Изготовление стальных изделий. Стальные слитки – полуфабрикат, из которого получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее распространенный метод обработки – прокатка. При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и приобретает заданную форму. Прокатывают сталь в холодном состоянии. Сортамент стали горячего проката – сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др. При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, и получают изделия заданных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения. Ковка – обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.). Штамповка – разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.
Прессование представляет собой процесс выдавливания находящейся в контейнере стали через выходное отверстие матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.
Холодное профилирование – процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания – упрочненную холодносплющенную арматуру.
6.4 Углеродистые и легированные стали
Металлические конструкции, арматуру для железобетона, трубы, крепежные детали и другие строительные изделия изготовляют, как правило, из конструкционных углеродистых сталей. Конструкционные легированные стали, используют только для особо ответственных металлических конструкций и арматуры для предварительно напряженного железобетона.
В зависимости от содержания углерода стали делятся на низко- (до 0,25% углерода), средне- (0,25...0,6 %) и высокоуглеродистые (>0,6 %). С увеличением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость, стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали, объясняется увеличением содержания в стали твердого компонента – цементита.
Углеродистые стали по назначению подразделяют на стали общего назначения и инструментальные. Углеродистые стали общего назначения подразделяют на три группы: А, Б и В. Стали группы А изготовляют марок Ст0, Ст1 и т. д. до Ст6 и поставляют потребителю с гарантированными механическими свойствами. Чем больше номер стали, тем больше в ней содержится углерода: в стали Ст3 – 0,14...0,22 % углерода в стали Ст5 – 0,28...0,37 %.
Из стали марок Ст1 и Ст2 с высокой пластичностью, изготовляют заклепки, трубы, резервуары и т. п.; из сталей Ст3 и Ст5 – горячекатаный листовой и фасонный прокат, из которой выполняют конструкции и большинство видов арматуры для железобетона. Эти стали хорошо свариваются и обрабатываются. Стали группы Б (БСт0, БСт1, БСт3 и т. д.) поставляют с гарантированным химическим составом; стали группы В – с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Благодаря определенности химического состава стали групп Б и В можно подвергать термической обработке.
Легированные стали помимо компонентов, входящих в углеродистые стали, содержат легирующие элементы, повышающие качество стали с особыми свойствами. Каждый элемент оказывает свое влияние на сталь. Марганец (Г) повышает прочность, износостойкость стали и сопротивление ударным нагрузкам без снижения ее пластичности. Кремний (С) повышает упругие свойства. Никель (Н) и хром (Х) улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость. Молибден улучшает механические свойства стали.
Легированные стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами (нержавеющие, жаростойкие и др.). Для строительных целей применяют в основном конструкционные стали.
Конструкционные низколегированные стали, содержат не более 0.6 % углерода. Общее содержание легирующих элементов не превышает 5 %.Низколегированные стали, обладают наилучшими механическими свойствами после термической обработки.
При маркировке легированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, следующие за ним буквы – условное обозначение легирующих элементов. Если количество легирующего элемента составляет 2 % и более, то после буквы ставят еще цифру, указывающую это количество. Например, марка стали 25ХГ2С показывает, что в ней содержится 0,25 % углерода, около 1 % хрома, 2 % марганца и около 1 % кремния. При маркировке высококачественных легированных сталей (с низким содержанием серы и фосфора) в конце ставится буква А.
В строительстве применяют легированные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД для ответственных металлических конструкций (ферм, балок); 35ХС; 25Г2С, 25ХГ2СА, 30ХГСА и 35ХГСА – для арматуры предварительно напряженного бетона.
Прочность на растяжение таких сталей в 2...3 раза выше, чем обыкновенных углеродистых сталей Ст3 и Ст5. Так, у стали 30ХГСА предел прочности при растяжении не менее 1100 МПа, а у стали 35ХГСА – не менее 1600 МПа (у стали Ст5 - 500...600 МПа). Такие высокие показатели позволяют получать из легированных сталей более легкие конструкции при сохранении необходимой несущей способности. Это снижает расход металла. Изменения физико-механических свойств стали можно добиться путем направленной термической обработки. Меняя режим нагрева, можно фиксировать ту или иную структуру стали.Закалка заключается в нагреве стали до 800... 1000° и быстром охлаждении в воде или в масле. При закалке образуется мартенситовая структура стали с высокой твердостью и прочностью, а также пониженной пластичностью и ударная вязкостью.
