Stal budowlana

Zagadnienia technologiczne

W wyniku procesu metalurgicznego uzyskuje się z rud żelaza - przez wytapianie ich w wielkim piecu z dodatkiem koksu (paliwo) oraz topników - jako produkt główny tzw. surówkę oraz jako produkty uboczne żużel i gaz wielkopiecowy. Surówka jest niekowalnym stopem żelaza z węglem (zwykle 3-4,5% C), krzemem, man­ganem, fosforem i siarką o łącznej zawartości domieszek (około 6%). Z surówki szarej, zawierającej węgiel głównie w postaci grafitu, uzyskuje się przez jej przetopienie ze złomem staliwnym, odpadkami z odlewni, koksem i topni­kami - żeliwo. Na ogół jest żeliwo stopem kruchym, nie mającym właściwości plastycznych; wykazuje natomiast większą odporność na korozję niż stal i nie zmienia swoich charakterystyk mechanicz­nych pod wpływem wysokiej temperatury.

Ze względu na postać zawartego węgla żeliwo może być białe, szare lub pstre. Wytrzymałość żeliwa na rozciąganie jest niska i waha się w granicach 120- 260MPa, a na ściskanie wynosi 800MPa.

Z surówki białej (przeróbczej) przez jej świeżenie - tj. usuwanie nadmiaru węgla, krzemu i innych domieszek, w piecach Siemensa-Martina lub piecach elektrycznych bądź też w konwertorach Bessemera lub Thomasa- otrzymuje się stal płynną. Stopioną stal odlewa się do form, uzyskując po jej ostygnięciu tzw. wlewki, przydatne do dalszej przeróbki plastycznej, która może być realizowana na zimno i gorąco, tzn.: kucie, walcowanie, tłoczenie i przeciąganie.

Przy wykonywaniu przedmiotów o dużych wymiarach, szczególnie w przy­padkach gdy jakość i wytrzymałość materiału są mniej istotne od względów ekonomicznych, celowe jest stosowanie techniki odlewania wyrobu. Zależnie od rodzaju stopu odlewniczego i właściwości odlewu stosuje się odlewanie: w for­mach piaskowych, pod ciśnieniem, kokilowe, odśrodkowe, precyzyjne i ciągłe. W zależności od składu chemicznego rozróżnia się staliwo węglowe i stopowe, przy czym to pierwsze zawiera tylko pierwiastki pochodzące z wytopu (C, Mn, Si, P, S), natomiast staliwo stopowe ma celowo wprowadzone pierwiastki (nikiel, chrom, wolfram, wanad) polepszające jego właściwości.

Odmiany stali i ich właściwości ogólne

Z omówionych wyżej trzech postaci stopów żelaza stosowanych w tech­nice: żeliwa, staliwa i stali istotne znaczenie w budownictwie ma praktycznie tylko stal. Stal tworzy stop żelaza i węgla o zawartości tego ostatniego nie przekraczającego 2,0% (zwykle- 0,01-1,6%). Gdy wszystkie składniki stali pochodzą z przerobu hutniczego, to podobnie jak w przypadku staliwa, mamy do czynienia ze stalami węglowymi, natomiast gdy do składu stali są celowo wprowadzone pierwiastki dodatkowe, stale noszą nazwę stopowych. Przy zawartościach dodatków stopowych nie przekraczających 1,5% stale określa się jako niskostopowe, 1,5 - 5,0% - średniostopowe, więcej niż 5% dodatków - stal wysokostopowe.

Właściwości stali można w dość istotnym zakresie modyfikować przez poddanie jej obróbce cieplnej, polegającej na ogrzaniu stali do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu jej i ochłodzeniu, Stosowane są trzy rodzaje obróbki cieplnej: wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie.

Wyżarzanie- polega na ogrzaniu, wygrzaniu i powolnym studzeniu stali. W zależności od czasu i temperatury wygrzania, wyżarzanie może być ujed­norodniające, normalizujące, zmiękczające, rekrystalizujące, odprężające itp.

Hartowanie- jest zabiegiem cieplnym, w którym następuje gwałtowne ochłodzenie uprzednio ogrzanej stali.

Odpuszczenie- polega na nagrzaniu i wolnym chłodzeniu materiału uprzed­nio hartowanego.

