В городах и селах, на открытом пространстве и в помещениях, на земле и под водой, — везде используют стальные конструкции и изделия. Причины популярности материала — технологичность, доступность, прочность и другие физико-механические свойства.
Стали — стабильные железоуглеродистые соединения, которые содержат «C» — не более 2,14%. В базовую рецептуру входит железо, кремний, марганец. Всегда присутствуют вредные (сера, мышьяк, фосфор), скрытые (азот, кислород) и случайные (попадающие из шихты) химические элементы.
На свойства и применение стального проката влияет соотношение всех компонентов. В зависимости от массовой доли «C», различают сплавы:
Недорогие материалы с базовым набором свойств относят к сталям обыкновенного качества. Выше требования к продукции для строительства, производства машин и механизмов, а также сплавам специального назначения. «Золотая середина» по цене и качестве — качественная сталь. Высшую категорию проката изготавливают из высококачественных сплавов.
На равновесное состояние влияет эвтектоидная, заэвтектоидная или доэвтектоидная структура микрокристаллов. Когда рассматривают структуру, анализируют количество, размер и расположение зерен. Внутреннее строение зависит от технологии плавки. Металлическую руду обрабатывают в бессемеровских, мартеновских, тигельных и электрических печах.
При обозначении углеродистых сталей используют определения: «спокойные», «полуспокойные» и «кипящие». Марка сплава с приставкой «сп» свидетельствует о полном раскислении расплава в ковше.
Когда уменьшают температуру, сталь «кипит»: из состава уходят газообразные продукты раскисления (неметаллические включения). Процесс намеренно не доводят до конца, сплав застывает в изложнице. Чтобы обозначить состояние стали, используют аббревиатуру «кп». Отличие «кп» от «сп» — повышенная пластичность.
Два символа «пс» — промежуточный результат между «сп» и «кп». Сталь обладает свойствами, присущими первой и второй группе. Чтобы получить сплав «пс», раскисление не доводят до конца.
Использование конструкций зависит от физических и механических свойств категории материала и конкретной марки. Имеет значение характеристики, приобретенные в процессе обработки.
Название категории сплавов | Марки (несколько примеров) | Лучшие характеристики и другие параметры | Ограничивающие факторы | Применение | |
Высокоуглеродистые | Легированные | 09Г2С, 18ХГТ | Ответственные детали, которые испытывают сложные нагрузки или соприкасаются с агрессивной средой. | Высокая стоимость. | Балки, плиты перекрытия, колонны, трубы под высоким давлением |
Низкоуглеродистые
| Обыкновенного качества | Ст3, Ст1 | Доступность | Низкая прочность | Неответственные изделия: крюки, болты, шпильки (Ст15). |
Качественные конструкционные | Ст08кп, Ст20, Ст08. | Высокая пластичность и свариваемость | Низкая прочность | Детали для холодной штамповки (из Ст10).
| |
Среднеуглеродистые | Качественные | Ст55, Ст 20, Ст45 | Высокая прочность. Вязкость сердцевины. |
| Втулки, винты, оси |
Применение сплавов зависит от свойств материала:
Теплопроводность Ст3, Ст20, Ст08кп — 50…90 Вт/м*град, жаропрочных марок — 30-45 Вт/м*град, нержавейки — 12-22 Вт/м*град.
При выборе стали рассматривают дальнейшую обработку, условия эксплуатации, характер нагрузок:
На всех стадиях технологического процесса проводят визуальный осмотр и контролируют изменения, связанные с текущей операцией.
Цель работы — проверить параметры:
После испытаний узнают физические, химические и другие значения характеристик: предел упругости, относительное удлинение, прочность на изгиб, твердость, тенденцию к усталости.
Методы контроля классифицируют по признакам:
1. количеству проверяемых изделий (на всей партии или выборке);
2. времени проведения: входной, пооперационный, завершающий;
3. характеру действий, существуют виды контроля:
4. оснащенности:
5. трудоемкости подготовки:
Надежность эксплуатации зависит от характеристик каждого узла и конструкции в целом. При проектировании сооружений учитывают тип проката, марку стали, метод изготовления, сопряжение с другими деталями.
Когда проверяют партию проката, делают выборку (количество изделий указано в стандарте). В зависимости от характера нагрузок, образец подвергают одному или нескольким испытаниям.
Контрольные операции различают по силе действия и характеру нагрузки:
Длительным испытаниям подвергают металлоконструкции, которые работают в сложных условиях. Чтобы определить механические свойства стандартных изделий, применяют кратковременные нагрузки.
Последовательность действий зависит от исследуемой характеристики. Цель проверки — узнать, насколько прокат готов дальше выдерживать критические нагрузки. Численные значения параметров указаны в нормативах на каждую группу стали.
Нагрузку увеличивают постепенно (с фиксированием этапов) или сразу прикладывают максимально допустимое усилие. Сравнение параметров показывает, сколько циклов способен выдержать сплав. Результат исследования — коэффициент запаса усталостной прочности.
Металлопрокат из качественных сплавов ценят за прочность, долговечность и технологичность. Для получения сборных конструкций используют хорошо отработанные технологии сварки и соединения крепежом. Металл востребован во всех отраслях хозяйствования.
По способу применения стали разделяют на группы:
1. Строительные сплавы: Ст3, Ст0, Ст1. Первые буквы обозначают принадлежность к сталям. Цифра справа показывает условный номер в таблице стандарта № 380-2005 (вхождение углерода). В Ст0 химического элемента «C» менее 0,23%. Чем больше число, тем выше прочность и ниже пластичность.
Из сплавов обыкновенного качества (Ст1, Ст0) производят неответственные детали (перила, настилы, шайбы) и вторичные элементы конструкций. Ст3 используют, когда сваривают несущие и ненагруженные устройства.
Стандарт регламентирует условия эксплуатации — при положительной температуре.
2. Конструкционные сплавы: Ст45, Ст25, Ст20. Требования указаны в регламенте № 1050-88. Число справа означает массовую долю «C». Из качественных конструкционных сталей изготавливают детали грузоподъемников, рельсы, колесные пары для транспорта.
Чем больше число справа, тем выше способность противостоять усилиям. Примеры:
3. Инструментальные стали применяют для деталей машин, ответственных за выполнение операций: фрезерования, сверления, резки, изменения формы.
Требования к сплавам перечислены в профильных стандартах для кованого и горячекатаного металла. Номер регламента зависит от категории и способа поставки продукции: в мотках, прутках, листах.
Из быстрорежущих сталей производят молотки, долота, стамески, резцы, сверла, инструмент для холодного и горячего деформирования металлов. Примеры марок стали: У7, У8А.
4. Легированные сплавы отличаются составом. Чтобы улучшить свойства, изменяют пропорции базового состава или вводят новые химические элементы. Марки сталей: 09Г2С, 18ХГТ.
При выборе марки стали ориентируются на физико-механические свойства, присущие группе и конкретной марке. Информацию легко найти в профильных стандартах.