Металлопрокат: виды и характеристики

Металлопрокатом называют продукцию, изготавливаемую прокатыванием на специальных станах между формующими валками в различном термическом состоянии. Различают следующие виды металлопроката:

  • Листовой;
  • Сортовой;
  • Фасонный.

Листовой представляет собой листы и полосы чёрных и цветных металлов и сплавов различной толщины. Сортовой – это круги, арматура, квадрат, шестигранник и т.п. На фасонном металлопрокате остановимся поподробней.

Фасонный металлопрокат

Сортамент фасонного металлопроката достаточно широк. В данной статье будут рассмотрены 4 вида:

  • Двутавр;
  • Швеллер;
  • Уголок равнополочный;
  • Уголок неравнополочный.

Рассматриваемые металлопрофиля используются, как компоненты при производстве разнообразных металлоконструкций, так и самостоятельно в качестве несущих балок, стоек и т.п.

Основные характеристики профилей

В случае применения в нагруженных конструкциях, для расчёта массы и прочности кроме геометрических величин используются следующие параметры их поперечных сечений:

  • Площадь. Измеряется в квадратных сантиметрах или квадратных миллиметрах. Применяется для определения напряжений сжатия и растяжения. Площадь может также быть использована для расчёта массы детали, но для этого удобней использовать линейную плотность, показывающую массу 1 погонного метра, измеряемую в килограммах на погонный метр.

Способности прокатных профилей  изгибу и кручению характеризуется моментами:

  • Статическим. В справочниках даётся его величина в см3. Может быть осевым и центральным. Является обобщённым показателем удалённости элементов плоского сечения от оси, проходящей через его центр тяжести.
  • Инерции. Имеет размерность в см4. Аналогично статическому может быть осевым и центральным. Это – обобщённый показатель квадрата удалённости элементов от оси, проходящей через геометрический центр контура поперечного разреза или от центра масс.
  • Сопротивления. Единицы измерения — см3. Это именно размерность в третьей степени. Не путать с кубическими единицами!

Перечисленные моменты характеризуют способность балки с таким сечением сопротивляться изгибающему или скручивающему моменту.

Пример. Напряжение при изгибе равно отношению изгибающего момента к моменту сопротивления. Следовательно, чем он больше, тем меньше будет напряжение, и тем большую нагрузку может вынести балка.

В реальности точка приложения сжатия всегда отклоняется от оси стержня. В результате оно дополняется изгибом. При определённой длине стержень, испытывающий напряжение сжатия, далёкое от допускаемого, теряет устойчивость и изгибается. Чем больше радиус инерции, тем устойчивее сжимаемый стержень к отклонению точки приложения усилия сжатия от центра. Во избежание потери устойчивости сжимаемые стержни через определённые промежутки длины крепят к каким-либо опорам.

Внимание! Несмотря на то, что в машиностроении размеры принято указывать в миллиметрах, величины характеристик плоских сечений выражаются в сантиметрах. Это сделано для удобства вычислений.

Двутавр

Двутавр имеет форму буквы Н, положенной набок. Состоит из вертикальной стенки и двух горизонтальных полок. Типоразмеры определяются ГОСТом 8329 или ГОСТом 26020. Высота профиля, т.е. расстояние между наружными поверхностями, выраженное в сантиметрах, является его номером.

Продукция, выпускаемая по разным ГОСТам, различается формой и шириной полок. По ГОСТу 8329 толщина полки около стенки больше, чем по краям. По ГОСТу 26020 грани полок параллельны друг другу и могут быть увеличенной в полтора раза ширины. Это кроме конструктивных возможностей в эти же полтора раза повышает допустимое изгибающее усилие.

ГОСТ 8329 предусматривает изготовление сортамента с номерами от 10 до 60, т.е. высотой от 100 до 600 мм. ГОСТ 26020 имеет номера от 10 до 50 и, соответственно размер стенки от 100 до 500 мм.

Благодаря большому расстоянию между противоположными гранями, он обладает наибольшими из всех разновидностей металлопроката моментами инерции и сопротивления при одинаковой высоте и площади сечения. Они чаще всего испытывают поперечную нагрузку, т. е. работающими на изгиб. Широко применяются для производства несущих конструкций, монорельсов для подъемно-транспортного оборудования – тали, мостовые краны – в производственных цехах.

Чтобы более ясно охарактеризовать прочностные возможности профиля, стоит привести пример: двутавровая балка № 10 нормальной ширины из Ст3, лежащая на двух опорах с расстоянием между ними 2 метра, допускает точечную нагрузку, приложенную в середине пролёта, эквивалентную 1,2 тонны. Она же, изготовленная из Ст6, выдержит уже 1,8 тонны.

Продукция всех типоразмеров изготавливается методом горячей прокатки из углеродистых конструкционных сталей различных марок по ГОСТу 380.

