Главная »
Книжные издания1 2 3 4 5 6 7 8 ...
76 * 15
<
о
31 33 35 6у,нН/см
Рис. 1.6. Гистограмма (/) и кривая Гаусса (2) распределения предела текучести стали ВстЗпс
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 испытаний на ударную вязкость. Для низколегированных сталей установлено 15 категорий, и 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. На рис. 1.6 приведена гистограмма распределения предела текучести низкоуглеродистой стали ВстЗпс, полученная по результатам испытаний большого (свыше 1000) числа образцов. Гистограммы могут быть аппроксимированы одной из теоретических кривых распределений .
Для распределения предела текучести стали наиболее подходящей является кривая Гаусса (нормальный закон распределения)
(1.3)
Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Физматиз, 1964.
2 / Г
где дг; - результат испытаний отдельного образца. Из условия
о
у
(1.4)
Р= 1 - J ffx) dx
можем определить значение предела текучести ё у, имеющее обеспеченность Р. Под обеспеченностью понимается вероятность того, что предел текучести будет не меньше ё у.
Указанные в стандартах на поставку металла значения предела текучести имеют обеспеченность не ниже 0,95. По этим значениям производится отбраковка металла на металлургических заводах. При этом значительная часть металла (свыше 95%) имеет прочностные характеристики выше установленных в стандартах. В целях более полного использования прочностных свойств стали и экономии металла можно по результатам испытаний дифференцировать прокат из одной стали на несколько групп прочности. В ГОСТ 27772-88 такой подход используется для проката толщиной до 20 мм из сталей С245 и С275, а также С255 и С285, С345 и С375.
1.2.3. Стали обычной прочности ( ё у <29 кН/шЪ. К этой группе относятся низкоуглеродистые стали различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии (С235-С285).
Обладая относительно небольшой прочностью (см. табл. 1.3), эти стали очень пластичны: протяженность площадки текучести составляет 2,5% и больше, и соотношения ё у/ и ~ 0,6-0,7. Хорошая свариваемость обеспечивается низким содержанием углерода (не более 0,22%) и кремния. Стали имеют среднюю коррозионную стойкость, поэтому конструкции, выполненные из сталей обычной прочности, следует защищать с помощью лакокрасочных и других покрытий. Недостаткам низкоуглеродистых сталей является склонность к хрупкому разрушению при низких температурах (особенно для кипящей стали С235), поэтому их применение в конструкциях, эксплуатирующихся при отрицательной температуре, ограниченно. Однако благодаря невысокой стоимости и хорошим технологическим свойствам стали обычной прочности очень широко применяются для строительных металлических конструкций. Потребление этих сталей составляет свыше 50% общего объема.
1.2.4. Стали повышенной прочности (29 кН/см < ёу < 40 кН/см). Стали повышенной прочности (С345-С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих добавок, в основном марганца и кремния, реже никеля и хрома, либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С345Т).
где X - рассматриваемая характеристика (например, предел текучести); Зс - математическое ожидание (среднее значение); х - стандарт распределения (среднее квадратичное отклонение).
При аппроксимации в качестве математического ожидания и стандарта распределения принимаются их значения, полученные по результатам статистической обработки испытаний, т.е.
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 позволяет значительно повысить их 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 (ёу> 40 кН/см ). 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 ёу > 50 кН/см), и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже.
Отношение & у1 ё и 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 металлических 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 хладностойкостью, 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: S = 50 кН/см , Ъ у = = 36 кН/см, 15 > 33%. При больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной хрупкостью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяют применять его в конструкции 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 разделены 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.
В четвертую группу включены 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 каждй 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 j) = 2,7 т/м', т.е. почти в три раза меньше плотности стали. Модуль продольной упругости алюминия Е = = 71 ООО МПа, модуль сдвига G = 27 ООО МПа, что примерно в три раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали.
6,кн/см2 50
30 20 10
О
30£;А 50 100 150 200 250300t,G
Рис. 1.7. Характеристика алюминиевых сплавов а - диаграммы растяжения; I - чистый алюминий; 2 - сплав 19156; 3 - сплав 1915Т1; 4 - сталь С245; б - зависимость временного сопротивления (I) и условного предела текучести (2)
от температуры
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 низка: & и = 6-7 кН/см , а условный предел текучести ё 02 = 2-3 кН/см. 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 алюминия 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 раза 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 А1-Mg-Zn) после термической обработки и искусственного старения превышает 40 кН/см ; относительное удлинение при этом составляет всего 5- 10%. Термическая обработка сплавов двойной композиции (А1-Mg, Al-Мп) к упрочнению не приводит; такие сплавы получили название термически неупрочняемых.
Повышение условного предела текучести 8 о2 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 рекомендуется всего семь:
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.
1.3. Влияние различных факторов на свойства стали
1.3.1. Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решетки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и уменьшению пластичности (рис. 1.8) и сопротивления хрупкому разрушению. Наряду с углеродом выделяются азот и карбиды, которые производят аналогичное действие. Перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходят в течение достаточно длительного времени, поэтому данное явление называется старением.
Старению способствуют, во-первых, механические воздействия, особенно развитие пластических деформаций (механическое старение), во-вторых, температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости
10 30 20 10
II о 12 IB 201,%
6,1<н/см диффузии компонентов, а вследствие
50 \ I ГТ1 I I I этого - к их выделению (термичес-
кое старение, дисперсионное твердение). Путем нагрева до невысокой температуры (150-200°С) можно резко усилить процесс старения.
При пластическом де-
формировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение снижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное для сталей. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.
