Основные свойства металлических конструкций

Обновлено: 05.10.2024

Определение прочности, упругости и пластичности стали, а также её склонности к хрупкому разрушению. Особенности листового и фасонного сортимента металлопроката. Анализ преимуществ и недостатков металлических конструкций, применяемых в строительстве.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	16.03.2016
Размер файла	78,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

на тему: Металлические конструкции механические свойства металлов

1. Механические свойства металлов

2. Сортамент металла

3. Преимущества в недостатки металлических конструкции

Механические свойства стали определяют такие показатели, как прочность, упругость и пластичность, а также склонность к хрупкому разрушению, которое косвенно оценивается ударной вязкостью. Прочность стали определяется сопротивляемостью материала внешним силовым воздействиям. Упругость характеризуется свойством материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность -- свойство материала не возвращаться в свое первоначальное состояние после снятия внешних нагрузок, т. е. получать остаточные деформации. Хрупкость характеризуется разрушением материала при малых деформациях. К основным характеристикам металлов, по которым судят об их механических свойствах, относятся: предел пропорциональности у_пу, предел упругости у_ер;модуль упругости F; предел текучести у_у; предел прочности у_и; относительное удлинение д после разрыва; хрупкость, выносливость. Первые семь показателей определяются на основании испытания на растяжение стандартных образцов по результатам которого строят диаграмму зависимости между напряжениями и относительными деформациями.

Пределом пропорциональности называют наибольшее напряжение, при котором остается справедливым закон

где Е=tg б -- модуль упругости. Следует знать, что модуль упругости алюминиевых сплавов примерно в 3 раза меньше, чем у сталей. Предел упругости -- наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций, т. е. при снятии нагрузки полностью восстанавливаются первоначальные размеры образца. Предел текучести -- напряжение, при котором начинают развиваться пластические деформации, а на диаграмме появляется площадка текучести. Если при напряжениях, превышающих предел текучести, снять нагрузку, то в образце появятся остаточные деформации е₀, которые будут меньше полных деформаций е (при полном загружении) на величину упругих деформаций е_у (восстанавливающихся после разгружения). Если через некоторое время вновь загрузить образец, его работа изменится, предел упругости возрастет у_lp = у₀, а деформации при разрушении уменьшатся на величину предварительной вытяжки е_р --е_о, т. е. будет получен другой материал с повышенными упругими свойствами и меньшей пластичностью. Повышение упругих свойств материалов в результате предварительного пластического деформирования носит название наклепа или нагартовки и широко используется в технике при упрочнении арматурных сталей и алюминиевых сплавов.

На диаграммах растяжения низколегированных сталей и алюминиевых сплавов отсутствует ярко выраженная площадка текучести, поэтому в этих случаях за предел текучести принимают напряжения, при которых образец получает остаточную деформацию в 0,2 %.

Пределом прочности у_и, или временным сопротивлением, называют напряжение (равное отношению наибольшей силы к первоначальной площади поперечного сечения образца), при котором образец, пройдя стадию самоупрочнения, начинает разрушаться. Относительное удлинение при разрыве характеризует пластичность металла и определяется по выражению

где l_o и l_k -- соответственно длина образца до после разрыва.

Рис. Испытание на растяжение

а - схема испытаний стандартных образцов; б - диаграмма зависимости между напряжениями и относительными деформациями; 1- зона образования «шейки»; 2- диаграмма растяжения стали обычной прочности (Ст. 3); 3- то же низколегированной; 4- то же высокопрочной

Помимо относительного удлинения для оценки пластичности металла и склонности к трещинообразованию прибегают к пробе на загиб в холодном состоянии на 180° вокруг специальной оправки. Проба считается успешной, если у образца не образовались трещины, подрывы или расслоения.

Хрупкость -- способность материала разрушаться при очень малых деформациях. Показатель хрупкости--ударная вязкость, которую определяют испытанием стандартных образцов с выточкой на маятниковом копре, измеряя величину работы, затраченную на разрушение образца, отнесенную к площади его поперечного сечения. С понижением температуры ударная вязкость понижается, поэтому если конструкция будет эксплуатироваться при низких температурах, испытания проводят при отрицательных температурах (до -70 °С). Хрупкое разрушение значительно опаснее пластического, поскольку при пластических деформациях разрушение наступает постепенно, оно заметно на глаз и есть время усилить конструкцию. При хрупком разрушении материал разрушается внезапно без видимых деформаций. Следует иметь в виду, что с понижением температуры хрупкость сталей возрастает, а у алюминиевых сплавов уменьшается, что предопределяет более выгодное их использование в условиях эксплуатации при низких температурах.

