Выбор марок сталей для несущих конструкций

06.07.2016

Выбор марки стали для изготовления несущих конструкций является одной из ответственных задач проектировщика. От правильности выбора марки стали зависят надежность и стоимость конструкции, удобство изготовления, длительность нормальной ее эксплуатации, количество, объем и стоимость работ по содержанию конструкции, в том числе и по антикоррозийной защите. При выборе марки стали необходимо учитывать специфические условия эксплуатации проектируемой конструкции, особенно такие, как низкие температуры, ударные, часто повторяющиеся и вибрационные нагрузки, корродирующие воздействия, а также опыт изготовления и эксплуатации конструкций, находящихся в сходных условиях. В сооружениях и металлических конструкциях машин, имеющих установленный срок эксплуатации, выбор марок сталей зависит от требуемого срока службы. Для частей, подверженных износу, следует учитывать износостойкость стали и большее или меньшее удобство смены одной из взаимодействующих частей (например, колесо затвора и рельс, заделанный в бетоне бычка плотины).
Для сварных конструкций, воспринимающих непосредственное динамическое воздействие подвижных и вибрационных нагрузок, а также для конструкций, работающих при низких отрицательных температурах или при резких перепадах температур, применяют мартеновские спокойные стали марок ВМСт.3сп (ГОСТ 380—60*) и М16С (ГОСТ 6713—53, сталь для мостостроения). Для конструкций, работающих в более благоприятных условиях, — стали ВМСт.3пс и ВКСт.3сп, ВКСт.3пс. Сталь марки Ст.0, получаемую в результате отбраковки сталей более высоких марок, в обычных условиях допускается применять только для нерасчетных элементов. Применение стали Ст.4 нецелесообразно: для нее установлено одинаковое со сталью Ст.3 расчетное сопротивление, но она хуже обрабатывается и менее вязка. Стали марок Ст.4 и Ст.5 нельзя использовать в сварных конструкциях.
Для затворов гидротехнических сооружений наиболее употребима сталь марки М16С. Для мостов, в том числе крановых и подкрановых, а также для затворов во многих случаях полезно использовать низколегированные стали.
Целесообразность использования низколегированных сталей требует технико-экономического обоснования. Применение низколегированной стали в строительных конструкциях считается эффективным, если, помимо уменьшения расхода стали, стоимость этих конструкций в деле (то есть установленных в проектное положение) не превышает стоимости аналогичных конструкций из углеродистой строительной стали (ГОСТ 380—60*).
Для изготовления строительных конструкций рекомендованы низколегированные стали марок 14Г2, 10Г2С1, 10Г2С, 10Г2СД, 09Г2С, 15ХСНД и 15ХСН (последние две природнолегированные).
Для наиболее нагруженных частей (в первую очередь растянутых и изгибаемых) можно использовать низколегированные стали, для остальных — углеродистые обыкновенного качества.
Преимущества строительных низколегированных сталей перед углеродистыми: 1) более высокие значения предела прочности и предела текучести, что позволяет уменьшить расход стали на изготовление конструкций; 2) значительно более высокая ударная вязкость при низких температурах и пониженная хладноломкость, что позволяет использовать их в конструкциях, эксплуатируемых при низких температурах; 3) сохранение упругих свойств до более высоких температур; 4) более высокая противокоррозийная устойчивость.
Недостатки низколегированных сталей по сравнению с углеродистыми: 1) более высокая стоимость; 2) потребность для получения некоторых из них в дорогих и дефицитных легирующих добавках; 3) несколько пониженная пластичность; 4) несколько повышенная трудность обработки стали и изготовления конструкций, в том числе и производства сварки.
При сравнении эффективности применения низколегированных и углеродистых сталей следует учитывать, что расход низколегированной стали снижается не обратно пропорционально повышению ее прочности, а вследствие ряда причин значительно медленнее. Из этих причин следует отметить: меньшее значение коэффициента однородности для низколегированных сталей, худшие условия их работы при возможной потере общей и местной устойчивости, большие прогибы, относительно большее влияние конструктивных факторов и др.
Снижение стоимости конструкций из низколегированных сталей происходит не пропорционально снижению их веса, а медленнее вследствие более высокого конструктивного коэффициента конструкций из этих сталей, некоторого повышения трудоемкости изготовления последних и др.
В зависимости от способа изготовления конструкций и условий эксплуатации их при заказе сталей необходимо требовать дополнительные гарантии их физико-механических свойств; например, гарантии по ударной вязкости при пониженной температуре (-20°) для Ст.3, -40 и -70° для низколегированных или после механического старения при нормальной температуре (+20°).
Сделанный выбор марки стали для несущей конструкции предопределяет марку сталей для заклепок и болтов, а также тип электродов для ручной сварки. Выбранный тип электродов должен обеспечить прочность сварного соединения в стык не менее прочности свариваемой стали.