Влияние различных факторов на свойства стали

 

3.1 Старение

 

Под старением понимают изменение свойств низкоуглеродистой стали без заметного изменения ее микроструктуры, Старение снижает пластичность листовой стали немного повышает прочность, но снижает, сопротивление хрупкому разрушению и порог хладноломкости.

 

Различают термическое и деформационное (иногда термодеформационное) старение. Термическое старение вызвано понижением растворимости углерода и азота в малоуглеродистых сталях, резко охлажденных с температур 650...700 °С (после прокатки, сварки и т.п.) до комнатной температуры. Во время последующей выдержки при комнатной температуре (естественное старение) или небольшом на, нагреве (50...150 °С) (искусственное старение) из феррита выделяются третичный цементит, иногда нитриты Fe6N2, Fc4N. Образуются также атмосферы Коттрелла, т.е. группы атомов углерода и азота вокруг дислокаций.

 

Деформационное старение происходит в сталях, подвергавшихся холодной деформации (холодная гибка, правка и т.п.), и связано в основном с образованием атмосфер Коттрелла у скоплений дислокаций. Процесс развивается в течение 15...16 суток при 20 °С и за несколько минут при 200...350 °С.

 

Образование дисперсных атмосфер Коттрелла затрудняет движение дислокаций. Старение малоуглеродистых строительных сталей может стать причиной разрушения конструкции, особенно при низких температурах. Чтобы уменьшить склонность стали к старению, при выплавке применяют дегазацию и модифицирование алюминием, титаном и ванадием. которые связывают азот и нитриды. Для ряда сталей предусмотрены специальные испытания на определение склонности к старению.

 

3.2 Влияние температуры

 

Механические свойства стали при нагревании ее до температуры t = 200…250 °С практически не меняются. При температуре 250...300°С прочность стали несколько повышается, пластичность снижается. Сталь в изломе имеет крупнозернистое строение и становится более хрупкой (синеломкость). Не следует при этой температуре деформировать сталь или подвергать ее ударным воздействиям.

 

Нагрев выше 400°С приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, а при t = 600...650°С наступает температурная пластичность и сталь теряет свою несущую способность.

 

При отрицательных температурах прочность стали возрастает, ударная вязкость падает и сталь становится более хрупкой.

 

Зависимость ударной вязкости от температуры характерна тем, что переход от вязкого разрушения к хрупкому происходит, как правило, скачкообразно, в узком температурном диапазоне, называемом порогом хладноломкости. Ударная вязкость, определенная при испытании образцов с надрезами типа U, обозначается KCU, а образцов с надрезами типа V и трещиной - соответственно KCV и КСТ. Обычно в качестве порога хладноломкости принимают температуру, при которой ударная вязкость становится меньше определенного значения: KCU, KCV и КСТ соответственно 30...40, 20 и 15 Дж/см2. Температуру, при которой ударная вязкость снижается до этого установленного значения, принимают за порог хладноломкости или критическую температуру перехода стали в хрупкое состояние Тcr. Данные о критических температурах хрупкости позволяют установить температурный интервал, при котором рекомендуется использовать в конструкциях ту или иную сталь.

 

В соответствии с действующими нормами проектирования стальных конструкций повышение их надежности против хрупкого разрушения достигается в основном выбором марки стали с гарантией ударной вязкости при пониженной температуре, а также специальными мероприятиями на стадиях конструирования и изготовления. Однако такой подход не всегда гарантирует от хрупких разрушений стальных конструкций. В настоящее время ведутся разработки по созданию более объективных методов оценки сопротивляемости конструкций хрупкому разрушению. Для сталей, используемых в строительных конструкциях, среди факторов, вызывающих хрупкое разрушение, одним из доминирующих является снижение температуры. В связи с этим сопротивление элементов стальных конструкций хрупкому разрушению отождествляют с понятием их хладостойкости.

 

3.3 Среда, виды коррозии, методы борьбы

 

Свыше 70% стальных конструкций эксплуатируются в атмосфере промышленных районов или подвержены непосредственному воздействию агрессивных сред. Агрессивность среды во многих случаях предопределяет выбор материала и конструктивной формы, оптимальный вид защитных покрытий и правила эксплуатации конструкций.