Пример обозначения в конструкторской, технологической и прочей технической документации двутавра высотой 300 мм, изготовленного из Ст3:

Двутавр (30 ГОСТ 8329)/(Ст3 ГОСТ 535)

Швеллер

Швеллер обладает П-образным сечением. Состоит из двух полок, соединённых стенкой. Обозначается номером равным расстоянию между наружными поверхностями противоположных граней в сантиметрах. Изготавливается в соответствии с ГОСТом 8240. В соответствии с данным нормативным документом продукция изготавливается высотой от 50 до 400 мм, соответственно с номерами от 5 до 40. Документ предписывает её изготовление с уклоном внутренних граней полок и с параллельными полками.

При одинаковой с двутавровым прокатом высоте стенки швеллеры легче на 12,3 %, их способность сопротивляться изгибу ниже на 17,3 %.

Этот вид широко применим в производстве несущих и опорных металлоконструкций. Без него не обходятся каркасы, перекрытия, тяжелонагруженные стеллажи. Из него часто делают балки и стойки коробчатого сечения, соединив два элемента полками внутрь. Полученный конструктив обладает большим радиусом инерции. Стойка из него сможет выдержать осевое сжатие, значительно превосходящее таковое у одиночного вдвое большего размера. Балки из двух профилей, развёрнутых стенками наружу, обладают несущей способностью, превосходящей двутавровый прокат равной высоты, а также позволяют через внутреннюю полость прокладывать необходимые коммуникации.

Коробчатое сечение позволяет изготавливать из него пути для транспорта, не имеющего колёс, способных катиться по рельсам. Это могут быть направляющие технологического оборудования автоматических линий, прочего цехового транспорта, в тех случаях, когда оснащение его специальными колёсами нецелесообразно.

Кроме того, из них изготавливают направляющие пандусов для инвалидных тележек в зданиях старой постройки, не приспособленных для людей с ограниченными возможностями.

Материал для изготовления — конструкционная низко- и среднеуглеродистая сталь по ГОСТу 535.

Пример обозначения швеллера № 20 с параллельными полками, изготовленного из Ст5пс в технических документах:

Швеллер (20П ГОСТ 8240)/(Ст5пс ГОСТ 535)

Уголок металлический

Металлический уголок имеет две разновидности:

  • уголок равнополочный;
  • уголок неравнополочный.

Оба вида Г-образные, но один — с равными сторонами, а другой — с разными.

Уголки стальные изготавливаются по ГОСТ 8509 – равнополочный и 8510 – неравнополочный.

Равнополочный имеет ширину полки от 20 до 250 миллиметров и, соответственно, номера от 2 до 25.

У неравнополочного минимальная ширина большей полки 25 мм, меньшей 16 мм. Максимальная — 200 и 125 мм соответственно. Обозначение номеров неравнополочных уголков от 2,5/16 до 20/12,5.

Характеристики нагрузочной способности невелики, поэтому они применяются в основном, как конструктивные элементы каркасных конструкций.

Это могут быть стеллажи, шкафы, ящики. Из большеразмерных делают каркасы стен и перегородок, ограждений строительных конструкций, например, лоджий и балконов. Малоразмерные используют как опорные элементы полочек в шкафах.

Они могут использоваться, как обвязка кирпичных колонн. Из них делаются элементы ограждений.

Очень часто из этой стали производится каркас заборов, внутренняя часть которого затягивается сеткой рабица.

Они находят широкое применение в производстве нестандартного оборудования. Все детали и узлы с их участием невозможно перечислить. На любом складе металла, будь то заводской склад или металлобаза, обязательно найдётся несколько типоразмеров.

Выбор равнополочного или неравнополочного изделия определяется преимущественно конструктивными соображениями.

Для изготовления идёт конструкционная низко- и среднеуглеродистая сталь по ГОСТ 535.

Пример обозначения угловой неравнополочной стали 63x40x4 мм марки Ст2сп обычной точности прокатки (Б):

Уголок (Б-63x40x4 ГОСТ 8510)/(Ст2сп ГОСТ 535)

Заключение

Целью статьи было первичное ознакомление с существующим ассортиментом продукции прокатного производства. Тем не менее для её понимания потребовались основы знаний общетехнических дисциплин, в частности сопротивления материалов. Объём статьи не позволил описать все разновидности и размерности проката, марки и характеристики материалов, из которых он производится. Полученные сведения могут служить всего лишь ориентиром для дальнейшего углублённого изучения специальных предметов.

В заключение стоит упомянуть ещё несколько нюансов.

При производстве металлоконструкций из фасонного металлопроката широко применяется сварка. Большинство марок сталей, из которых изготавливается продукция, являются среднеуглеродистыми. Они требуют специальных приёмов сварки – низкоуглеродистой сварочной проволоки, разделки кромок с целью уменьшить количество основного металла в шве, чтобы снизить риск появления горячих трещин.

В особо ответственных конструкциях, таких как мосты, перекрытия зданий и т. п., вместо сварки используют заклёпки. Это более трудоёмкое и менее технологичное соединение, но оно препятствует распространению трещин, которые могут возникнуть в одном из составляющих элементов.

Несмотря на существование гнутых профилей, с меньшим весом при равных габаритах, и, казалось бы, имеющих преимущество, когда не требуется высокой прочности, прокатные не сдают своих позиций. Он более технологичен и потому более доступен. Поэтому, несмотря на более высокую металлоемкость, используется везде, где нет серьёзных весовых ограничений.