книги из ГПНТБ / Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование)
.pdf'■& |
Ж 0 |
Іи |
-і |
.tiV' |
ч«І |
/Л-t |
»> '^S |
fі> |
jtf \Л' |
! / ■ |
|
I ■ % |
, ! , / 1 |
|
|
|
:K;-л/'■.'•;>•. |
■.«Зг'І"'/ |
M. M. ЖЕРБИН
^.й\М<*Хчё&і©;?-ГчігÄ-Ä£¥fr£t; |
|||||||
.с' |
|
r'f. |
»V;. |
|
'л. |
|
Ли-> |
$ |
..#■ |
ІІ |
|
'ѴЧ |
* |
л |
* |
р |
|
'S |
,<**' |
||||
% *>/' |
|
|
ѵ-0‘. •&.Л>‘ |
|
|||
ѵ|\л?п**. ' •>'•< |
|
СЛі |
|
.,*•>. |
|||
А |
|
...Г fч'%. |
& |
.Д\\.: |
|||
;>і |
/>' $ |
'"\’* |
*5 |
,tv' |
::Ф |
||
£• ./•'’ |
|
К |
^;:,. |
й |
А ' |
^ |
|
І’«Г |
|
.:. |
^ |
~ІЛЛ |
f\ |
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
М. М. ЖЕРБИН
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
(ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ)
ИЗДАТЕЛЬСТВО «БУДІВЕЛЬНИК:
К И Е В - 1 9 7 4
Гос. nvRflS'HHOS кп/ч.ш -. .;;ни--:еская
бно;: '.отека О ■ СР
г* ' - ". р
ЧИТАл;>г.ОГО ЗАЛА
6П3.4+6С4.05
Ж59
УДК 691.714
Жербин М. М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование). Киев, «Будівельник», 1974, стр. 160.
/< ? J___ |
В книге приведены современные направления раз |
|||||||
|
вития производства строительных сталей для свар |
|||||||
|
ных металлических конструкций, марки и харак |
|||||||
|
теристики углеродистых и низколегированных ста |
|||||||
|
лей. Особое внимание уделено новым термически |
|||||||
|
упрочненным сталям высокой прочности, выпус |
|||||||
|
каемых как в Советском Союзе, так и за рубежом, |
|||||||
|
их сварке, сварочным |
материалам, технологии об |
||||||
|
работки, расчету и проектированию металлических |
|||||||
|
конструкций из сталей высокой прочности. От |
|||||||
|
дельная глава посвящена вопросу выбора и эко |
|||||||
|
номики применения в конструкциях сталей повы |
|||||||
|
шенной и высокой прочности. |
|
|
|||||
|
Приведены примеры использования сталей высо |
|||||||
|
кой прочности в Советском Союзе и за рубежом. |
|||||||
|
Некоторые |
примеры |
относятся |
к |
металлическим |
|||
|
конструкциям горной промышленности, в част |
|||||||
|
ности угольной. Изложенные в книге сведения и |
|||||||
|
рекомендации основаны на новой редакции строи |
|||||||
|
тельных |
норм и |
правил |
на металлические кон |
||||
|
струкции (П-В. 3—72). ' |
|
|
|
||||
|
Кинга предназначена для инженерно-технических |
|||||||
|
работников строительной, горной и машинострои |
|||||||
|
тельной промышленности, проектных организаций, |
|||||||
|
заводов |
металлоконструкций, монтажных органи |
||||||
|
заций, а также может быть использована студен |
|||||||
|
тами и аспирантами строительных, горных и ма |
|||||||
|
шиностроительных |
вузов. |
Автор |
книги Михаил |
||||
|
Михайлович |
Жербин — лауреат |
Государственной |
|||||
|
премии СССР, доктор технических наук, профес |
|||||||
|
сор, руководит кафедрой, металлических и дере |
|||||||
|
вянных конструкций Киевского инженерно-строи |
|||||||
|
тельного института. М. М. Жербин один из первых |
|||||||
|
исследовал и применил высокопрочные стали в |
|||||||
|
металлических конструкциях горной промышлен |
|||||||
|
ности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
© |
Издательство «Будівельник», 1973 г. |
Ж |
0329—008 |
419—73 |
М203(04)—73 |
I
В В Е Д Е Н И Е
Строительные стали различных марок широко применяются в металлических конструкциях промышленных сооружений, мостов, башен и мачт, в каркасах высотных гражданских и обществен ных зданий, в целом ряде специальных сооружений, а также в цесущих сварных металлических каркасах тяжелого оборудова ния металлургической, горной и других отраслей промышлен ности. В связи с общей тенденцией к более широкому исполь зованию в строительстве сварных стальных конструкций потребление строительных сталей неуклонно растет. Поэтому изыскание путей коренного снижения затрат сталей в металличе ских конструкциях является весьма важным и представляет большую народнохозяйственную задачу.