 

Показателями среды, определяющими степень ее агрессивности по отношению к строительным конструкциям, являются относительная влажность, температура, возможность образования конденсата, состав и концентрация газов и пыли, туманы агрессивных жидкостей, а также способы их воздействия на конструкции (непосредственно или через воздушную среду). В зависимости от факторов, формирующих эксплуатационную среду, строительные конструкции можно подразделить на: конструкции, эксплуатирующиеся на открытом воздухе, в общезаводской атмосфере, конструкции, эксплуатирующиеся внутри зданий, во внутрицеховой атмосфере. Условия эксплуатации конструкций в общезаводской атмосфере определяются климатическими особенностями региона расположения объекта и загрязненностью атмосферы технологическими выделениями. В нормах по климатологии территория России разделена в зависимости от влажности на три зоны (сухая, нормальная и влажная). Условия эксплуатации конструкций во внутрицеховой атмосфере предопределяются технологическим процессом.

 

Главным фактором, определяющим интенсивность коррозионного износа (разрушения), является относительная влажность. Наибольшая скорость коррозии реализуется при периодическом выпадении конденсата, однако скорость резко возрастает при достижении так называемой критической влажности, обычно принимаемой для стали 70...75%.

 

Установлено четыре степени агрессивности воздействия среды: I - неагрессивная (примерная скорость коррозии незащищенной стальной поверхности до 0, 01 мм/год); II - слабоагрессивная (0, 01...0, 05 мм/год); III - среднеагрессивная (0, 05...0, 1 мм/год); IV -сильноагрессивная (более 0, 1 мм/год). Нормы проектирования по защите строительных конструкций от коррозии влажностный режим помещений (или влажность воздуха для открытых конструкций) подразделяют на сухой, нормальный, влажный и мокрый. Нормами также установлены группы А, В, С и D в зависимости от вида и концентрации загрязненности воздуха агрессивными реагентами, солями, аэрозолями и пылью. На основании данных многолетних натурных наблюдений по степени агрессивности среды цехи основных отраслей промышленности распределены так:

 

I - сборочные, механические и ремонтные цехи, закрытые складские помещения;

 

II - здания сталеплавильных и прокатных цехов, обжиговые и агломерационные цехи;

 

III - открытые конструкции, эксплуатируемые в индустриальной атмосфере, объекты связи, опоры линий передач, здания металлургических комбинатов, некоторые цехи цветной металлургии (обогатительные, сушильные и др.), химических комбинатов, открытые эстакады и т.п.;

 

IV - основные цехи предприятий цветной металлургии и химической промышленности.

 

По условиям протекания, которые весьма разнообразны, различают следующие виды коррозии: почвенная, структурная, электрокоррозия, контактная, щелевая, под напряжением, при трении, коррозионная кавитация, биокоррозия.

 

Строительные стальные конструкции подвержены главным образом электрохимической, атмосферной коррозии, которая определяется электрохимическими процессами на поверхности стали в присутствии влаги.

 

Для прогнозирования долговечности строительных конструкций важно знать не только скорость протекания, но и характер коррозионных разрушений. Коррозионное разрушение может иметь сплошной (общий) характер или сосредоточиваться на отдельных участках (местная коррозия). Сплошная коррозия распространяется по всей поверхности металла с одинаковой (равномерная коррозия) или неодинаковой (неравномерная коррозия) скоростью на различных участках.

 

Местная коррозия может быть следующих типов: пятнами (d> h, где d - ширина пятна, h - глубина пятна); язвами, кавернами (d> > h); точечная, питтинговая (d< h) - разрушение может быть весьма глубоким и даже перейти в сквозное; поверхностная - разрушение начинается с поверхности, но в дальнейшем распространяется преимущественно пол поверхностью металла; избирательная - разрушение отдельных структурных составляющих или одного из компонентов стали; межкристаллитная - разрушение происходит по границам зерен; внутрикристаллитная - характеризуется тем, что разрушение распространяется в глубь металла по телу зерен. Общая сплошная коррозия приводит к ослаблению сечения элемента конструкции и повышению уровня напряжений. Местная коррозия помимо ослабления сечения вызывает концентрацию напряжении, что повышает вероятность хрупкого разрушения стали. Поэтому местные коррозионные повреждения представляют особую опасность, особенно для конструкций, эксплуатируемых при пониженных температурах.

 

Кроме агрессивности эксплуатационной среды скорость коррозии зависит от химического состава стали. По коррозионной стойкости строительные стали можно разделить на три группы: 1) марганцовистые стали и сталь 14ГСМФР; 2) все стали, кроме входящих в первую и третью группы; 3) медистые и атмосферостойкие стали.

