Стали, применяемые для МК и их свойства (механические, технологические, эксплуатационные свойства).

Качество стали, применяемой при изготовлении ме­таллических конструкций, определяется: механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействи­ям (временным сопротивлением и пределом текучести при растяжении); сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударной вязкостью при различных температурах); показателями плас­тичности (относительным удлинением); сопротивлением расслоению (изгибом в холодном состоянии). Кроме того, качество стали оп­ределяется сопротивлением многократному нагружению (усталостью); технологическими - свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химичес­ким составом стали и технологией ее производства; эксплуатационными - коррозионной стойкостью.

По механическим свойствам стали делятся на три группы (табл. 2.1): обычной прочности (малоуглеродистые); повышенной прочности; высокой прочности.

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от хими­ческого состава, вида термической обработки и технологии прокатки.

Сталь - сплав железа с углеродом и некоторыми добавками. Железо в виде зерен феррита обеспечивает высокую пластичность до ε_о=50%, углерод в виде соединения с железом Fе₃С, образующего цементитовую решетку, обеспечивает высокую прочность. Чем больше углерода (С), тем прочнее и тверже для обработки сталь, тем меньше ее пластичность. Поэтому в строительных ста лях, в которых необходимо сохранить из-за сложности их работы высокую пластичность, допускается углерода не более 0,22 %. Помимо феррита и цементита, имеется еще одна структурная составляющая - перлит, т. е. раствор частей цементита в феррите.

Кремний (С) повышает прочность стали, но снижает свариваемость и стойкость против коррозии. Обычно его не более 1%. Алюминий (I0) входит в виде соединений - нитридов и карбидов. Марганец (Г) повышает прочность стали и пластичность, обычно не более 1,5%. Медь (Д) повышает коррозийную стойкость стали. Молибден (М), бор (Р), хром (X), ванадий (Ф), никель (Н) и другие применяются как легирующие присадки для повышения прочности и улучшения других свойств стали.

Азот (А) в свободном состоянии способствует старению стали, повышает склонность к хрупкому разрушению. В связанном состоянии образует нитриды, которые способствуют повышению прочности.

К вредным примесям относятся фосфор (П), способствующий хрупкому разрушению при низких температурах, и сера, вызывающая трещины при остывании.

Их содержание ограничивается 0,04...0,05%. Вредны также газы, в том числе кислород и водород.

Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода (малоуг­леродистые стали обычной прочности); легированием марганцем, крем­нием, ванадием, хромом и другими элементами (низколегированные ста­ли повышенной прочности); легированием и термическим упрочнением (стали высокой прочности, см. табл. 2.1).

Таблица 2.1. Основные марки строительных и их механические характеристики

Группа прочности	Марка стали	Предел текучести, МПа	Временное сопротивление, МПа	Относительное удлинение, %
Обычной	ВСтЗкп; ВСтЗпс; ВСтЗГпс; ВСтЗсп	185-285	365-390	25-27
Повышенной	ВСтТпс; 09Г2; 09Г2С; 14Г2; 10Г2С1; 15ХСНД; 14Г2АФ;	295-390	430-540	19-20
	10ХСНД; 10ХНДП	Св 440
Высокой	16Г2АФ; 18Г2АФпс; 15Г2СФ т. о.; 12Г2СМФ т.о.; 12ГН2МФАЮ т. о.	Св. 590	14-20

По прочности строительные стали делятся на три группы: обычной прочности, повышенной и высокой.

Строительные стали обозначаются, например, С235, где С - сталь строительная; цифра - это σ_т в МПа.

Стали обычной прочности - С235, С245, С255, С275,

С285. Это малоуглеродистые стали марки СтЗ кипящие, полуспокойные, спокойные.

Стали повышенной прочности - С345, С345К (К - вариант химсостава), С345Т (Т - термическое улучшение со специального нагрева), С375, С375К, С375Т.

Стали высокой прочности - С390, С390Т, С390К, С440, С590, С590К.

Для низколегированных сталей повышенной и высокой прочности действует и другая система обозначения (не для строительных конструкций). Например, сталь 15ХСНД или 09Г2С. Первые цифры в сотых долях процента - содержание углерода, буквы показывают легирующие добавки, цифра после буквы в целых процентах - предел содержания данной добавки, если цифры нет после буквы, то содержание не более 1%.

Очень прочные стали применяются в стальных канатах.

Работа стали при статической нагрузке. Сталь в основном состоит из феррита с включением перлита. Зерна перлита значительно прочнее ферритовой основы. Эти две раз­ные по прочностным, упругим и пластическим показателям составляю­щие и определяют работу углеродистой стали под нагрузкой.

Работа стали. Большое препятствие образованию сдвигов в зернах феррита создают в стали более прочные зерна перлита, поэтому прочность стали значительно выше прочности чистого железа.

Работу, например, углеродистой стали Ст3 при растяжении (в зави­симости от ее структуры) можно представить в следующем виде (рис. 2.11, кривая в). В первой стадии до предела пропорциональности σ_пц происходят упругие деформации, пропорциональные действующим на­пряжениям, - это стадия упругой работы. Деформации удлинения в этой стадии материала происходят только в результате упруговозвратимого искажения атомной решетки. Поэтому после снятия нагрузки об­разец (изделие) принимает первоначальные размеры.