Одним из наиболее эффективных методов экономии металла является правильный выбор марок и видов сталей, наилучшим образом соответствующих типам конструкций и условиям их эксплуатации. При этом имеется в виду широкое применение бо лее качественного металла, в первую очередь сталей повышенной •и высокой прочности.
Изучение существующих металлических конструкций показы вает, что в ряде отраслей промышленности вопросам правильно го подбора марок сталей, особенно применению строительных сталей повышенной и высокой прочности, уделяется еще,мало внимания. Наиболее часто • для таких конструкций применяют углеродистую сталь обычного качества марки СтЗ. Низколеги рованные стали повышенной прочности используются пока еще недостаточно, а новые термически упрочненные стали высокой прочности находятся в стадии опытного и экспериментального внедрения.
Вместе с тем отечественный и зарубежный опыт применения высокопрочных сталей в различного вида сооружениях н кон струкциях, большое количество исследовательских, эксперимен тальных и опытно-конструкторских работ свидетельствуют о том, что применение сталей высокой прочности в сочетании с обыч ными низколегированными и углеродистыми сталями в ряде конструкций дает возможность сократить затраты металла почти вдвое, снизив при этом и их стоимость, а освоение отечественной металлургической промышленностью ряда новых-марок высоко
Р |
3 |
прочных сталей создает реальные условия для их практического использования.
Применение высокопрочных сталей требует особого подхода при конструировании и зачастую может привести к изменению систем проектируемых сооружений. В ряде случаев применение сталей высокой прочности может оказаться даже нерациональ ным.
Разнообразные требования к сталям для металлических кон струкций и большое количество различных марок создают труд ности для правильного выбора марки стали, более всего соот ветствующей именно данной конструкции. Речь идет, в частности, о сталях высокой прочности, опыт применения которых в свар ных строительных металлических конструкциях описан в литера туре недостаточно.
В связи с этим автор надеется, что предлагаемая им книга в ка кой-то мере восполнит этот пробел. К сожалению, малый объем, книги не дал возможности в достаточной мере осветить вопросы работы сталей под нагрузкой, расчета конструкций, а также из ложение материалов в области экономики и примеров сооруже ний из сталей высокой прочности.
Глава IV написана М. М. Жербиным совместно с каид. техн. наук Д. В. Ладыженским, глава V — совместно с канд. техн. наук А. А. Ниловым, а раздел «Стальные призматические копры кар касной системы» главы VI совместно с инженером В. Чекурдой.
Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору Я- М. Лихтарникову и кандидату технических наук П. Г. Бугаец за ценные указания по содержанию рукописи кни ги, а также организациям и всем лицам, оказавшим содействие в сборе необходимых материалов.
Г л а в а I
СТАЛИ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ, ПОСТАВЛЯЕМЫЕ В ГОРЯЧЕКАТАНОМ СОСТОЯНИИ
§ I. Современные направления в развитии производства сталей для сварных металлических конструкций
Строительные стали для металлических конструкций могут быть разделены: 1) в зависимости от микроструктуры; 2) хими-. ческого состава и общих прочностных показателей.
