Стали и алюминиевые сплавы

1.2.1. Общая характеристика сталей. Сталь — это сплав железа с углеродом, содер­жащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, ко­торые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки.

Структура стали. В твердом состоянии сталь является поликристаллическим телом, состоящим из множества различно ориентированных кристаллов (зерен). В каждом кри­сталле атомы (точнее, положительно заряженные ионы) расположены упорядочено в узлах пространственной решетки. Для стали характерны объемно-центрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) кубическая кристаллическая решетка (рис. 1.4). Каждое зерно как кристаллическое образование резко анизотропно и имеет различные свой­ства по разным направлениям. При большом числе поразному ориентированных зерен эти различия сглаживаются, статистически в среднем по всем направлениям свойства становятся одинаковыми и сталь ведет себя как квазиизотропное тело.

Структура стали зависит от условий кристаллизации, химического состава, режима термообработки и прокатки.

Температура плавления чистого железа равна 1535°С, при твердении образуются кристаллы чистого железа — феррита, так называемого 8-железа с объемно-центриро­ванной решеткой (рис. 1.4, а); при температуре 1490 °С происходит перекристаллиза­ция, и 5-железо переходит в у-железо с гранецентрированной решеткой (рис. 1.4, б). При температуре 910°С и ниже кристаллы у-железа вновь превращаются в объемно-центрированные и это состояние сохраняется до нормальной температуры. Последняя модификация называется а-железом.

При введении углерода температура плавления снижается и для стали с содержани­ем углерода 0, 2 % составляет примерно 1520°С. При остывании образуется твердый ра- створ углерода в у-железе, называемый аустенитом, в котором атомы углерода распола­гаются в центре ГЦК решетки. При температуре ниже 910 °С начинается распад аустенита. Образующееся -железо с ОЦК ре­шеткой (феррит) плохо растворяет угле­род. По мере выделения феррита аустенит обогащается углеродом и при температуре723 °С превращается в перлит — смесь феррита и карбида железа Fe₃C, называемого цементитом.

Рис. 1.4. Кубическая кристаллическая решетка:

а — объемноцентрированная;

б — гранецентрированная

Та­ким образом, при нормальной температуре сталь состоит из двух основных фаз: феррита и цементи­та, которые образуют самостоятельные зерна, а так­же входят в виде пластинок в состав перлита (рис. 1.5). Светлые зерна — феррит, темные — перлит).

Феррит весьма пластичен и малопрочен, цемен­тит тверд и хрупок. Перлит обладает свойствами, промежуточными между свойствами феррита и це­ментита. В зависимости от содержания углерода пре­обладает та или иная структурная составляющая. Величина зерен феррита и перлита зависит от чис­ла очагов кристаллизации и условий охлаждения и существенно влияет на механические свойства ста­ли (чем мельче зерно, тем выше качество металла).

Легирующие добавки, входя в твердый раствор с ферритом, упрочняют его. Кроме того, некоторые из них, образуя карбиды и нитриды, увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры.

Под влиянием термической обработки изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов, что приводит к изменению свойств стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключает­ся в повторном нагревании проката до температуры образования аустенита и последу­ющем охлаждении на воздухе. После нормализации структура стали получается более упорядоченной, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств сталь­ного проката и его ударной вязкости, а также повышению однородности.

При быстром остывании стали, нагретой до температуры, превосходящей темпера­туру фазового превращения, сталь закаливается.

Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность. Одна­ко пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой струк­туры производится ее отпуск, т.е. нагревание до температуры, при которой происходит желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течение не­обходимого времени и затем медленное остывание¹.

При прокатке в результате обжатия структура стали меняется. Происходит размель­чение зерен и различное их ориентирование вдоль и поперек проката, что приводит к определенной анизотропии свойств. Существенное влияние оказывают также темпера­тура прокатки и скорость охлаждения. При высокой скорости охлаждения возможно образование закалочных структур, что приводит к повышению прочностных свойств стали. Чем толще прокат, тем меньше степень обжатия и скорость охлаждения. Поэтому с увеличением толщины проката прочностные характеристики снижаются.

Таким образом, варьируя химический состав, режимы прокатки и термообработки, можно изменить структуру и получить сталь с заданными прочностными и другими свойствами.

Классификация сталей. По прочностным свойствам стали условно подразделяются на три группы: обычной ( < 29 кН/см²), повышенной ( = 29...40 кН/см²) и высокой прочности ( > 40 кН/см²).

Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой.