Stal poddaną na przemian zabiegowi hartowania i odpuszczania nazywa się ulepszoną cieplnie.

W procesie wytopu występują w stali pęcherzyki gazów (tlen, azot, wodór i tlenek węgla), powodujące porowatość struktury materiału. Stal tego typu nazywa się nieuspokojoną. Właściwości stali węglowych zależą głównie od zawartości węgla, ze wzrostem którego wzrasta wytrzymałość, twardość i hartowność, a maleje np. odporność stali na korozję, wydłużenie i udarność. Z pozostałych domieszek naturalnych występują: do 0,8% manganu, do 0,55% krzemu, do 0,07% fosforu i 0,06% siarki.

W przypadku stali stopowych ich spawalność ocenia się w zależności od wielkości tzw. równoważnika węgla C_E

,

przy czym dla CE < 0,42% stal jest dobrze spawalna, natomiast przy CE = 0,42-0,60% wymagane jest przed spawaniem podgrzanie elementu.

Podział stali stopowych jest na ogół związany z ich zastosowaniem, w związku z czym rozróżnia się stale stopowe konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne. W budownictwie stali stopowych używa się głównie w konstrukcjach mostowych, np. na kable mostów wiszących, w mostach wielkich rozpiętości itp., oraz na elementy elewacyjne.

Ze stali stopowych o właściwościach specjalnych wymienić należy:

- stale chromowe odporne na korozję, zawierające ponad 12% chromu i uzyskujące odporność chemiczną przez wytwarzanie ochronnej warstwy tlenkowej,

- stale chromowo-niklowe, zwane także kwasoodpornymi, odporne również na korozję; są to stale o niskiej zawartości węgla,

- stale żaroodporne, przeznaczone do wyrobu maszyn i urządzeń pracujących w wysokiej temperaturze i narażonych na działanie agresywnych środowisk gazowych; zawierają one chrom, krzem i niekiedy aluminium,

- stale odporne na ścieranie, zawierające 11-14% M n i 1,0-1,3% C, stosowane przeważnie w postaci odlewów (szczęki kruszarek, gąsienice do czołgów itp.).

Charakterystyczne właściwości mechaniczne i fizyczne stali

Fizyczne właściwości stali, mające istotne znaczenie dla konstrukcji budowlanych, tj. gęstość i gęstość objętościowa, rozszerzalność cieplna i dźwię­kowa oraz stałe materiałowe, nie zależą prawie od składu chemicznego stali, jej obróbki i wytrzymałości.

Zarówno gęstość jak i gęstość objętościowa są, ze względu na zwartą budowę stali, nieomal jednakowe i stąd przyjmuje się praktycznie do obliczeń gęstość średnią równą 7,85 g/cm³.

Elementy stalowe są wrażliwe na zmiany temperatury. Współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej przyjmuje się a = 0,000012. Przewodność cieplna jest cechą wyróżniającą metale, a tym samym i stal od innych tworzyw budowlanych. Współczynnik przewodności cieplnej dla stali przyjmuje się średnio λ = 58 W /(m°C). Przewodność dźwiękowa stali jest również znacznie większa od przewod­ności dźwiękowej innych konstrukcyjnych materiałów budowlanych.

Stałe materiałów (E, G, μ) przyjmuje się dla wszystkich gatunków stali jednakowe wg wartości jak niżej:

• współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga) E = 2,05.105 MPA,

• współczynnik sprężystości poprzecznej G = 0,80 . 105MPa, współczynnik

• Poissona μ = 0,3.

W przeciwieństwie do opisanych właściwości fizycznych, właściwości mechaniczne stali są na ogół funkcją jej składu chemicznego i obróbki. Do najbardziej istotnych dla projektanta konstrukcji właściwości mechanicznych należą: wytrzymałość, sprężystość, plastyczność, twardość, udarność, ciąg­liwość, spawalność oraz kowalność.

W zależności od warunków pracy rozróżnia się wytrzymałość na roz­ciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcanie. W dalszym ciągu, jeśli nie zostanie to wyraźnie inaczej określone, przez pojęcie wytrzymałość należy rozumieć wytrzymałość pod obciążeniem statycznym.