Согласно первого качества их следует делить на стали фер рито-перлитной структуры; стали, обладающие бейнитной или мартенситной структурой; термически упрочненные, обладающие различной микроструктурой (определяемой легированием и при нятыми режимами термической обработки).
В зависимости от химического состава и общих прочностных показателей эти же стали делятся на углеродистые стали обыкно венного качества (обычной прочности) с содержанием углерода до 0,2 2 % и пределом текучести до 28 кг/мм2; низколегированные стали (повышенной прочности) с различным содержанием леги рующих компонентов и пределом текучести 29—40 кг/мм2-, низко легированные термически упрочненные стали высокой прочности с пределом текучести 45—90 кг/мм2.
Вышеприведенные группы сталей взаимно связаны. Так,, угле родистые и низколегированные стали в основном обладают фер рито-перлитной структурой. Термически упрочненные стали вы сокой прочности могут обладать различными структурами, в том числе феррито-перлитной, бейнитной и мартенситной.
Поскольку каждая из приведенных групп объединяет значи тельное количество различных марок сталей, поставляемых как в горячекатаном, так и в термически упрочненном состоянии, в зависимости от величины предела текучести и предела прочности стали разделяются на условные классы прочности, которые в соответствии с новой редакцией СНиП на металлические кон струкции П-В. 3—72 обозначаются букой С и дробной величи ной, где числитель — минимальный предел прочности данной стали, а знаменатель — минимальный предел текучести стали в кг/мм2. Всего СНиП П-В.З—72 предусматривает семь классов прочности, охватывающих основную гамму марок сталей: С38/23, С44/29, С46/33, С52/40, С60/45, С70/60 и С85/75. В дальнейшем, по-видимому, появятся и другие классы, объединяющие марки сталей с более высокими прочностными характеристиками (на пример С100/90 и т. д.).
В табл. I. 1 даны механические характеристики сталей при растяжении по принятым классам прочности.
5
|
|
|
Т а б л и ц а 1.1 |
|
Механические характеристики при растяжении |
||
Класс прочности |
Предел прочности |
Предел текучести |
Относительное удли |
стали |
|||
|
V.' кг см! |
<?Tt кг;см* |
нение, 5-, проц. |
С38/23 |
3800 |
2800 |
25 |
С44/29 |
4400 |
2900 |
21 |
С46/33 |
-4600 |
3300 |
21 |
С52/40 |
■ 5200 |
4000 |
19 |
С60/45 |
6000 |
4500 |
16 |
С70/60 |
7000 |
6000 |
12 |
С85/75 |
8500 |
7500 |
10 |
П р и м е ч а й и е. При отсутствии |
площадки текучести за |
условный предел |
текучести принимается напряжение, соответствующее остаточному относительному удлинению 0,2% (0 0 ,2).
Принятое новое обозначение классов прочности взамен старо го дает более полное представление о прочностных характеристи ках марок сталей, входящих в данный класс. Ранее в обозначение вводился только предел текучести в кг/мм2, например, СЗЗ, С45, С60.
Итак, классы охватывают различные марки сталей с одинако вой величиной предела текучести и предела прочности. Ими удобно пользоваться в практике. Вместе с тем объединение в одном классе сталей, имеющих различную структуру и хими ческий состав, с различными отдельными механическими харак
теристиками |
(например, относительным удлинением, |
ударной |
|
вязкостью), |
а также |
сталей с различными видами |
поставки |
(т. е. в горячекатаном |
или термоупрочненном состоянии), за |
трудняет выбор оптимальной марки, наилучшим образом соот ветствующей рассматриваемой конструкции. Кроме того, стали одного и того же класса могут отличаться общей конструктивной прочностью, склонностью к хрупким разрушениям, обладать раз личным сопротивлением' начальным пластическим деформациям. Наконец, общий вид диаграммы растяжения может быть у ста лей одного класса также различен. Особенно это касается сталей высокой прочности, поставляемых термически упрочненном со стоянии. Таким образом, правильный выбор стали для конкрет ной конструкции требует всестороннего учета ее свойств, и выбор стали только по классам прочности является недостаточным.
