска заметно повышают механические свойства.
Основным преимуществом легированных сталей по, является их большая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения и уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосферной коррозии.
3. МАРКИРОВКА СТАЛИ.
По стандарту марку углеродисто
В отличие от маркировки
углеродистых сталей буквы в марке низколегированны
Для маркировки стали каждому легирующему элементу присвоена определенная буква: Легирующие элементы обозначаются буквами:
С – кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д.
Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента.
Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят.
Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo.
Итак, первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и последующими цифрами - его среднее содержание.
4. ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
Благодаря высоким прочностным свойствам стали, в строительстве появилась возможность строить более высокие дома, более просторные помещения, и легкие но габаритные сооружения (мосты, стадионы и прочее). В химический состав стандартной стали, применяемой в строительстве, входят следующие элементы:
- Железо
- Углерод
- Марганец
- Кремний
- Сера
- Фосфор
- Никель
- Медь
- Хром
Кроме того, если соблюсти заданные пропорции
элементов в сплаве, или добавить другие, можно
получить сталь с уникальными физико-химическими
свойствами. Например, при содержании
хрома выше 10%, сталь приобретает высокую
сопротивляемость ржавлению. Добавление в состав стали химических
элементов, влияющих на ее свойства, называется
легированием. Также, легирован
Конечно, все эти свойства не всегда находят применение в строительной отрасли, так как основной объем стали уходит на конструкции из металла и на арматуру для железобетонных конструкций, которые защищаются от коррозии оболочками из спецсоставов или бетона. А что касается прочности, то она обеспечивается за счет подбора соответствующего профиля, то-есть за счет увеличения площади сечения. Поэтому, высоколегированные стали редко применяются в строительстве из-за экономической нецелесообразности.
Достаточно зайти на любую металлобазу, чтобы увидеть что сталь, в основном, представлена в двух видах изделий - профиль и арматура. Из профилей очень востребованы трубы, квадрат и прямоугольный профиль, швеллер, уголок. Арматура подразделяется на проволоку, гладкую и ребристую арматуру, диаметром до 32 мм.
Арматура в основном применяется для армирования бетонных конструкций, а профиль для сборки металлических изделий (заборы, лестницы, балки, фермы). Сборка элементов из металла преимущественно выполняется на сварке, реже, на болтовых и клепочных соединениях. В железобетоне, каркасы и сетки либо свариваются, либо вяжутся при помощи вязальной проволоки.
Итак в строительстве сталь используют для изготовления конструкций, армирования железобетонных конструкций, устройства кровли, подмостей, ограждений, форм железобетонных изделий и т.д. Правильный выбор марки стали обеспечивает экономный расход стали и успешную работу конструкции.
Для изготовления несущих (расчетных) сварных и клепаных конструкций рекомендуют следующие виды сталей:
- мартеновскую;
- низколегированную (15ГС, 14Г2, 10Г2С, 10Г2СД);
- природно-легированную (15ХСНД, 10ХСНД);
- кислородно-конвертерную ( ВКСтЗсп).
Стали марок Ст4 и Ст5 рекомендуют для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки.
Сталь для конструкций, работающих
на динамические и вибрационные нагрузки
и предназначенных для
К стали для мостовых конструкций
предъявляют специальные
Для армирования железобетонных конструкций сталь применяют в виде стержней, проволоки, сварных сеток, каркасов. Арматурная сталь может быть горячекатаная (стержневая) и холоднотянутая (проволочная). По форме сталь чаще всего бывает круглая, а для улучшения сцепления – периодического профиля. В отдельных случаях для повышения механических свойств сталь обрабатывают наклепом и применяют термическую обработку.
Стержневую арматуру в зависимости от механических свойств делят на классы: A-I, A-II, A-III, A-IV и др. При обозначении класса термически упрочненной арматурной стали добавляют индекс «т» (например, Ат-III), упрочненную вытяжкой – «в» (например, А-Шв).
Арматурная проволока может быть холоднотянутой класса B-I (низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса В-II (углеродистой) для напрягаемой арматуры.
Для обычного армирования преимущественно применяют арматурную сталь классов A-III, А-II и обыкновенную арматурную проволоку. Для предварительно напряженного армирования используют высокопрочную проволоку, арматурные пряди и арматуру класса A-IV и другие низколегированные стали, а также упрочненную вытяжкой сталь класса А-IIIв.
Сортамент прокатного металла и металлоизделий в строительстве разнообразен: сортовая сталь, прокатная сталь листовая, уголки, швеллеры, двутавры, трубы и другие служат основой для изготовления металлических конструкций (балки, колонны, фермы и т.д.).
На сортаменты имеются ГОСТы наиболее рациональных типов профилей и частоты их градаций.
Сортовая сталь:
- круглая (диаметром 10- 210 мм) применяется для изготовления арматуры, скоб, болтов;
- квадратная (сторона квадрата 10-100 мм); полосовая (шириной 12-20 мм) – для изготовления связей, хомутов, бугелей.
- сталь листовая включает листы толщиной от 4 до 160 мм, шириной 600-3800 мм;
- тонколистовая кровельная – черная и оцинкованная толщиной до 4 мм;
толщиной 6...60 мм, шириной 200...1500 мм, длиной 5...12 м.
Уголковые профили (равнополочные и неравнополочные) выпускают площадью сечения 1,0- 140 см2.