Największa wartość naprężenia, przy której materiał zachowuje cechy sprężyste, nazywa się granicą sprężystości i dla stali jest ona zależna od składu chemicznego i obróbki.

Twardość jest to zdolność przeciwstawiania się materiału wciskaniu się weń przedmiotu wykonanego z tworzywa bardziej twardego.

Spawalnością nazywamy właściwość umożliwiającą trwałe łączenie ele­mentów metalowych za pomocą spawania, tj. przez stapianie brzegów łączenia przy użyciu spoiwa z tego samego materiału co przedmiot spawany.

Gatunki stali budowlanych

Stale, zależnie od ich składu chemicznego, właściwości, uspokojenia itp., są odpowiednio znakowane. Znak gatunku stali niestopowych konstrukcyjnych składa się z liter S t i cyfry porządkowej O, 3,4, 5, 61ub 7, do której, w przypadku gatunków przewidzianych do spawania, dodaje się literę S (np. StOS) oraz w przypadku określonej zawartości miedzi (z wyjątkiem StOS) dodatkowo litery Cu (np. St3SCu, St49Cu).

Stale gatunku 3 i 4 o podstawowych wymaganiach jakościowych (obniżona zawartość węgla oraz fosforu i siarki) oznacza się literą V lub W (np. St3V, St4W). Znak gatunku stali St5, St6 i St7 w przypadku określonej dodatkowo zawartości węgla, manganu i krzemu uzupełnia się na początku literą M (np. MSt5). Gatunki stali o cyfrach porządkowych 3 i 4 z literą S lub V oznacza się dodatkowo literą X (np. St3SX, St4SCuX, St3VX) w przypadku stali nieuspoko­jonej, zaś literą Y (St3SY, St3SCuY) w przypadku stali półuspokojonej. Znaki gatunku stali, w przypadku wymaganej udarności uzupełnia się na końcu znakiem odmiany plastyczności B, C, D lub U, M, J (np. St3SYU, St4WD).

Znak stali węglowej wyższej jakości, przeznaczonej do patentowania t), zawiera literę D (nadruk) i liczbę określającą średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta (np. D90).

Oznakowanie stali niskostopowych o podwyższonej wytrzymałości składa się z liczby oznaczającej średnią zawartość węgla w setnych procentach i liter określających składniki stopowe z ewentualnym dodaniem cyfry oznaczającej ich zawartość w całkowitych jednostkach procentowych (np. 34GS lub 18G2).

Przy istnieniu dodatkowych ograniczeń składu chemicznego dodaje się na końcu literę A (np. 18G2A); składniki stopowe oznaczone tutaj literami: G - mangan, Cu - miedź, V - vanad, Nb - niob.

Ze względów użytkowych można wydzielić następujące grupy stali budowlanych:

- stale StOS, St3SX, St3SY, 18G2, 34GS stosowane do zbrojenia betonu w postaci walcówki lub prętów gorąco walcowanych bez obróbki cieplnej.

- stal D90 stosowaną w postaci drutu, splotów i lin do zbrojenia betonu sprężonego,

- stale StOS, St3SX, St3SY, St3S, 18G2 i 18G2A stosowane w postaci blach, blach uniwersalnych, prętów i kształtowników do konstrukcji budow­lanych. Oddzielnie należy wyodrębnić stale:

- St2N, St3N, St44N, walcówka i pręty walcowane na gorąco, stosowane głównie do wyrobu nitów,

- R, R35, R45, R45A, R50, stosowane do wyrobu rur, z tym że gatunki R35, R45, R45A przewidziane są do konstrukcji spawanych,

-10H, 10HA stanowiące stale o zwiększonej odporności na korozję.

Przeważającą ilość wyrobów stalowych stosowanych w budownictwie stanowią wyroby walcowane, jak blachy grube, blachy uniwersalne, blachy cienkie, kształtowniki, pręty, rury i częściowo śruby.

Mniejszą ilościowo pozycję stanowią wyroby ciągnione, do których zalicza się pręty i druty, oraz wyroby walcowane na zimno, tzn. taśmy i blachy cienkie, jak również kształtowniki gięte z blachy na zimno.

Najmniejszą pozycję stanowią wyroby drobne, jak gwoździe, nity, kołki i śruby wstrzeliwane.

---