 

Стали 09Г2, 14Г2 и 14ГСМФР. входящие в первую группу, имеют пониженную коррозионную стойкость, их не следует применять в сильно - и среднеагрессивных средах.

 

Стали 09Г2С, 10Г2С1, 15Г2СФ по коррозионной стойкости аналогичны низкоуглеродистой стали.

 

Медистые стали (10ХСНД, 15ХСНД, 10ХНДП) имеют повышенную коррозионную стойкость и корродируют почти в 1, 5 раза медленнее низкоуглеродистой стали. Атмосферостойкая сталь (10ХНДП) может быть применена без антикоррозионной защиты для открытых конструкции, расположенных в сухой климатической зоне.

 

При положительных температурах коррозионный износ практически не влияет на механические свойства стали. Снижение прочности коррдирующих конструкций происходит за счет потери толщины сечений. Однако, когда глубина коррозионных повреждений соизмерима с толщинами элементов конструкций, уменьшение прочностных характеристик стали при комнатной температуре становится существенным. Поэтому для тонкостенных элементов конструкций (t < 6 мм) следует учитывать это обстоятельство при проведении проверочных расчетов.

 

Более интенсивное снижение прочностных характеристик строительных сталей из-за коррозии имеет место при отрицательных температурах. При - 60° С для стали 09Г2С снижение предела текучести достигает 15...20%.

 

Как было отмечено выше, местные коррозионные повреждения являются концентраторами напряжений и снижают ударную вязкость. Отрицательное влияние коррозионного разрушения на сопротивляемость сталей хрупкому разрушению следует учитывать при количественных оценках работоспособности материала.

 

Обеспечение долговечной эксплуатации стальных конструкций возможно только при надежной защите их от разрушающего воздействия агрессивных сред. Способы защиты конструкций от коррозии можно разделить на три группы: воздействия на металл, воздействия на среду, комбинированные.

 

Для строительных конструкций широкое распространение получили методы нанесения защитных покрытий. В настоящее время из всех видов покрытий наиболее распространенными, доступными и достаточно эффективными являются лакокрасочные. Для защиты строительных конструкций от коррозии рекомендуют более 70 различных марок лакокрасочных материалов.

 

Выбор состава покрытий является технико-экономической задачей, при решении которой учитываются стоимость защитного покрытия, его долговечность, трудоемкость нанесения и другие факторы. Долговечность защитного покрытия в условиях производственной среды устанавливают обычно из опыта эксплуатации покрытий в аналогичных средах или экспериментальным путем.

 

Защитные свойства покрытия определяются тремя факторами: механическими и химическими свойствами пленки покрытия, сцеплением пленки с защищаемой поверхностью и коррозионной стойкостью конструкционного материала. Покрытие в большинстве случаев должно состоять из шпатлевки, грунтовки и покрывных слоев. Назначение грунтовки - обеспечить прочное сцепление (адгезию) лакокрасочной пленки с поверхностью металла. Адгезия зависит от качества подготовки поверхности элементов под окраску.

 

По типу пленкообразования лакокрасочные покрытия подразделяют на следующие основные виды.

 

1. Лаки и краски на основе битумов, лаков и смол (БТ), например краска БТ-177, битумно-масляный лак БТ-783. Применяются для закрытых конструкций в слабоагрессивных средах при повышенной влажности.

 

2. Перхлорвиниловые лаки и эмали (ХВ), например эмали ХВ -1100, ХВ-124, грунтовка ХВ-050, лак ХС-724. Рекомендуются для средне- и сильноагрессивных сред при повышенных требованиях к водостойкости, а также стойкости против растворов кислот, щелочей.

 

3. Эпоксидные эмали (ЭП), например эмали ЭП-733 и ЭП-575, грунтовка ЭП-0200, шпатлевка ЭП-ЭП10 и др. Применяются для слабо- и среднеагрессивных сред.

 

4. Кремнийорганические эмали (КО), например эмаль КО-811 (наносится без грунтовки), краска КО-042 и др. Рекомендуются для открытых конструкций, эксплуатируемых в среднеагрессивной среде.

 

5. Масляные краски (МА), например масляная черная МА-011, белила цинковые МА-012, железный сурик на олифе-оксоль. Могут быть применены для защиты конструкций в закрытых помещениях при слабоагрессивных средах. Не рекомендуются для производственных сельскохозяйственных зданий.