Швеллеры характеризуются сечением швеллеров и определяются его номером, который соответствует высоте стенки швеллера в сантиметрах.
Двутавры – основной балочный профиль – разнообразны по типам; обозначаются номером, соответствующим их высоте в сантиметрах. Трубы круглые имеют диаметр 8- 1620 мм. Трубы могут быть квадратного и прямоугольного сечения.
В строительстве также широко применяют специальные профили и металлические материалы: стальные канаты и проволоку, профилированные настилы и т.д.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Металлообрабатывающая промышленность выпускает обширную номенклатуру стальных изделий, применяемых в строительстве, в том числе прокатную листовую сталь для покрытия кровли.
Возможность применения вида стали в строительстве определяется не только ее свойствами, но и в значительной степени ее доступностью и рентабельностью. Качество стали регулируют легированием, вакуумированием при разливке и другими способами.
По химическому составу стали подразделяются на две основные группы:
- углеродистые и
- легированные.
Углеродистые стали по качеству и назначению разделяют на стали обыкновенного качества, качественные конструкционные и инструментальные.
Сталь углеродистая обыкновенного качества представляет собой сплав железа с углеродом.
Основными характеристиками углеродистой стали являются пределы текучести и прочности при растяжении, а также величина относительного удлинения.
Наиболее широко в строительстве используют углеродистую сталь Ст3, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, трубопроводов, а также арматуры железобетона.
Легированными называют стали, в состав которых специально вводят один или несколько элементов, улучшающих их физико-механические свойства. Легированные стали в зависимости от содержания легирующих элементов разделяют на высоколегированные, среднелегированные и низколегированные. В строительстве наибольшее применение нашли последние.
В составе низколегированных сталей содержится не менее 2,5 % легирующих элементов, таких, как марганец, кремний, хром, никель, медь, вводимые в небольшом количестве.
Среднелегированные и высоколегированные стали используются в строительстве для изготовления тех конструкций, которым необходимо обеспечить высокую коррозионную стойкость.
Применяемые в строительстве стали различают по качеству, способу обработки и назначению. По качеству стали подразделяют на обыкновенные (рядовые), качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Эти виды различаются количеством вредных примесей: серы, снижающей механическую прочность и являющейся причиной красколомкости — хрупкости в горячем состоянии; фосфора, усиливающего хладноломкость — хрупкость при пониженных температурах; неметаллических включений. Буквенные обозначения марок низколегированных сталей указывают на входящие в их состав элементы, например, хром — X, алюминий — Ю, бор — Р, марганец — Г, медь — Д, молибден — М, никель — Н, кремний — С; а цифровые обозначения указывают на их среднее содержание в сотых долях процента.
Первая цифра обозначает содержание углерода, например, 35ХГ2С означает: сталь высококачественная, содержащая 0,35 % углерода, 1 % хрома, 2 % марганца, 1 % кремния.
В маркировке углеродистых сталей буквы указывают на группу и способ производства стали, а цифры на ее маркировку.
Например, стали группы А маркируют буквами Ст и цифрами от 0 до 7, группы — Б — буквами МСт (мартеновская) или 5Ст (бессемеровская) и цифрами от 0 до 7, а сталь группы В — буквами ВСт.
В обозначении марок кипящей стали добавляют "кп", полуспокойной — "пс". Так сталь, полученную бессемеровским способом (кипящая), группы Б, обозначают БСт3кп, а сталь группы В, полученную в конвертерах с продувкой кислородом сверху, обозначают ВКСт3кп.
Основным преимуществом низколегированных сталей по сравнению со сталью Ст3 являются их большая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения и уменьшить расход металла на изготовление конструкции, а также повышенная стойкость к атмосферной коррозии.
По техническим требованиям листы кровельной стали должны быть обрезаны под прямым углом, иметь гладкую поверхность, без трещин, плен и ржавых пятен. Пленка окалины должна быть плотной. Если листы по условиям поставки должны быть отожженными, то следы окалины не допускаются. Листы кровельной стали могут иметь надрывы по краям кромки, не превышающие определенных размеров по глубине и количеству в зависимости от сорта листов. Коробоватость — одновременный изгиб листа в продольном и поперечном направлении, из-за чего лист приобретает корытообразную форму, также регламентируется сортом стали. Кровельная сталь должна выдерживать испытание на двойной изгиб на 180°. Поставляют кровельную сталь в пачках. Хранить их нужно в сухом месте, под нижнюю пачку необходимо подкладывать деревянные прокладки. Сталь кровельная оцинкованная отличается от обычной кровельной стали двусторонним оцинкованным покрытием, предохраняющим сталь от коррозии. Оцинкованная кровельная сталь может работать в условиях повышенной влажности. Листы оцинкованной кровельной стали должны быть обрезаны под прямым углом, иметь чистую и гладкую поверхность с характерным рисунком кристаллизации при горячем цинковании, без трещин, наплывов цинка, темных и ржавых пятен. По толщине металла листовую сталь подразделяют на толстолистовую (толщина листа от 4 мм и более) и тонколистовую (толщина листа до 3,9 мм включительно). Толстолистовая сталь применяется при устройстве кровельного покрытия и изготовлении деталей кровли. Для устройства стальной кровли используется листовая сталь неоцинкованная (черная), оцинкованная и легированная.
