Механические и деформационные характеристики сталей

Важнейшими свойствами сталей, обуславливающими возможность и целесообразность их применения в свар­ных конструкциях, являются прочность и пластичность в условиях эксплуатации. Основными механическими харак­теристиками являются предел текучести, временное сопро­тивление (предел прочности) и относительное удлинение, которые определяются в результате испытания цилиндри­ческих образцов на растяжение до разрыва по ГОСТ 1497 [Соколов].

Для оценки склонности стали к хрупкому разрушению используют испытания образцов с надрезом на ударный изгиб по ГОСТ 9464 (рис. 7.1.1, б).

Рисунок 10.1. Схема для определения ударной вязкости стали.

Надрезы могут быть U-образной формы с радиусом закругления 1 мм (образец Менаже), V-образной формы с радиусом закругления 0,25 мм (образец Шарпи) и с трещиной — образец типа Т. При этом находят работу удара (соответственно КU, КV, КТ в Дж) и ударную вязкость (КСU (применяют в РФ), КСV (применяют за рубежом), КСТ в Дж/см2). Эти испытания в зависимости от поставленных задач могут быть проведены при нормальной (+20 °С) или низкой (-20.....-70 °С) температурах. Значе­ние ударной вязкости отражает влияние низких темпе­ратур на пластичность и сопротивление хрупкому разру­шению сталей.

Для каждой марки стали стандартами установлены нор­мативные значения механических характеристик, предела текучести, временного сопротивления и др. Они являются минимально допустимыми. Чем больше толщина проката, тем более низкие механические характеристики он имеет, поэтому в стандартах значения предела текучести и вре­менного сопротивления указываются для определенного ин­тервала толщин. Фактические значения проверяются пу­тем испытаний образцов, изготовленных из металла каж­дой плавки. Результаты указывают в сертификате, кото­рый выдает производитель проката. Если испытания пока­жут, что механические характеристики ниже нормативных, то металл данной плавки переводится в более низкую ка­тегорию.

Стали, применяемые для изготовления металлоконструкции, должны удовлетворять требованиям государственных стандартов и иметь сертификаты. Углеродистые стали (ГОСТ 14637, ГОСТ 535) в за­висимости от назначения и гарантируемых характеристик под­разделяются на группу А, поставляемую по механическим свой­ствам, группу Б, поставляемую по химическому составу, и группу В, поставляемую по механическим свойствам и с отдельными требованиями по химическому составу, и могут изготовляться как мартеновским, так и конверторным способом. В обозначении марок сталей буквы Ст означают «сталь», цифры 2, 3, 4, 5 — ус­ловный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Буква Г, проставленная после условного номера марки (Ст3Гпс), указывает на повышенное содержание марганца, более 0,5%. Для обозначения степени раскисления к обозначению марки стали после номера марки добавляют ин­дексы: кп — кипящая, пс—полуспокойная, сп — спокойная. В настоящее время кипящие стали не рекомендуется к применению в несущих сварных металлоконструкциях. Цифра, указываемая после степени раскисления, обозначает разделение на категории. Углеродистая сталь для изготовляемых с помощью сварки или привариваемых несущих металлических конструкций должна содержать углерода не более 0,22 %, а для привариваемых ли­тых деталей — не более 0,25 %. Такое обозначение как ДТУ-1 (ДТУ-2, ДТУ-3, ДТУ-4), указанное после полного обозначения стали (например Ст3пс ДТУ-1) указывает на поставку проката в деформированном термически упрочненном состоянии с указанием условного обозначения степени упрочнения). Малоуглеродистые стали рекомендуется назначать для несущих металлоконструкций грузоподъемных машин для диапазона расчетных температур окружающего воздуха от –20^оС до +20^оС.

В крановых металлоконструкциях находят применение и конструкционные стали: сталь 10,сталь 15, сталь 20, сталь 45, где цифрами указано содержание углерода в сотых долях процента.

В основу обозначения марок низколегированных сталей по­ложен их химический состав. Например, 15ХГН2МАФАч. Число, стоящее перед буквенными обозначениями, соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Отдельные компоненты, входящие в со­став сталей, имеют следующие обозначения: марганец — Г, крем­ний — С, хром — X, никель — Н, медь — Д, азот — А, вана­дий — Ф, молибден — М, алюминий — Ю, углерод — У, Р — бор, Б — ниобий, Т — титан, П — фосфор. Ци­фры после букв указывают процентное содержание соответству­ющего элемента в целых единицах. Отсутствие цифры указывает на содержание компонента менее 1%. Буква А в конце обозначения марки стали указывает на пониженное содержание фосфора и серы, буква ч указывает на обработку жидкого металла редкоземельными металлами цериевой группы. Если количество какого-либо компонента составляет менее 0,3 %, то такой компонент в обо­значение стали не вносится.

Условия определения ударной вязкос­ти низколегированных сталей зависят от их категории ка­чества. Установлено 15 категорий качества. Категория указывается после обозначения стали: 09Г2С – 12, 10ХСНД – 15 и т.д.. Для несущих конструкций грузоподъемных машин, эксплуатируемых при темпе­ратуре не ниже -40 °С обычно используют стали 12-й ка­тегории, для которых контролируется ударная вязкость КСU при температуре -40 °С и после механического старе­ния при нормальной температуре. Для конструкций, пред­назначенных для использования при температуре до -65 °С, применяют стали 15-й категории, ударная вязкость КСU которых нормируется при температуре -70 °С и также пос­ле механического старения. Прокат из сталей указанных категорий поставляется в нормализованном или улучшен­ном состоянии.

По сравнению с углеродистыми сталями низколегированные имеют более высокие механические характеристики (временное сопротивление и предел текучести), повышенную хладостойкость, лучшую износостойкость, нормальную сваривае­мость, но большие значения эффективных коэффициентов кон­центрации напряжений.

Вредными примесями, снижающими пластичность и хладостойкость стали, являются сера и фосфор. Их содержание в малоуглеродистых сталях по не должно превышать 0,04-0,05 %, а в низколегированных сталях не более 0,035-0,04 %