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые илегированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой

добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки специально не вводят­ся и могут попасть в сталь из руды (медь, хром и т.д.).

Углерод (У)¹, повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому для строительных металлических конструкций применяются только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0, 22 %.

В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добав­ки, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стали, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяются низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих доба­вок не более 5 %.

Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (X), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).

Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, но снижает пластичность, ухудшает при повышенном содержании сварива­емость и коррозионную стойкость. Вредное влияние кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца.

Марганец повышает прочность, является хорошим раскислителем и, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. При содержании марганца более 1, 5 % сталь ста­новится хрупкой.

Медь несколько повышает прочность стали и увеличивает ее стойкость против коррозии. Избыточное содержание меди (более 0, 7 %) способствует старению стали и повышает ее хрупкость.

Хром и никель повышают прочность стали без снижения пластичности, и улу­чшают ее коррозионную стойкость.

Алюминий хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластично­сти и предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.

Азот в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0, 009 %. В химически связанном состоянии с алюми­нием, ванадием, титаном и другими элементами он образует нитриды и становится легирующим элементом, способствуя получению мелкозернистой структуры и улучше­нию механических свойств.

Фосфор относится к вредным примесям, так как, образуя твердый раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хлад­ноломкость). Однако при наличии алюминия фосфор может служить легирующим эле­ментом, повышающим коррозионную стойкость стали. На этом основано получение атмосферостойких сталей.

Сера вследствие образования легкоплавкого сернистого железа делает сталь кра­сноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800—1000 °С). Это осо­бенно важно для сварных конструкций. Вредное влияние серы снижается при повы­шенном содержании марганца. Содержание серы и фосфора в стали ограничивается и должно составлять не более 0, 03 — 0, 05% в зависимости от типа (марки) стали.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состо­янии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени, и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0, 0007 %), но, концентрируясь около вклю­чений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам зерен, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению со­противления стали хрупкому разрушению, снижению временного сопротивления и ухудшению пластических свойств. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и термооб-работанные (нормализованные или термически улучшенные). В горячекатаном состо­янии сталь далеко не всегда обладает оптимальным комплексом свойств. При нормали­зации измельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличивается вяз­кость, однако сколько-нибудь существенного повышения прочности не происходит. Термическая обработка (закалка в воде и высокотемпературный отпуск) позволяет по­лучить стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению. Затраты по термической обработке стали можно существенно снизить, если проводить закалку непосредственно с прокатного нагрева.

Сталь, применяемая в строительных металлических конструкциях, производится в основном двумя способами: в мартеновских печах и конвертерах с продувкой кислоро­дом. Свойства мартеновских и кислородно-конвертерных сталей практически одинако­вы, однако кислородно-конвертерный способ производства значительно дешевле и постепенно вытесняет мартеновский. Для наиболее ответственных деталей, где требует­ся особо высокое качество металла, используются также стали, получаемые путем элек­трошлакового переплава (ЭШП). С развитием электрометаллургии возможно более ши­рокое использование в строительстве сталей, получаемых в электропечах. Электросталь отличается низким содержанием вредных примесей и высоким качеством.

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокой­ными.

Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения га­зов. Такая сталь носит название кипящей и оказывается более загрязненной газами и менее однородной.

Механические свойства несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномер­ного распределения химических элементов. Особенно это относится к головной части, которая получается наиболее рыхлой (вследствие усадки и наибольшего насыщения газами), в ней происходит наибольшая ликвация вредных примесей и углерода. Поэто­му от слитка отрезают дефектную часть, составляющую примерно 5 % массы слитка. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и времен­ному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество низкоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния от 0, 12 до 0, 3% или алюминия до 0, 1 %. Кремний (или алюминий), соединяясь с ра­створенным кислородом, уменьшает его вредное влияние. При соединении с кислоро­дом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозерни­стой структуры стали, что ведет к повышению ее качества и механических свойств. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спо­койны м и. От головной части слитка спокойной стали отрезают часть, составляющую примерно 15%. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопро­тивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали при­меняются при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамичес­ким воздействиям.

Однако спокойные стали примерно на 12% дороже кипящих, что заставляет огра­ничивать их применение и переходить, когда это выгодно по технико-экономическим соображениям, на изготовление конструкций из полуспокойной стали.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния — 0, 05 — 0, 15% (редко алюминием). От головной части слитка отрезается меньшая часть, равная примерно 8 % массы слитка. По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное по­ложение. Низколегированные стали поставляются в основном спокойной (редко полу­спокойной) модификации.

1.2.2. Нормирование сталей. Основным стандартом, регламентирующим характери­стики сталей для строительных металлических конструкций, является ГОСТ 27772 — 88. Согласно ГОСТу фасонный прокат изготовляют из сталей¹ С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, для листового и универсального проката и гнутых профилей используются также стали С390, С390К, С440, С590, С590К. Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повышенным содержанием меди (для повышения коррози­онной стойкости), при этом к обозначению стали добавляется буква «Д».

Химический состав сталей и механические свойства представлены в табл. 1.2 и 1.3.

Прокат может поставляться как в горячекатаном, так и в термообработанном состо­янии. Выбор варианта химического состава и вида термообработки определяется заводом. Главное — обеспечение требуемых свойств. Так, листовой прокат стали С345 может изго­тавливаться из стали с химическим составом С245 с термическим улучшением. В этом случае к обозначению стали добавляется буква Т, например С345Т.

В зависимости от температуры эксплуатации конструкций и степени опасности хруп­кого разрушения испытания на ударную вязкость для сталей С345 и С375 проводятся при разных температурах, поэтому они поставляются четырех категорий, а к обозначе­нию стали добавляют номер категории, например С345-1; С345-2.

Нормируемые характеристики для каждой категории приведены в табл. 1.4.

Прокат поставляется партиями. Партия состоит из проката одного размера, одной плавки-ковша и одного режима термообработки. При проверке качества металла от партии отбираются случайным образом по две пробы.

Из каждой пробы изготавливают по одному образцу для испытаний на растяжение и изгиб и по два образца для определения ударной вязкости при каждой температуре. Если результаты испытаний не соответствуют требованиям ГОСТа, то проводят по-

вторные испытания на удвоенном числе образцов. Если и повторные испытания пока­зали неудовлетворительные результаты, то партия бракуется.

Оценку свариваемости стали проводят по углеродному эквиваленту, %:

(1.2)

где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V, Р — массовая доля углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %.

Если С, < 0, 4%, то сварка стали не вызывает затруднений, при 0, 4 %< С, < 0, 55 % сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возник­новения трещины. При С_э> 0, 55 % опасность появления трещин резко возрастает.

Для проверки сплошности металла и предупреждения расслоя в необходимых случа­ях по требованию заказчика проводится ультразвуковой контроль.

Отличительной особенностью ГОСТ 27772 — 88 является использование для некото­рых сталей (С275, С285, С375) статистических методов контроля, что гарантирует обес­печение нормативных значений предела текучести и временного сопротивления.

Строительные металлические конструкции изготавливаются также из сталей, постав­ляемых по ГОСТ 380 — 88 «Сталь углеродистая обыкновенного качества», ГОСТ 19281 —73 «Сталь низколегированная сортовая и фасонная», ГОСТ 19282 — 73 «Сталь низколеги­рованная толстолистовая и широкополосная универсальная» и другим стандартам.

Принципиальных различий между свойствами сталей, имеющих одинаковый хими­ческий состав, но поставляемых по разным стандартам, нет. Разница в способах конт­роля и обозначениях. Так, по ГОСТ 380 — 88 с изменениями в обозначении марки ста­ли указывается группа поставки, способ раскисления и категория.

При поставке по группе А завод гарантирует механические свойства, по группе Б — химический состав, по группе В — механические свойства и химический состав.

Степень раскисления обозначается буквами КП (кипящая), СП (спокойная) и ПС (полуспокойная).

Категория стали указывает вид испытаний на ударную вязкость: категория 2 — ис­пытания на ударную вязкость не проводятся, 3 — проводятся при температуре +20 °С, 4 — при температуре -20 °С, 5 — при температуре -20 °С и после механического старе­ния, 6 — после механического старения.

В строительстве в основном используются стали марок ВстЗкп2, ВстЗпсб и ВстЗсп5, а также сталь с повышенным содержанием марганца ВстЗГпс5.

По ГОСТ 19281—73 и ГОСТ 19282 — 73 в обозначении марки стали указывается содержание основных элементов. Например, химический состав стали 09Г2С расшиф­ровывается так: 09 — содержание углерода в сотых долях процента, Г2 — марганец в количестве от 1 до 2 %, С — кремний до 1 %.

В конце марки стали указывается категория, т.е. вид испытания на ударную вязкость. Для низколегированных сталей установлено 15 категорий, испытания проводятся при температурах до -70 °С. Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы (см. табл. 1.3).

Свойства стали зависят от химического состава исходного сырья, способа выплавки и объема плавильных агрегатов, усилия обжатия и температуры при прокатке, условий охлаждения готового проката и т.д.

При столь многообразных факторах, влияющих на качество стали, вполне естествен­но, что показатели прочности и других свойств имеют определенный разброс и их можно рассматривать как случайные величины. Представление об изменчивости харак­теристик дают статистические гистограммы распределения, показывающие относитель­ную долю (частоту) того или иного значения характеристики.

1.2.4.Стали повышенной прочности (29 кН/см²< < 40 кН/см²). Стали повышенной прочности (С345 — С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих
добавок, в основном марганца и кремния, реже никеля и хрома, либо термоупрочне­
нием низкоуглеродистой стали (С345Т).

Пластичность стали при этом несколько снижается, и протяженность площадки те­кучести уменьшается до 1 —1, 5 %.

Стали повышенной прочности несколько хуже свариваются (особенно стали с вы­соким содержанием кремния) и требуют иногда использования специальных техноло­гических мероприятий для предотвращения образования горячих трещин.

По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы близки к низкоугле­родистым сталям.

Более высокой коррозионной стойкостью обладают стали с повышенным содержа­нием меди (С345Д, С375Д, С390Д).

Мелкозернистая структура низколегированных сталей обеспечивает значительно более высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Высокое значение ударной вязкости сохраняется при температуре -40 °С и ниже, что позволяет использовать эти стали для конструкций, эксплуатируемых в северных районах. За счет более высоких прочностных свойств применение сталей повышенной прочности приводит к экономии металла до 20 —25 %.

1.2.5.Стали высокой прочности ( > 40 кН/см²). Прокат стали высокой прочности
(С440 —С590) получают, как правило, путем легирования и термической обработки.

Для легирования используются нитридообразующие элементы, способствующие образованию мелкозернистой структуры.

Стали высокой прочности могут не иметь площадки текучести (при о_> , > 50 кН/см²), и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже.

Отношение увеличивается до 0, 8 — 0, 9, что не позволяет учитывать при расче­те конструкций из этих сталей пластические деформации.

Подбор химического состава и режима термообработки позволяет значительно по­высить сопротивление хрупкому разрушению и обеспечить высокую ударную вязкость при температуре до -70 °С. Определенные трудности возникают при изготовлении кон­струкций. Высокая прочность и низкая пластичность требуют более мощного оборудо­вания для резки, правки, сверления и других операций.

При сварке термообработанных сталей вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соединения происходят различные структурные пре­вращения. На одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной прочностью и хрупкостью (жесткие прослойки), на других металл подвергается высокому отпуску и имеет пониженную прочность и высокую пластичность (мягкие прослойки).

Разупрочнение стали в околошовной зоне может достигать 5 — 30%, что необходи­мо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей.

Введение в состав стали некоторых карбидообразующих элементов (молибден, ва­надий) снижает эффект разупрочнения.

Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла до 25 —30 % по сравнению с конструкциями из низкоуглеродистых сталей и особенно целесообраз­но в большепролетных и тяжело нагруженных конструкциях.

1.2.6.Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости метали-­
ческих конструкций применяют низколегированные стали, содержащие в небольшом
количестве (доли процента) такие элементы, как хром, никель и медь.

В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавкой фосфора (например, сталь С345К). На поверхности таких сталей образу­ется тонкая оксидная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищающая ме­талл от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшает­ся. Кроме того, в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладностойко-стью, поэтому применение стали С345К рекомендуется при толщинах не более 10 мм.

В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мем­бранные покрытия), широко применяется тонколистовой прокат. Для повышения дол­говечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки ОХ18Т1Ф2, не содержащей никеля. Механические свойства стали ОХ18Т1Ф2:

= 50 кН/см², = 36 кН/см², > 33 %. При больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной хрупкостью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяют применять его в конструкциях при расчетных температурах до -40 °С.

1.2.7. Выбор сталей для строительных металлических конструкций. Выбор стали произ­водится на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа сталей и профилей. Выбор стали зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция. Этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах;

характера нагружения, определяющего особенность работы материала и конструк­ций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках;

вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объем­ное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы);

способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения;

толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины.

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций подразделяются на четыре группы.

К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых усло­виях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрацион­ных или подвижных нагрузок (например, подкрановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных со­ставов, фасонки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характеризу­ется высоким уровнем и большой частотой загружения.

Конструкции первой группы работают в наиболее сложных условиях, способствую­щих возможности их хрупкого или усталостного разрушения, поэтому к свойствам ста­лей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.

Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую на­грузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений.

Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность ус­талостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы.

К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимуществен­ном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

К четвертой группе относятся вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а также конструкции третьей груп­пы при отсутствии сварных соединений.

Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требовани­ями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сварочных напряжений, более низкая концентра­ция напряжений и другие факторы улучшают их работу.

В пределах каждой группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах.

В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и кли­матического района строительства.

Окончательный выбор стали в пределах каждой группы должен выполняться на ос­новании сравнения технико-экономических показателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей заво­да-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных балках, фермах и т. п.) экономически целесообразно применение двух сталей: более высокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, балок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решетка ферм, стенки балок).

1.2.8. Алюминиевые сплавы. Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Его плотность = 2, 7 т/м³, т.е. почти в 3 раза меньше плотности стали. Модуль продольной упругости алюминия Е=71 000 МПа, модуль сдвига G = 27 000 МПа, что примерно в 3 раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали.

Алюминий не имеет площадки текучести. Прямая упругих деформаций непосред­ственно переходит в кривую упругопластических деформаций (рис. 1.7). Алюминий очень пластичен: удлинение при разрыве достигает 40 — 50%, но прочность его весьма низ­кая: = 6...7 кН/см², а условный предел текучести = 2...3 кН/см². Чистый алюми­ний быстро покрывается прочной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему развитию коррозии.

Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется довольно редко. Значительное увеличение прочности алю-миния достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием. цинком и некоторыми другими элементами.

Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в за­висимости от состава легирующих добавок в 2 —5 раз выше, чем технически чистого; однако относительное удлинение при этом соответственно в 2 — 3 раза ниже. С повыше­нием температуры прочность алюминия снижается и при температуре свыше 300 °С близка к нулю (см. рис. 1.7).

Особенностью ряда многокомпонентных сплавов А1 — Mg — Si, Al — Си — Mg, Al — Mg— Zn является их способность к дальнейшему увеличению прочности в процессе старения после термической обработки; такие сплавы называются термически упрочняемыми.

Временное сопротивление некоторых высокопрочных сплавов (системы Al — Mg — Zn) после термической обработки и искусственного старения превышает 40 кН/см², отно­сительное удлинение при этом составляет всего 5—10 %. Термическая обработка спла­вов двойной композиции (Al —Mg, Al— Mn) к упрочнению не приводит, такие сплавы получили название термически неупрочняемых.

Повышение условного предела текучести изделий из этих сплавов в 1, 5 — 2 раза может быть достигнуто холодной деформацией (нагартовкой), относительное удлине­ние при этом также существенно снижается. Следует отметить, что показатели всех основных физических свойств сплавов вне зависимости от состава легирующих элемен­тов и состояния практически не отличаются от показателей для чистого алюминия.

Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих добавок, состо­яния поставки и степени агрессивности внешней среды.

Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов изготавливают на специализированных за­водах: листы и ленты — прокаткой на многовалковых станах; трубы и профили — мето­дом экструзии на горизонтальных гидравлических прессах, позволяющим получить про­фили самой разнообразной формы сечения, в том числе и с замкнутыми полостями.

На отправляемых с завода полуфабрикатах указывается марка сплава и состояние поставки: М — мягкое (отожженное); Н — нагартованное; Н2 — полунагартованное; Т — закаленное и естественно состаренное в течение 3 — 6 сут при комнатной темпера­туре; Т1 — закаленное и искусственно состаренное в течение нескольких часов при повышенной температуре; Т4 — не полностью закаленное и естественно состаренное; Т5 — не полностью закаленное и искусственно состаренное. Полуфабрикаты, поставля­емые без обработки, дополнительного обозначения не имеют.

Из большого числа марок алюминия к применению в строительстве рекомендуются следующие:

-термически неупрочняемые сплавы: АД1 и АМцМ; АМг2М и АМг2МН2 (листы); АМг2М (трубы);

-термически упрочняемые сплавы: АД31Т1; АД31Т4 и АД31Т5 (профили);

-1915 и 1915Т; 1925 и 1925Т; 1935, 1935Т, АД31Т (профили и трубы).

Все указанные выше сплавы, за исключением сплава 1925Т, который используется только для клепаных конструкций, хорошо свариваются. Для литых деталей использует­ся литейный сплав марки АЛ8.

Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости против коррозии, хладностойкости, антимагнитности, отсутствию искрообразования, долговечности и хорошему виду имеют широкие перспективы применения во многих областях стро­ительства. Однако из-за высокой стоимости использование алюминиевых сплавов в стро­ительных конструкциях ограничено.