До сравнительно недавнего времени основным материалом для изготовления строительных металлоконструкций служила «мягкая» углеродистая сталь, которая за длительный период своего существования до настоящего времени почти не претерпела изменений (см.п. 1.3) и по своим механическим характеристикам весьма близка к железу технической чистоты.

Стремление к повышению эффективности металлоконструкций привело к разработке свариваемых низколегированных сталей повышенной прочности. В нашей стране они появились в конце первой половины текущего столетия, первоначально в виде многокомпонентных композиций типа марок ДС, НЛ-2, 15ХСНД, 10ХСНД, затем в виде более простых по составу и экономичных кремнемарганцовых сталей марок 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1.

В этих обозначениях (кроме ДС и НЛ-2) цифры и буквы означают: двухзначные цифры слева - примерное среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры: Г - марганец, С - кремний, X - хром: Н - никель, Д -медь; используют также буквы М - молибден, Ф - ванадий, Ю - алюминий, В -ниобий, А - азот, П - фосфор, Р - бор; цифры после букв - примерное содержание соответствующего элемента в целых единицах процентов.

Для получения стали этого вида используют легирующие элементы, упрочняющие в основном твердый раствор, а-железа и в меньшей степени образующие специальные карбиды или нитриды: кремний, марганец, медь, никель, хром, реже молибден. Прокат из стали поставляется как правило в состоянии непосредственно после горячей прокатки и имеет феррито-перлитную микроструктуру, хотя возможна поставка и в состоянии после термической обработки - нормализации или термического улучшения.

Предел текучести и временное сопротивление в прокате большинства марок низколегированной стали повышенной прочности обычно не превышает 350 и 500 МПа соответственно. Этот уровень обусловлен ограниченностью легирования, которое сдерживается, как указывалось, тремя факторами: ухудшением свариваемости, снижением сопротивления хрупкому разрушению и экономической эффективностью (см.п. 1.1).

Ранее отмечалось, что при упрочнении строительной стали для сохранения или повышения сопротивления хрупкому разрушению необходимо одновременное су­щественное измельчение ее микроструктуры. Величина зерна феррита в прокате горячекатаной низколегированной стали зависит от его толщины. Она минимальна для тонкого проката, остывающего с наибольшей скоростью и возрастает с увеличением толщины. Все же в широком диапазоне употребляемых толщин зерно феррита в прокате низколегированной стали большинства марок остается более мелким, чем в прокате углеродистой стали. Именно этим обусловлена более значительная хладостойкость низколегированной стали, несмотря на ее повышенную прочность в сравнении с углеродистой.

Экономическая эффективность низколегированной стали зависит от ее оптовой цены, которая повышается с увеличением содержания легирующих элементов, особенно таких дорогих и дефицитных, как никель, медь, молибден.

В табл. 1.14 и 1.16 приводится химический состав, а в табл. 1.15 - механические свойства по ГОСТ 19282-73* отечественной низколегированной стали девяти марок. Механические свойства приводятся только для листового проката, так как для фасонного проката (ГОСТ 19281-89*) при соответствующей толщине они имеют близкие значения.

Стали, для которых обозначение марки условно дано с буквой Д в скобках, по требованию потребителей могут быть дополнительно легированы медью для повышения коррозионной стойкости. В этом случае буква Д, означающая медь, вводится в марочное обозначение. При отсутствии меди буква Д в марочное обозначение не вводится.

Приведенный в табл. 1.14 химический состав относится к результатам плавочного контроля (ковшовая проба при разливке стали). Для химического состава в готовом прокате по ГОСТ 19282-73* допускаются отклонения, приведенные в табл. 1.16.

Собственно для сварных строительных конструкций при проектировании регламентировано использование только стали марок 09Г2(Д), 09Г2С(Д), 14Г2, 10Г2С1(Д), 15ХСНД и 10ХСНД. Сталь марок 17ГС и 17Г1С применяется для электросварных труб нефте- и газопроводного сортамента. Однако из-за большого количества производимого в стране штрипса (листовых заготовок для труб) прокат из этих сталей часто предлагается в качестве замены листового проката низколегированной стали других марок. Применение стали марок 17ГС и 17Г1С в наиболее ответственных конструкциях (подвергающихся динамическому или переменному нагружению, эксплуатируемых при низких расчетных температурах - «северное исполнение» и т.п.) вследствие повышенного содержания углерода и обусловленного этим пониженного сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений, так же как и сталь марки 10Г2С1 из-за высокого содержания кремния, не рекомендуется.

Индустриализация капитального строительства требует всемерной унификации материалов и, в частности, сокращения количества применяемых марок низколегированной стали. Поэтому основным материалом данного класса прочности С345 в связи с оптимальным сочетанием характеристик свариваемости, хладостойкости и технико-экономической эффективности признана сталь марки 09Г2С. Ее применение рекомендовано для строительных металлоконструкций всех видов.

Недостаток этой стали состоит в существенном снижении показателей прочности - предела текучести и временного сопротивления разрыву с увеличением толщины проката. Эта особенность служит также причиной частого несоответствия указанных характеристик заданным нормам при сдаточных механических испытаниях на металлургических заводах. Для устранения этого недостатка рядом организаций поставщиков и потребителей исследуется возможность корректировки химического состава стали путем небольшого увеличения содержания углерода, которому соответствует марочное обозначение 12Г2С.

Это требование всемерной унификации марочного сортамента стали нашло отражение в новом стандарте на прокат для строительных стальных конструкций ГОСТ 27772-88*, в котором предусмотрены лишь два варианта низколегированной стали повышенной и высокой прочности с химическим составом, соответствующим маркам 09Г2С и 12Г2С. Нормы химического состава и механических свойств для этих сталей, включенных в стандарт с наименованием С345 и С375, приведены в табл. 1.17 и 1.18.

Сталь изготовляют четырех категорий (1-4) в зависимости от требований по испытаниям на ударный изгиб. Нормируемые показатели ударной вязкости для проката разных категорий приведены в табл. 1.19.

Для элементов металлоконструкций автодорожных и железнодорожных мостов таким основным материалом является низколегированная сталь марки 10ХСНД по ГОСТ 6713-91. Ее применение обусловлено повышенным сопротивлением атмосферной коррозии, связанным с многокомпонентным легированием (подробнее об этом см. п. 1.8).

В зависимости от требований по ударной вязкости низколегированные стали по ГОСТ 19282-73* поставляются 15-и категорий, причем для строительных металло­конструкций применяются стали четырех категорий: 6-й, 12-й, 9-й и 15-й. При этом для стали 6-й и 12-й категорий ударная вязкость KCU гарантируется при температуре минус 40 °С, а для стали 9-й и 15-й категорий - при температуре минус 70 °С. Кроме того, для стали 12-й и 15-й категорий гарантируется еще и ударная вязкость при плюс 20 °С после механического старения.

Низколегированные стали по ГОСТ 6713-91 для мостостроения поставляются трех категории: 1-3. При этом для стали 1-й категории гарантируется ударная вязкость KCU при минус 40 °С и при плюс 20 °С после механического старения, 2-й категории - при минус 60 °С и при плюс 20 °С после механического старения, 3-й категории - при минус 70 °С и при минус 20 °С после механического старения. Нормы ударной вязкости при отрицательных температурах и после механического старения приведены в табл. 1.15.

Как уже указывалось, подавляющая масса металлопроката низколегированных сталей повышенной прочности поставляется в состоянии непосредственно после горячей прокатки. Однако возможна также поставка части листового проката в состоянии после термической обработки: нормализации (нагрев до 890-950 °С и остывание на воздухе) или термического улучшения (после нагрева закалка в воде с последующим высоким отпуском при 620-680 °С). Нормализация несколько измельчает микроструктуру и способствует ее большей однородности по сечению. Она применяется обычно для повышения ударной вязкости при низких отрицательных температурах. Радикальным средством для достижения этого является термическое улучшение. Листы из стали марок 09Г2(Д) и 10Г2С1(Д) толщиной более 20 мм поставляются в нормализованном или термоулучшенном состояниях, а сталь марки 10ХСНД толщиной более 15 мм - преимущественно в термоулучшенном состоянии.