Помимо разделения на группы и классы прочности, строитель ные стали различаются в зависимости от способов выплавки и раскисления, химического состава и свариваемости.
Так, по способу выплавки в СССР очень распространен мар теновский процесс. Наиболее крупные мартеновские печи в отечественной металлургической промышленности и США имеют емкость 650—900 г. Сталь, в основном, выплавляется на жидком чугуне с добавлением металлического лома.
6
Пока еще имеет место бессемеровский процесс выплавки стали, вследствие наличия в СССР исходного сырья с пониженным со держанием фосфора, что является необходимым для получения качественной стали. При продувке воздухом расплавленный ме талл насыщается азотом, а количество серы и фосфора в процессе плавки сохраняется почти без изменений. По этой причине бессе меровская сталь получается хуже мартеновской. При понижен ных температурах она склонна к хрупкому разрушению, более чувствительна к старению. Однако прочность бессемеровской стали на растяжение обычно выше мартеновской. Содержание углерода в бессемеровской стали по сравнению с мартеновской понижено, а содержание фосфора, серы, азота и кислорода по вышено.
За последние годы в нашей стране широко применяется кон верторный процесс, дающий возможность получить высококаче ственную сталь, не уступающую по качеству мартеновской. Емкость конверторов увеличилась до 100—250 г. Предполагается дальнейшее увеличение конверторов до 400 т.
Томасовский процесс для выплавки строительной стали в СССР
не применяется, а бессемеровский резко сокращается.
Весьма важным является раскисление металла, существенно влияющее на качество выплавляемой стали. Раскисление про изводится добавкой ферросилиция, а также ферромарганца, ти тана или алюминия. Добавка алюминия является наиболее эф фективным способом раскисления.
Углеродистые стали обыкновенного качества по степени рас кисления разделяются на три вида: спокойная, полуспокойная и кипящая (в зависимости от интенсивности выделения газов при кристаллизации и тенденции к росту или усадке головной части слитка).
Лучшей является спокойная, худшей кипящая сталь. Спокой ная сталь (наиболее раскисленная) отличается от кипящей бо лее мелкозернистой структурой, большей структурной и химиче ской однородностью. При добавлении в сталь раскислителей остывание стали в изложницах происходит спокойно (отсюда и и название «спокойная сталь»), без бурного выделения газов («кипения»), что уменьшает возможность образования в стали газовых пузырей, около которых возможно концентрирование неметаллических включений (например, сернистых соединений), приводящих к расслоению стали при прокатке. Спокойные стали обладают лучшими физико-механическими свойствами, в част ности, более низким порогом хладноломкости. Однако стоимость их на 10—12% выше кипящих, а выход годного проката на 10% ниже.
Кипящие стали, являющиеся более загрязненным металлом, склонны к трещиноватости после сварки, старению и их при менение в ответственных конструкциях, работающих на дина мические нагрузки и при низких температурах, нежелательно.
7
Полуспокойные стали ие полностью раскислены и по качеству занимают среднее положение между спокойными и кипящими.
По количеству кремния в стали можно судить о степени ее раскисления. Так, в спокойной стали содержание кремния состав ляет 0,12—0,30%, в полуспокойной — 0,05—0,17 и в кипящей — не более 0,05%.
Низколегированные стали в основном выпускаются спокой ными.
Важным является вопрос увеличения прочности и качества строительных сталей. Прочность углеродистых сталей в основном зависит от содержания в них углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее, однако при этом она теряет свои пластические свойства, хуже сваривается.