 

6. Глифталевые покрытия (ГФ). Грунтовки ГФ-021, ГФ-017 и другие применимы почти для всех видов покрытий. Грунтовка ГФ-017 рекомендуется для конструкций, монтируемых или эксплуатируемых при расчетной температуре -40 С

 

4. Области применения стали

 

Область применения конструкционной легированной стали очень велика. Наибольшее распространение получили следующие стали.

 

Хромистые, обладающие хорошей твердостью, прочностью, сравнительно недорогие. К ним относятся стали марок 15Х, 20Х, ЗОХ, 45Х, боросодержащие 40ХР, с цирконием 40ХЦ.

Марганцевые, например 15Г, 20Г, 40Г, 45Г2, отличающиеся износоустойчивостью. Особенно износоустойчива сталь марки Г13, которую применяют для гусениц " тракторов, железнодорожных стрелок.

Кремнистые и хромокремнистые (ЗЗХС, 55ХС), обладающие высокой твердостью и упругостью; применяются для пружин, рессор.

Хромованадиевые (45ХФ, 40ХФА) особо прочные, плотные, хорошо противостоящие.истиранию, применяемые для автомобильных деталей, осей, валов.

Хромомолибденовые (20ХМА, ЗОХМА) очень прочные, хорошо сваривающиеся, штампующиеся, используемые для осей, роторов.

Хромомарганцевокремнистые стали — хромансиль (25ХГСА, ЗОХГСА), которые заменяют хромомрлибде - новую сталь и значительно дешевле ее.

Хромоникелевые (12Х2Н4А, 20ХНЗА), очень прочные и пластичные; применяются для изготовления коленчатых валов, поршней, деталей турбин.

Хромоникелевольфрамовые, хромоникелеванадиевые и другие стали марок 40ХН2МА, 13ХЗНФА, 45ХН2МФА; применяют для высоконагруженных деталей машин: зубчатых колес, шатунов, Деталей турбин и т. д.

Низколегированная сталь применяется в строительстве гражданских и промышленных сооружений, в моторостроении, судостроении. Она прочнее углеродистой, хорошо сваривается, лучше противостоит действию ударных нагрузок. Применение этой стали уменьшает массу конструкций на 15—30%. ГОСТ 19281—73 установлены марки низколегированной стали: 14Г2, 10Г2С2, , 16Г2АФД, 09Г2С и др. Специальными примесями являются марганец, кремний, азот и медь.

 

Заключение

 

Одним из поводов быстрого роста сборных стальных конструкций в строительной отрасли является то, что производители создают сборные стальные строительные конструкции для широкого круга задач. Стальные сооружения возводятся тогда, когда ограничено пространство. Сейчас сталь активно используется для таких сооружений, как кабины для автоматов, строительные магазины, спортивные сооружения, а также большие амбары, сельскохозяйственные объекты и даже церкви и торговые центры. Стальные сооружения часто используют внутри больших зданий, к примеру, терминалы аэропортов и спортивные арены, где существует необходимость рационального использования свободного места. Сталь дает ряд дополнительных преимуществ во многих случаях. Вообще говоря, применение сборных стальных сооружений позволяет ускорить скорость строительства по сравнению с традиционными технологиями возведения зданий. Кроме того, будучи легко настраиваемыми, стальные сооружения позволяют значительно сохранить время на разработку проекта строительства. Однако стоит заметить, что другие этапы строительства при возведении больших зданий, как правило, сопоставимы по времени с возведением здания похожего размера с использованием обычных технологий. Может быть, главной причиной для роста популярности стальных конструкций является цена строительства. Если предположить, что здание вписывается в параметры и ограничения того, что подходит для стали, стальные сборные конструкции обычно дешевле, чем строительство с использованием традиционных строительных технологий. Кроме того, используя современные отделочные материалы, можно возвести красивое здание и обойти таким образом устоявшееся клеймо " жестяной сарай", которое обычно приписывают к конструкциям из стали. Для небольших складских, производственных и коммерческих проектов эти плюсы стали делают ее гораздо более привлекательной альтернативой с точки зрения затрат владельца здания. Кроме того, стальные конструкции зачастую являются правильным выбором для больших зданий (аэропортов, спортивных арен), в которых свободное пространство должно использоваться максимально эффективно. Таким образом, применение сборных стальных конструкций в строительстве позволяет сократить время и бюджет не в угоду качеству.

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: