В стальных конструкциях в основном применяется мягкая малоуглеродистая сталь 3 с содержанием углерода до 0,22%, которая по терминологии ГОСТ может быть разных марок (табл.1 и 2). Она хорошо сваривается, почти не закаливается и потому является весьма удобной для работы в элементах конструкций.

Прочие марки углеродистых сталей обыкновенного качества (Ст. 0, Ст. 2, Ст. 4, Ст. 5) почти не применяются в стальных резервуарах по следующим причинам: стали марок Ст. 1 и Ст. 2 менее прочны и требуют большей затраты металла на кон­струкции; сталь марки Ст. 4 с успехом могла бы применяться в стальных конструкциях, но она в основном идет на судостроение, сталь марки Ст. 5 очень жестка, а потому менее приспособлена к условиям завод­ской обработки и, кроме того, плохо сваривается, стали марок Ст. 6 и Ст. 7 как наиболее жесткие вовсе не применяются в стальных конст­рукциях; сталь марки Ст. 0 — отбракованная из прочих сталей, и пото­му может применяться только в нерасчетных элементах конструкций.

Все стали, применяемые в строительных конструкциях, должны обладать свариваемостью. Свариваемостью называется способность стали давать после остывания сварного шва цельное (не имеющее трещин) и прочное соединение, сохраняющее прочность и цельность в течение длительного времени при разнообразных силовых (статических и динамических) и температурных воздействиях, в том числе и при низких температурах.

Работа малоуглеродистой стали под статической нагрузкой хорошо характеризуется известной диаграммой растяжения (рис. 1), на которой четко проявляются основные точки: предел пропорциональности (s_пц), ограничивающий упругую работу  стали; предел текучести (s_т) на площадке текучести, характеризующий пластическую работу стали; предел прочности или временное сопротивление (s_в), характеризующий предельную нагрузку, воспринимаемую испытуемым элементом, а также относительное удлинение e при разрыве (по оси абсцисс), область самоупрочнения за площадкой текучести и др.

Предел текучести определяет границу напряжений, при которых деформации оказываются еще настолько малыми, что можно пользоваться методами расчета по упругой стадии работы материала. На площадке текучести обрывается однозначная связь между напряжениями и деформациями, определяющая сопротивление материала (одному напряжению соответствует много значений деформации — сталь течет); поэтому на площадке текучести сопротивление материала временно исчерпывается, и, таким образом, предел текучести является пределом расчетных напряжений. Относительное удлинение при разрыве характеризует пластичность стали. Склонность стали к переходу в хрупкое состояние характеризуется ударной вязкостью; поскольку эта склонность в значи­тельной степени зависит от структуры стали, ее чистоты и однородности, ударная вязкость характеризует также и структуру стали.

Рис. 1. Диаграмма растяжения стали  

Сталь 3 имеет временное сопротивление s_в = 38-47 кг1мм², от­носительное удлинение длинного образца e₁₀ > 21%, браковочный предел текучести (при небольших толщинах) s_т = 24 кг/мм², ударную вязкость а > 8 кгм/см², модуль упругости Е = 2,1 • 10⁶ кг/см² и коэффи­циент температурного удлинения a = 0,000012.

Рис. 2. Кривые распределения предела текучести стали марки Ст.3 по результатам испытаний разных лет 

Сталь 3 достаточно однородна. Представление об изменчивости качеств стали дают статистические кривые рас­пределения различных ее характеристик, показывающие, как часто (в процентах) имеет место то или иное значение данной характеристики (рис. 2).

Имея достаточно большое число наблюдений, можно на основании правил математической статистики определить вероятность появления того или иного значения характеристики и принять за наименьшее или наибольшее то значение, которое определяется весьма малой (прини­маемой практически за нуль) вероятностью появления меньших или больших значений. За такую минимальную величину предела текучести для стали 3 в настоящее время принимается 21 кг/мм2. Среднее, наибо­лее часто встречающееся значение предела текучести, как это видно по кривым распределения, составляет примерно 29 кг/мм2.

Величина предела текучести зависит от толщины элемента; при увеличении толщины она уменьшается.

Прочность стали в первую очередь зависит от содержания углерода. Однако углерод снижает пластичность и свариваемость, поэтому в строительных сталях, которые по условиям своей работы в конструкциях должны быть достаточно пластичными, его допускается немного — не более 0,22% (что обеспечивает и хорошую свариваемость этих сталей). Существенно повышает прочность стали без большого снижения пластичности марганец. Марганец всегда имеется в строительных сталях; наиболее часто содержание его составляет от 0,3 до 0,65%. Третьей обычно содержащейся в строительных сталях примесью является кремний. В малоуглеродистых сталях кремния обычно очень мало; однако он прибавляется искусственно для получения мелкозернистой структуры. Кремний также повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии; поэтому желательно иметь кремния не более 0,3%. Наконец, весьма полезной, но более дорогой добавкой является медь.

Медь повышает прочность (меньше, чем марганец и кремний) и значительно увеличивает стойкость стали против атмосферной коррозии. Применение медистых сталей с содержанием 0,2 — 0,4% меди в ус­ловиях, которые способствуют интенсивной коррозии, очень полезно. Однако медь несколько ухудшает свариваемость стали.

Наряду с указанными полезными примесями в стали содержатся и вредные. Такими в первую очередь являются: фосфор, который делает сталь хрупкой при пониженных температурах (хладноломкой) и мало пластичной — при повышенных, и сера, делающая сталь красноломкой (трещиноватой при температуре 800 — 1000°) вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. Поэтому серы и фосфора в стали должно быть очень немного; так, в мартеновской стали 3 содержание серы может составлять не более 0,055%, фосфора—не более 0.045%. Вредное влияние серы в некоторой степени ослабляется наличием марганца, который, отвлекая серу от железа, образует в соединении с ней тугоплавкий сернистый марганец.

Весьма вредными примесями являются также кислород и азот, которые могут попасть из атмосферы воздуха в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Азот делает металл хрупким, особенно при низких температурах; кислород действует как сера, но в более сильной степени, и также повышает хрупкость стали. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

По способу производства сталь может быть мартеновской и конвер­торной (бессемеровской или томасовской). Более распространена мар­теновская сталь, которая значительно лучше и чище конверторной; последняя по условиям производства (продувание) бывает более засо­рена азотом и кислородом, а также пузырями воздуха; в конверторной стали больше серы и фосфора, углерода же весьма мало, так как он выгорает во время дутья. Несмотря на это прочность конверторной стали не ниже прочности мартеновской; это получается за счет прочих присадок, в том числе и фосфора.

Стали могут быть кипящие и спокойные. Кипящую сталь сразу переливают из ковша в изложницы, поэтому она оказывается более засоренной газами и менее однородной. Спокойные стали раскисляют в ковше добавлением кремния (в более редких случаях алюминия или титана), поддерживающего высокую температуру, благодаря чему газы могут выделяться в большом объеме; кремний (или алюминий), соединяясь с растворенным кислородом, уменьшает вредное влияние последнего.

При соединении с кислородом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют мелкозернистости стали.

Таким образом, в спокойной стали кремния больше, и по количеству кремния можно судить о том, является ли сталь кипящей или спокойной. Спокойная сталь всегда более высокого качества.

Неоднородность структуры и связанная с ней хрупкость ухудшают свариваемость стали.

Кипящие мартеновские стали в основном удовлетворяют требованиям, предъявляемым к строительным сталям, и поэтому как более дешевые являются наиболее распространенными. Однако они склонны к трещиноватости после сварки и при воздействии динамических нагру­зок, а также к старению (повышению хрупкости с течением времени), поэтому ответственные сварные конструкции следует изготовлять из спокойной мартеновской стали. Спокойные стали дороже кипящих примерно на 12%.

Качество кипящих конверторных сталей ниже, а потому они допус­каются только для неответственных клепаных конструкций, не подверженных действию динамических нагрузок и отрицательных температур (от —20° и ниже).

В настоящее время томасовская кипящая сталь в строительных конструкциях вовсе не допускается.

В ГОСТ указанные выше восемь марок малоуглеродистой стали (от Ст. 0 до Ст. 7) подразделяются на две группы и одну подгруппу:

• группа А — сталь, поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б — сталь, поставляемая по химическому составу;
• подгруппа В — сталь, поставляемая одновременно по механическим свойствам и химическому составу.

Для стали группы А основными гарантируемыми характеристиками являются предел прочности и относительное удлинение; предел текучести и другие, механические и химические показатели обеспечиваются в границах указанных ГОСТом величин по требованию заказчика (при соответствующем повышении стоимости стали). Выбор способа изготовления (мартеновский, бессемеровский) предоставляется заводу, если нет соответствующих указаний со стороны заказчика. Поэтому при заказе стали для конструкций нужно всегда оговаривать способ изготовления стали (обычно мартеновский).

В ГОСТ учитывается зависимость предела текучести от толщины проката и устанавливается 3 разряда по толщинам:

• первый — для сортового проката (уголки, полосовая, круглая и квадратная сталь) толщиной до 40 мм, для фасонного проката (двутавры и швеллеры) толщиной до 15 мм и листового проката толщиной до 20 мм;
• второй — для сортового проката до 100 мм, для фасонного проката до 20 мм и листового проката до 40 мм;
• третий — для боль­ших толщин. В частности, для стали 3 кипящей установлены величины предела текучести соответственно 24, 22 и 21 кг/мм2, а для стали 3 спокойной — 24, 23 и 22 кг/мм2.

По требованию заказчика некоторые величины, установленные для первых двух разрядов толщины проката, могут быть повышены на 1 кг/мм2.

Механические свойства стали, поставляемой по группе А, даны в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества Группа А

Марки стали	Предел текучести по разрядам толщины проката в кг/мм2, не менее			Предел прочности (временное сопротив­ление) в кг/мм2	Относительное удлинение длинного образца в %, не менее	Испытание на загиб в холодном состоянии на 180°.  а—толщина образца;  d—диаметр оправки
	1	2	3
Ст. 0				>32	18	d=2а
	22	20	19	34—42	26	d=0
Ст. 3 кп	24	22	21			d=0,5a
Ст. 3	24	23	22			d=0,5a
	26	25	24			d=2a
Ст. 5	28	27	26			d==3a

В стали, поставляемой по группе Б, точно фиксируется метод плавки, поэтому перед маркой стали ставится индекс М (при мартеновской выплавке) или Б (при бессемеровской) и гарантируется содержание ос­новных химических компонентов стали — углерода, кремния, марган­ца, фосфора и серы. Кроме того, по требованию заказчика может быть ограничено содержание более редких компонентов — хрома, никеля и меди (<0,3°/о каждого). Химический состав стали, поставляемой по группе Б, дан в табл. 2.

Для стали, поставляемой по подгруппе В, гарантируются: механические характеристики — предел прочности, предел текучести и относитель­ное удлинение в соответствии с показателями группы А; верхние пределы содержания углерода, серы и фосфора в соответствии с показате­лями группы Б, а также предельное содержание хрома, никеля и меди в размере 0,3%. По требованию заказчика может быть снижено количество кремния в стали 3 спокойной до 0,22%, что важно для сварных конструкций, а также гарантировано повышение предела текучести, как и для группы А. Сталь подгруппы В маркируется буквой В, например В Ст. 3. Способ выплавки этой стали не фиксируется, поэтому он дол­жен быть указан в заказе на металл.

В стальных конструкциях обычно применяется сталь марки Ст. 3кп (мартеновская, группы А) как наиболее дешевая. Из нее выполняют конструкции, работающие под статической нагрузкой, клепаные конст­рукции и подкрановые балки под краны легкого и среднего режимов. Сварные подкрановые балки под краны тяжелого режима, резервуары и другие конструкции, для которых существенны явления вибрационно­го действия нагрузки и концентрации напряжений, выполняют из стали марки Ст.3 спокойной (мартеновской, группы А). Наиболее ответствен­ные сварные конструкции, имеющие сложную конструктивную форму, выполняют из стали марки В Ст. 3 (спокойной).

Таблица 2

Химический состав углеродистой стали обыкновенного качества Группа Б

Рис. 3. Механические характеристики стали при изменении температуры

1— модуль продольной деформации: 2—предел прочности; 3-предел текучести

Во всех случаях требуются ограничения химического состава стали по фосфору (<0,045%), сере (< 0,055%), а для сварных конструкций и по углероду (< 0,22%).

Указанные в табл.1 значения предела прочности и предела текучести относятся к нормальной температуре 20°. При изменении температуры пределы прочности и текучести меняются (рис. 3).

При отрицательных температурах предел прочности и предел текучести существенно повышаются и сближаются между собой; таким образом, при отрицательных температурах пластическая стадия работы стали уменьшается. При повышенных температурах до 100 — 200° пределы прочности и текучести почти не меняются; при 300° получается местное повышение предела прочности. При температурах выше 400 — 500° замечается резкое снижение обоих пределов, при 600° они близки нулю и сопротивление стали исчерпывается.