2.Структура стали и её механические свойства.

Качество стали определяется её механическими свойствами, а именно: сопротивлением при статических нагрузках (предел текучести и временный предел прочности), сопротивлением при динамических нагрузках и хрупкому разрушению (ударная вязкость при различных t˚), пластичностью (относительное удлинение при растяжении), свариваемостью (зависит от хим. состава), коррозионной стойкостью.По мех. свойствам сталь делится на 1 – сталь обычной прочности – малоуглеродистые стали;

2 – повышенной прочности – низколегированные стали;

3 – высокопрочные стали.

Основу стали составляет феррит – мало-прочный и пластический материал (чистое железо, в конструкциях не применяется). Для повышения прочности к ферриту добавляют углерод, т.о. получают малоуглеродистые стали (1); t˚ плавления феррита - 1535˚С, при добавлении углерода она снижается; углерод приводит к увеличению прочности, но к снижению пластичности, т.е. делает сталь более хрупкой. Поэтому количество углерода ограничивают – максимальное содержание – 0,22% для строительной стали.

Стали повышенной прочности (2) получаются добавлением углерода и различных химических элементов. Все химические эл-ты обозначаются кириллицей: кремний – С, алюминий – Ю, марганец – Г, медь – Д, хром – А; в марках низколегированной стали содержание эл-тов в целых процентах указывается после названия элемента. Если содержание элемента менее 1 процента – цифра не указывается. Так как углерод входит в каждую марку стали, буква У не указывается, а содержание в сотых долях процента даётся в начале марки: 09Г2С.Высокопрочные стали (3) получаются лигированием (добавка эл-тов) и термическим упрочнением.

3.Термическая обработка сталей. Под влиянием t˚, а также режима нагрева и охлаждения, меняется структура стали, величина зёрен, их растворимость; при этом увеличивается прочность стали, но может уменьшиться пластичность. Самый простой способ термической обработки - нормализации – нагрев до определённой температуры, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе. При резком охлаждении стали, нагретой докрасна, происходит закалка стали, при этом резко увеличивается временной предел прочности, но сталь становится хрупкой. Для придания первоначальных свойств происходит её отпуск, т.е. её нагревают до определённой t˚, выдерживают, затем медленно охлаждают.

Необходимость термической обработки Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.

В зависимости от температур нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки : закалка, отпуск и отжиг. В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу.

Закалка стальных деталей

Закалка придает стальной детали большую твердость и износоустойчивость. Для этого деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, чтобы весь объем материала прогрелся, а затем быстро охлаждают в масле (конструкционные и инструментальные стали) или воде (углеродистые стали). Обычно детали из конструкционных сталей нагревают до 880-900 С (цвет каления светло-красный). Нагревают детали вначале медленно (примерно до 500 С), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в детали не возникли внутренние напряжения, что может привести к появлению трещин и деформации материала.

Отпуск закаленных деталей

Отпуск закаленных деталей уменьшает их хрупкость, повышает вязкость и снимает внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют главным образом при обработке измерительного и режущего инструмента. Закаленную деталь нагревают до температуры 150-250 С (цвет побежалости - светло-желтый), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате такой обработки материал, теряя хрупкость, сохраняет высокую твердость и кроме того, в нем значительно снижаются внутренние напряжения возникающие при закалке.

Средний отпуск применяют в тех случаях, когда хотят придать детали пружинящие свойства и достаточно высокую прочность при средней твердости. Для этого деталь нагревают до 300-500 С и затем медленно охлаждают.

И наконец, высокому отпуску подвергают детали, у которых необходимо полностью снять все внутренние напряжения. В этом случае температура нагрева еще выше - 500-600 С.

Отжиг стальных деталей

Чтобы облегчить механическую или пластическую обработку стальной детали, уменьшают ее твердость путем отжига. Так называемый полный отжиг заключается в том, что деталь или заготовку нагревают до температуры 900 С, выдерживают при этой температуре некоторое время, необходимое для прогрева ее по всему объему, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают до комнатной температуры.

4.Производство сталей. Марки сталей. Выборы сталей для металлических конструкций. Стали производятся в мартеновских печах и в конверторах. Наиболее распространена марка малоуглеродистой стали: Ст3, Ст3Г (с повышенным содержанием марганца). Малоуглеродистая сталь поставляется по трём группам: а) по механическим свойствам, б) по химическому составу, в) по механическим свойствам и химическому составу. Для строительных конструкций стали поставляются по третьей группе.

Нераскисленные стали кипят при разливке за счёт выделения газов, имеют неоднородную структуру (поры), хуже сопротивляются старению (КП – кипящая сталь). Для раскисления используются кремний или алюминий. Раскисленная сталь не кипит при разливке (спокойная сталь - СП), имеет однородную структуру, повышенные механические характеристики, однако дороже, чем КП на 12-15% и используются для ответственных сооружений. ПС – полуспокойная сталь – занимает промежуточное положение между КП и СП по механическим характеристикам и стоимости.

Марки высокопрочной стали обозначаются, как и низколегированные, по ГОСТу 88-го года. Марки выпускаются по классам С 235, 245, 255, 275, 285, 345, 375, 390 (цифры – расчётное сопротивление стали по пределу текучести). 235-285 – малоуглеродистые стали, 345-390 – стали повышенной прочности (низколегированные), 440-590 – высокопрочные.

Выбор марки стали.

Марку стали выбирают на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учётом СНиПа. Выбор марки зависит от следующих параметров:

1. температура среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция;

2. характер нагружения конструкции (статическое/динамическое);

3. вид напряжённого состояния (одноосное сжатие/растяжение, плоскостное/объёмное нагружение);

4. способ соединения конструкций (на сварке/болтах);

5. толщина проката.

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены по СНиПу на 4 группы. В каждой группе, в зависимости от температуры наружной среды, указаны марки стали, которые можно использовать. Окончательную марку стали выбирают на основе вариантного проектирования (по стоимости).