Выносливость. Из практики известно, что при действии многократно повторяющихся нагрузок, включая и динамические, разрушение конструкции может наступать при напряжениях, которые значительно меньше предельных в случае статического (однократного) приложения внешней нагрузки. Такое разрушение при действии переменных напряжений называют усталостью материала. Способность сопротивляться разрушению от усталости называют выносливостью, которая определяется пределом выносливости. Пределом выносливости называют наибольшее напряжение, которое выдерживает материал при 2 млн. циклов повторяющейся нагрузки. Разрушение при потере выносливости всегда носит хрупкий характер, хотя материал может быть пластичным и иметь хорошую ударную вязкость. Это связано с образованием микротрещин, которые увеличивают хрупкость.

Элементы металлических конструкций ферм, балок, колонн образуются из профилей различной формы -- листов, уголков, двутавров, швеллеров (фасонный прокат) и т. д. Сортаментом называют каталоги профилей, которые изготавливаются и поставляются металлургическими заводами. В сортамент обычно входит более сотни профилеразмеров, но в практике строительства применяют только некоторые из них, т. е. используется сокращенный сортамент наиболее употребительных профилей. Так, стальные профили получают с помощью прокатки, гнутьем из листов в холодном состоянии и сваркой (обычно замкнутые-круглые или прямоугольные трубы). Весь прокат разделяют на листовой и фасонный.

^ Листовая сталь чаще всего используется в строительстве. Ее масса в колоннах, балках, фермах составляет 40…60 % общей массы конструкции, Большая группа (резервуары, бункеры и т, д.) так и называется -- листовые конструкции. Листовая сталь бывает толстолистовой, тонколистовой, универсальной, рулонной, полосовой, кровельной, листовой рифленой (для настилов), просечно-вытяжной (с большим количеством отверстий, не допускающих скопления пыли) и т. д. Толстолистовая сталь имеет толщину 5. 160 мм, ширину 600…3600 мм и длину до 12 м (в строительстве обычно применяют листы толщиной до 40 мм, шириной до 2400 мм и длиной до 6м).

Рис. Профили сортамента

а-е -- прокатные; и-м -- гнутые; н-т -- прессованные

Фасонный прокат поставляется в виде уголков швеллеров, двутавров (рис.22.2,д). В некоторых случаях используют специальные прокатные профили, круглые с диаметром до 250 мм и квадратные со стороной до 100 мм. Гнутые профили имеют меньшую толщину по сравнению с прокатными, что позволяет в сжатых элементах конструкций получать экономию металла до 10 %. Прессованные профили (получают в результате продавливания нагретой заготовки через специальную матрицу с отверстием по форме профиля. Двутавры и применяются в основном для изгибаемых и сжимаемых элементов (балок и колонн). Швеллеры и «зэты» хорошо работают на косой изгиб. В последнее время металлургическими заводами стали выпускаться широкополочные двутавры. Их применение наиболее перспективно, так как они могут использоваться без предварительной обработки в качестве балок и колонн, что снижает в 2--З раза трудоемкость изготовления. Очень часто применяются уголки поскольку они удобны при конструировании сечений любой конфигурации.

Применение трубчатых профилей дает существенный экономический эффект в сжимаемых конструкциях, так как они имеют примерно равную гибкость в различных плоскостях.

Профили из алюминиевых сплавов чаще всего получают: прокаткой, прессованием и гнутьем. Для предотвращения потери местной устойчивости полок алюминиевых профилей на их концах создаются специальные утолщения, называемые бульбами.

Это объясняется тем, что потеря устойчивости алюминиевых профилей наступает значительно раньше, чем у стальных из-за меньшего модуля упругости. С этой же целью края гнутых профилей отбортовываются. В последнее время осваивается производство широкополочных тавров, которые весьма эффективны при использовании в поясах ферм.

Металлические конструкции широко применяются в современном строительстве. По конструктивной схеме их разделяют на две группы: стержневые системы - колонны, балки и фермы каркасов промышленных и гражданских зданий, мосты, башни и мачты и т. д., листовые конструкций (типа оболочек) -- газгольдеры, резервуары, трубопроводы, бункеры и т. д. К преимуществам металлических конструкций относятся:

а) легкость (конструкции из металла примерно в 4 раза легче железобетонных и каменных конструкций);

б) хорошая транспортабельность;

в) высокая скорость монтажа благодаря простоте сварных и болтовых соединений; металлический конструкция прочность металлопрокат

г) индустриальность изготовления на высокомеханизированных заводах без значительных затрат ручного труда. Недостатками металлических конструкций следует считать:

а) способность подвергаться коррозии, защита от которой требует привлечения значительных средств, вследствие чего эксплуатация металлических конструкций дороже;

б) малая огнестойкость;

в) дефицитность металла.