Поскольку свариваемость и есть одно из основных условий для строительных сталей, то увеличение прочности углеродистых сталей за счет повышения содержания углерода является непри емлемым. В связи с этим в настоящее время можно рассматри вать два основных способа увеличения прочности строительных сталей: путем легирования различными элементами и путем термической обработки металла (или путем совмещения этих способов). При этом наиболее эффективна термическая обра ботка специально легированных сталей, позволяющая получать металл высокой прочности. Отечественная металлургическая промышленность выпускает значительное количество низколеги рованных сталей повышенной прочности различных марок, клас сов и химического состава (марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремнемарганцевые, ванадиевые и др.). Изготовление сложнолегированных термически упрочненных сталей высокой прочности в настоящее время также осваивается металлургиче скими заводами.
Проведенные отечественные и зарубежные исследования по казывают, что теоретически можно создать стали весьма высо кой прочности с пределом прочности 300—400 кг/мм2. В настоя щее время уже выпускаются сверхпрочные стали, обладающие пределом текучести 130—180 кг/мм2. При этом повышение проч ности сталей может осуществляться, помимо обычной термиче ской обработки, также и термомеханической обработкой с использованием деформации взрывом. -
Повысить качество сталей можно не только путем легирова ния и термической обработкой. Весьма важным является выплав ка металла, обладающего наименьшим количеством неметалли ческих включений, .в состав которых чаще всего входит сера и кислород. На сегодня существуют способы металлургической обработки стали, позволяющие значительно снизить загрязнение металла неметаллическими включениями и уменьшить содержа ние кислорода и серы. Это прежде всего рафинирование стали жидкими синтетическими шлаками, которые почти вдвое сокра щают содержание серы в металле, а также неметаллических
8
включений — сульфидов [1, 2, 3]. Металл, подвергающийся та кой обработке, должен быть предварительно раскислен.
От двух до пяти раз сокращение серы и неметаллических вклю чений может быть достигнуто обработкой стали редкоземельными элементами, путем добавки в ковш или изложницу так называ емого мишметалла — сплава церия, лантана, неодима, -пра зеодима.
Возможно также сокращение в металле кислорода без добав ки раскислителей путем помещения ковша с жидкой сталью до разливки в вакуумную камеру при давлении 1—5 мм рт. ст. Содержание кислорода при этом уменьшается с 0,01—0,03 до 0,003—0,005%.
Обработка металла приведенными способами дает возмож ность получить более качественную сталь, в основном за счет улучшения ее пластических свойств (увеличения относительного удлинения и ударной вязкости, понюЙёния критической темпе ратуры хрупкости)-. В дальнейшем такая обработка металла должна широко применяться при изготовлении строительных сталей.
Следовательно, для современных металлических конструкций выбор сталей должен осуществляться на основе глубокого изу чения свойств и особенностей выпускаемых отечественной метал лургической промышленностью строительных сталей, пригодных для сварных металлических конструкций. Правильный выбор сталей дает возможность обеспечить необходимую надежность и долговечность работы конструкций, возможность бесперебойной эксплуатации их при низких температурах-и динамических во здействиях и, наконец, максимально облегчить создаваемые со оружения, машины и оборудование. При этом особенно важным является переход на более качественные Стали, особенно на но вые термически упрочненные стали высокой прочности.
§ 2. Углеродистые стали обыкновенного качества (обычной прочности)
В нашей стране для изготовления металлических конструкций наиболее широко применяются углеродистые стали, поставка ко торых производится по ГОСТ 380—71 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки и общие технические требова ния». ГОСТ 380—71 предусматривает разделение стали в за висимости от назначения на три группы, которые, в свою очередь, в зависимости от нормируемых показателей подразделяются на категории, а именно:
группа А —• стали, поставляемые по механическим свойствам, с разделением на категории 1, 2 и 3;
группа Б — стали, поставляемые по химическому составу с разделением на категории 1 и 2;
.9