Нормализация – нагрев стали с последующим охлаждением на воздухе. При этом образуется однородная мелкозернистая структура стали с высокой пластичностью и ударной вязкостью).
Отпуск – медленный нагрев стали до 250...350°С, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение на воздухе. Отпуск производится для снижения уровня внутренних напряжений и перевода стали в ферритно-цементитную структуру. Этот процесс как бы обратный закалке. Основная задача отпуска – повышение пластичности стали с сохранением высокой прочности.
6.5 Стальной прокат, арматура и изделия
Стальные конструкции выполняют из прокатных элементов различного профиля, трубчатых и гнутых профилей, полосовой и листовой стали. В строительстве чаще всего применяют следующие прокатные и гнутые профили: двутавровые балки, швеллеры, уголки равно- и неравнополочные, квадратные и прямоугольные трубы. Каждый профиль выпускают нескольких типоразмеров, регламентированных стандартами.
Стержневая арматурная сталь представляет собой горячекатаные стержни диаметром 6...80 мм. В зависимости от марки стали и соответственно физико-механических показателей стержневую арматуру делят на шесть классов. С повышением класса увеличивается предел прочности и снижается относительное удлинение при разрыве арматурной стали.
Арматурные стержни класса А-I гладкие, А-II...А-VI – периодического профиля, что улучшает их сцепление с бетоном. Стержневую арматуру диаметром более 10 мм поставляют в виде прутков длиной от 6 до 18м; диаметром 6...9мм – в бухтах и выпрямляют в стержни на месте применения.
Стальную арматурную проволоку изготовляют двух классов: В-I – из низкоуглеродистой стали (предел прочности 550...580 МПа) и В-II – из высокоуглеродистой или легированной стали (предел прочности 1300...1900 МПа). Проволоку получают из стальных прутьев путем вытяжки; при этом она упрочняется в результате изменения структуры металла (явление наклепа). Проволока класса В-I предназначена для армирования бетона без предварительного напряжения, а В-II – для предварительно напряженного армирования. Если на проволоке делают рифления для улучшения сцепления с бетоном, то в обозначение добавляют букву р (например, Вр-I или Вр-II).
Из стальной проволоки изготовляют также арматурные сетки и каркасы, нераскручивающиеся пряди (трех-, семи- и двенадцатипроволочные) марок П-3, П-7 и П-12 и стальные канаты. Канаты и пряди используют для напряженной арматуры
6.6 Коррозия металлов и способы защиты от неё
Коррозия металлов – процесс разрушения металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой, в результате которого металлы окисляются и теряют присущие им свойства. Ежегодно в мире в результате коррозии теряется 10... 15 % выплавляемого металла.
Химическая коррозия – разрушение металлов и сплавов в результате окисления при взаимодействии с газами (О2, SО2 и др.) при высоких температурах или с органическими жидкостями – нефтепродуктами, спиртом и т. п.
Электрохимическая коррозия – разрушение металлов и сплавов в воде и водных растворах. Для развития коррозии достаточно, чтобы металл был просто покрыт тончайшим слоем адсорбированной воды.
Для повышения долговечности и сохранения декоративности металлоконструкции защищают от коррозии. Наиболее простой способ, нанесение на его поверхность водонепроницаемых неметаллических покрытий (битумных, масляных и эмалевых красок), покрытие металлов тонким слоем пластмассы или металла (оловом, цинком, хромом, никелем и др.). Покрытие цинком используют для защиты от коррозии закладных деталей железобетонных изделий, водопроводных труб, кровельной жести. Защитный слой наносят гальваническим (электролитическим осаждением из раствора солей) или термическим методом (окунанием в расплав металла или распылением расплава).
Для получения металлов, хорошо противостоящих коррозии, применяют легирование. Так, вводя в сталь хром и никель в количестве 12...20 %, получают нержавеющие стали, стойкие в минеральных кислотах.