В связи с тем, что в определенных отраслях народного хозяйства алюминиевые сплавы и стали нельзя заменить другими материалами, использование металлических конструкций в строительстве ограничено инструкцией ТП101-81 «Технические правила по экономному расходованию основных строительных материалов», хотя в принципе любое сооружение может быть выполнено из металла.

В последнее время в практике строительства получили распространение легкие металлические конструкции из трубчатых и эффективных профилей проката. Их изготавливают на специализированных заводах. Такие конструкции легче обычных на 25--50 %, а сроки их возведений значительно меньше благодаря сборке из укрупненных блоков. Легкие металлические конструкции стали применять при возведении производственных и сельскохозяйственных зданий без крановой нагрузки с пролетами 18 м.

Применение алюминиевых сплавов экономически оправданно в конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции: листовые покрытия больших пролетов, плиты покрытий и панели стен.

Целесообразно использовать алюминиевые сплавы для большепролетных покрытий типа арок и куполов, где особенно важно уменьшение собственной массы, в сейсмически опасных районах (большая сейсмостойкость вследствие малой собственной массы), в отдаленных труднодоступных районах (уменьшение транспортных расходов из-за снижения веса) и в северных и восточных районах (способность сохранять пластичность при низких температурах).

Большое распространение алюминиевые сплавы получили при изготовлении оконных переплетов, витрин, витражей и изделий для внутренней и внешней отделки зданий, так как способ прессования, применяемый для изготовления алюминиевых профилей, проще и дешевле прокатки стальных профилей.

Подобные документы

Достоинства и недостатки металлических конструкций. Классификация нагрузок и воздействий. Области применения и номенклатура металлических конструкций. Физико-механические свойства стали. Расчет металлических конструкций гражданских и промышленных зданий.

презентация [17,3 M], добавлен 23.02.2015

Повышенная склонность металла труб мартенситных сталей к хрупкому разрушению при закалке - фактор, усложняющий технологию их сварочного соединения. Марки флюсов, применяемых для электрошлаковой сварки низколегированных сталей повышенной прочности.

презентация [3,3 M], добавлен 12.06.2017

Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".

курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.03.2013

Проведение испытаний на ударный изгиб на маятниковых копрах с целью оценки склонности металла к хрупкому разрушению. Сравнение особенностей поломки материала от усталости и статической нагрузки. Определение критериев конструкционной прочности деталей.

контрольная работа [2,6 M], добавлен 29.07.2010

Производство металлических пен из расплавов металлов. Свойства пеноалюминия и пеноникеля. Применение металлических пен в машиностроении, космических технологиях, строительстве и медицине. Их использование для уменьшения концентрации нежелательных ионов.

Общие сведения о металлических конструкциях. Достоинства и недостатки. Области применения

Металлические конструкции, металлоконструкции, общее название конструкций, выполненных из металлов и применяемых в строительстве. Современные М. к. подразделяются на стальные и из лёгких сплавов (например, алюминиевых сплавов). До начала 20 в. в строительстве применялись в основном металлические строительные конструкции из чугуна (главным образом в колоннах, балках, лестницах и т.д.В современном строительстве получили распространение стальные конструкции, используемые в несущих каркасах промышленных сооружений, жилых и общественных зданий, в пролётных строениях мостов, каркасах доменных печей, газгольдерах, резервуарах, мачтах, опорах линий электропередачи и др. Конструкции из алюминиевых сплавов,. обладающие рядом достоинств (лёгкость, коррозионная стойкость, технологичность, высокие декоративные свойства), наиболее широко применяются в качестве ограждающих элементов и в виде отделочных деталей зданий. М. к. изготовляются преимущественно из профилированного и листового металла. По характеру соединения элементов между собой различают М. к. сварные, клёпаные и с болтовыми соединениями. В машиностроении обычно под М. к. подразумеваются детали, изготовленные из профилированного металла, в отличие от литых деталей и поковок.