При дальнейшем увеличении нагрузки дислокации начинают скап­ливаться около границ зерен феррита, что способствует появлению от­дельных сдвигов в зернах феррита; деформации начинают расти быстрее напряжений (участок между σ_пц и σ_т). Последующее увеличе­ние напряжений способствует увеличению количества и развитию ли­ний сдвига в зернах феррита, которые приводят к развитию больших деформаций изделия (образца) при постоянных напряжениях - к об­разованию площадки текучести. Протяженность площадки текучести у стали марок Ст3 и других малоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей составляет примерно 1,5-2%. После снятия нагрузки упругая часть деформаций возвра­щается, а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям. Дальнейшее раз­витие деформаций изделия (образца) затрудняется более прочными и жесткими зернами перлита. Поэтому, чтобы образовались общие плос­кости сдвига в образце, сдвиги в отдельных зернах феррита должны обтекать зерна перлита или раскалывать слабые их участки (рис. 2.12), для чего необходимо повышение напряжений. Стадию работы материала, в ко­торой происходит повышение сопротивления внешним воздействиям после площадки текучести до временного сопротивления, называют стадией самоупрочнения. В этой стадии материал работает как упругопластический.

Во все время растяжения продольным деформациям удлинения со­путствуют поперечные деформации сужения, причем при подходе к временному сопротивлению деформации удлинения и сужения начина­ют концентрироваться в наиболее слабом месте, образуя шейку (см. рис. 2.11). Сечение в месте шейки интенсивно уменьшается, что приво­дит к повышению напряжений в месте сужения, поэтому, несмотря на то, что нагрузка на образец снижается, по месту образования шейки происходит разрыв.

Образование протяженной площадки текучести присуще только сталям, содержащим около 0,1 - 0,3 % углерода. При меньшем содер­жании углерода получается недостаточно зерен перлита для сдержи­вания сдвигов по зернам феррита; при большом - зерен перлита полу­чается так много, что они полностью блокируют зерна феррита и не дают возможности развиваться по ним сдвигам. Диаграммы σ-ε де­формирования стали повышенной прочности (см. рис. 2.11, кривая г) почти не имеют площадки текучести - после упругой работы кривая, имея скругление, переходит в стадию самоупрочнения. У ряда сталей высокой прочности, особенно у термоупрочненных, площадка текучести отсутствует. Условный предел текучести у таких сталей устанавливает­ся по остаточному удлинению, равному 0,2%.

Рассматривая диаграммы σ-ε, следует отметить, что основными характерными показателями работы стали на растяжение являются предел текучести, временное сопротивление и относительное удлинение.

У углеродистой стали марки Ст3 запас работы материала от преде­ла текучести до временного сопротивления σ_т/σ_в=0,6, т. е. довольно большой, что дает возможность в широких пределах использовать пла­стические свойства стали. У высокопрочных сталей предел текучести близко подходит к временному сопротивлению (отношение σ_т/σ_в≥0,8), что ограничивает использование работы материала в упругопластической стадии.

В упругой области для всех прокатных сталей модуль упругости составляет 2,06·10⁵ МПа. При напряжениях от предела пропорциональ­ности σ_пц до σ_т модуль упругости уменьшается, что слабо сказывается на нарастании общих деформаций конструкций, но оказывает влияние на устойчивость сжатых элементов конструкций.

Для сталей высокой прочности пропорциональность между напря­жениями и деформациями нарушается задолго до предела текучести (см. кривую д на рис. 2.11), с чем приходится считаться при решении задач устойчивости элементов конструкций.

Пластические деформации и переход в стадию самоупрочнения и разрыв стали при одноосном равномерно распределенном напряжении происходят путем сдвига.

Так, при однозначном двухосном простом нагружении (когда на­грузка в обоих направлениях нарастает одинаково) и равномерном распределении напряжений по сечению пластическое течение идет пу­тем сдвига по наклонным к поверхности пластины плоскостям при та­ких же напряжениях, что и при одноосном нагружении (рис. 2.14, а).

При равных по абсолютной величине сжимающих и растягивающих напряжениях (чистый сдвиг) пластическое течение начинается при касательных напряжениях, составляющих половину от предела (рис. 2.14,6) текучести при одноосном растяжении (сжатии).

При неравномерном распределении напряжений общему сдвигу одной части изделия по другой препятствуют упругие зоны. Поэтому в части сечения, затронутой текучестью (рис. 2 14, в), пластическое тече­ние происходит в стесненных условиях, что приводит к повышению зна­чения σ_т.

При нагружении пластин до предела текучести в одном на­правлении и последующем нагружении того же знака в другом направ­лении материал работает упруго до тех пор, пока и в этом, втором на­правлении напряжения достигнут значения σ_т и далее он начинает течь в обоих направлениях (рис. 2,15, а). В случае нагружения пластины до предела текучести в одном направлении, а затем другого знака в пер­пендикулярном направлении пластические деформации ускоряются и для их остановки напряжения первого нагружения приходится умень­шать до такого значения, при котором касательные напряжения отве­чают сопротивлению материала пластическому сдвигу (рис. 2.15,6).

Каким показателем характеризуется пластичность стали. Почему строительные стали должны иметь высокоразвитые пластические свойства. Чем объяснить характер работы стали; Виды разрушения, присущие сталям (вязкое, квазихрупкое, хрупкое разрушения). Бирюлев, стр. 176

Дата добавления: 2015-12-08