Для алюминиевых сплавов термическое старение используется для повышения прочности.
1.3.2. Наклеп. Повторные загружения в пределах упругих деформаций (до предела упругости) не изменяют вида диаграммы работы стали; нагру-жение и разгрузка будут происходить по одной линии (рис. 1.9,а).
Рис. 1.8. Влияние старения на свойства стали
1 - сталь в исходном состоянии; 2 - сталь после старения
Рис. 1.9. Диаграммы деформирования стали при повторном нагружений
а - в пределах упругих деформаций; 6 -с перерывом (после отдыха ); в -без перерыва
Если образец загрузить до пластического состояния и затем снять нагрузку, то появится остаточная деформация £ ост (рис. 1.9,6). При повторном нагружений образца после некоторого отдыха материал работает упруго до уровня предыдущего загружения. Повышение упругой работы материала в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом. При наклепе искажается атомная решетка и увеличивается плотность дислокаций (см. п. 1.4.1). Пластичность стали снижается, повышается опасность хрупкого разрушения, что неблагоприятно сказывается на работе строительных конструкций.
при повторном зафужении без отдыха диафамма разрузки и нафузки имеет петлеобразный характер (рис. 1.9,в).
Наклеп возникает в процессе изготовления конструкций при холодной гибке элементов, пробивке отверстий, резке ножницами.
В некоторых случаях, когда снижение пластичности не имеет большого значения, наклеп используется для повышения пределов упругой работы (например, в тонкой высокопрочной проволоке для висячих и предварительно напряженных конструкций, в холоднотянутой арматурной проволоке). Повышение предела текучести допускается также учитывать при расчете элементов из гнутых профилей, где в зоне гиба металл получает наклеп.
1.3.3. Влияние температуры. Механические свойства стали при нагревании ее до температуры t = 200-250°С практически не меняются (рис. 1.10,а).
При температуре 250-300°С прочность стали несколько повышается, пластичность снижается. Сталь в изломе имеет крупнозернистое строение и становится более хрупкой (синеломкость). Не следует при этой температуре деформировать сталь или подвергать ее ударным воздействиям.
Нагрев выше 400°С приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, а при t = 600-650°С наступает температурная пластичность, и сталь теряет свою несущую способность.
При отрицательных температурах прочность стали возрастает, временное сопротивление и предел текучести сближаются, ударная вязкость падает и сталь становиться хрупкой.
Зависимость ударной вязкости от температуры (рис. 1.10,6) характерна тем, что переход от вязкого разрушения к хрупкому происходит, как правило, скачкообразно, в узком температурном диапазоне, называемом порогом хладноломкости. Обычно в качестве порога хладноломкости принимают температуру, при которой ударная вязкость становится меньше определенной величины (30-40 Дж/см ).
Склонность стали к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от величины зерна (мелкозернистые стали лучше сопротивляются хрупкому разрушению и имеют более низкий порог хладноломкости), наличия вредных примесей (фосфор, сера, азот, водород), толщины проката (масштабный фактор).
Наиболее склонны к хрупкому разрушению кипящие стали. Порог хладноломкости стали С235 (СтЗкп) лежит в интервале от О до -10°С; для спокойной стали С255 (СтЗсп) переход в хрупкое состояние происходит при
6,нн/см
б) к с и, дж/см
-100 о 100 200300100500 ±,0
50-10-30 -20-10 О *iat°c
Рис. 1.10. Влияние температуры на свойства стали 1 - сталь 10Г2С1; 2 - сталь С235; 3 - сталь С255
t = -20...-30°C. Низколегированные стали имеют порог хладноломкости -40°С и ниже.
При увеличении толщины проката порог хладноломкости смещается в область более высоких температур.
С изменением температуры меняется также вид поверхности излома. Бархатистая (волокнистая) часть излома свидетельствует о вязком разрушении, фасеточная часть - о хрупком. Чем больше бархатистая часть в изломе, тем лучше сталь сопротивляется хрупкому разрушению.
1.4. Работа стали под нагрузкой
1.4.1. Виды и механизм разрушения стали. Разрушение металла в зависимости от степени развития пластических деформаций может быть хрупким или пластичным (вязким).
Хрупкое разрушение происходит путем отрыва (рис. 1.11,а), без заметных деформаций, внезапно. Пластичное разрушение является результатом сдвига (рис. 1.11,6) и сопровождается значительными деформациями, которые могут быть своевременно обнаружены, и поэтому менее опасно.
Один и тот же материал может разрушаться и хрупко, и пластично в зависимости от условий работы (вид напряженного состояния, наличие концентраторов напряжений, температура эксплуатации).
При отрыве разрушаются межатомные связи. Зная силы сцепления между атомами, можно определить прочность кристалла при отрыве. Так, для стали теоретическая прочность составляет приблизительно 3300 кН/см .
Сдвинуть одну часть кристалла относительно другой значительно легче, однако и в этом случае касательные напряжения, которые необходимо приложить для смещения (рис. 1.11,в), составляют около 1300 кН/см, что намного больше предела текучести реальных металлов.
Только в лабораторных условиях удается получить нитевидные кристаллы (так называемые усы ), имеющие прочность, близкую к теоретической. Самая прочная стальная проволока имеет прочность около 400 кН/см , а прочность строительных сталей не превышает 100 кН/см .
б) in
Рис. 1.11. Виды разрушения
- отрыв; б - срез; в - схема смеи1/ения атомных слоев при сдвиге; 1 - плоскость скольжения; г - диаграммы работы материала; I - вязкое разрушение; 2 - хрупкое разрушение
1 2 3 4 5 6 7 8 ...
76