Достоинства:

- Надежность – близкое соответствие характеристик стали нашим представлениям об идеальном упругом и упругопластическом изотропном материале, при некотором значении напряжений может быть реализована идеальная пластичность в виде площадки текучести;

- лёгкость (Р=7,85 тс/м^3);

- непроницаемость для газов и жидкостей – высокая плотность (плотность стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, различных сосудов и аппаратов);

- индустриальность (заводское изготовление 90-95%, оснащенных специальным оборудованием, а монтаж производят с использованием высокопроизводительной техники) – исключает или до минимума сокращает тяжелый ручной труд;

- ремонтопригодность (простота технического перевооружения, ремонта и реконструкции) – просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции;

- сохранность металлического фонда – в результате физического и морального износа изымаются из эксплуатации, переплавляются и снова используются в народном хозяйстве;

Недостатки:

Подверженность коррозии, малая огнестойкость (сталь начинает терять свою устойчивость при 200 о С, полностью теряет и начинает течь при 625 о С), дефицитность, и высокая стоимость.

Область применения

Использование металлических конструкций по назначению и виду конструктивной формы разделяются на восемь пунктов.

1. Листовые конструкции в виде бункеров, трубопроводов большого диаметра, резервуаров, различных сооружений доменного комплекса и газгольдеров, нефтепереработки и химического производства

2. Мосты, эстакады.. Мосты, как и большепролетные покрытия, имеют различные системы: арочную , висячую , балочную , комбинированную.

3. Промышленные здания. Конструкции одноэтажных промышленных зданий выполняются в виде смешанных каркасов или цельнометаллических

4. Большепролетные покрытия зданий. Здания общественного назначения [спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны], театры и здания производственного характера (авиасборочные цехи, лаборатории, ангары) имеют большие пролеты (до 100-150 м)

5. Крановые и другие подвижные конструкции. Сюда относятся всевозможные металлические конструкции башенных, мостовых , козловых кранов и кранов-перегружателей, конструкций крупных экскаваторов и разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений, конструкции отвальных мостов.

6. Каркасы многоэтажных зданий

7. Башни и мачты применяются для радиосвязи и телевидения, в геодезической службе, в опорах линий электропередачи. Сюда же можно отнести дымовые и вентиляционные трубы, нефтяные вышки, промышленные этажерки и надшахтные копры.

8. Прочие конструкции, которым в первую очередь можно отнести конструкции промышленности по применению атомной энергии во благо человечества, разнообразные конструкции радиотелескопов, лыжные трамплины и многие другие.

Материалы для металлических конструкций. Основные свойства сталей.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки. Углерод увеличивает прочность сплава, но понижает свариваемость. В строительных сталях содержание углерода не более 0,22%.

Достоинства – сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств. Недостатки – относительно низкая коррозионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от коррозии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.

Служебные свойства стали.

Надёжность и долговечность во многом зависит от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются свойства: прочность, упругость, пластичность, хладостойкость, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность – сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность - свойство материала сохранять несущую способность в процессе деформирования (остаточные деформации без разрушения). Хрупкость - склонность к разрушению при малых деформациях. Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твёрдость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него более твёрдого материала.

Основные прочностные характеристики – временное сопротивление Ϭ_u (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца) и предел текучести Ϭ_y (напряжение, которое соответствует остаточному относительному удлинению после разгрузки, равному 0,2%. Для сталей, не имеющих площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести). Вообще в лекциях сказано, что площадка текучести имеются только у малоуглеродистых сталей.

Упругие свойства материала характеризуют модулем упругостиE=tgα=2,06*10 4 кН/см 2 (α – угол наклона начального участка диаграммы работы стали к оси абсцисс) и пределом упругости Ϭ_с, т.е. таким максимальным напряжением, после снятия которого остаточные деформации отсутствуют.

Технологические свойства стали: свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старении, технологичность

Общая характеристика металлических конструкций.

Металлические конструкции применяются сегодня во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты, высота и нагрузки. В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно подразделить на 8 видов:

Рис.23 Мартеновский цех завода «Запорожсталь».

Конструкции одноэтажных промышленных зданий выполняются в виде цельнометаллических или смешанных каркасов, в которых по железобетонным колоннам устанавливаются металлические конструкции покрытия здания («шатер») и подкрановые пути. Такого типа конструкции применяются при наличии больших пролетов и высоты, а также в зданиях комплектной поставки – «легких металлических конструкциях». Каркасы промышленных зданий являются наиболее сложными и металлоемкими конструктивными комплексами.

Большепролетные покрытия зданий

Рис.24 Схема покрытия Олимпийского спорткомплекса (1980 г.) в Измайлове.

Здания общественного назначения – спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры имеют большие пролеты (до 100-150м), перекрывать которые наиболее целесообразно металлическими конструкциями. Системы и конструктивные формы большепролетных покрытий очень разнообразны. Здесь возможны балочные, рамные, арочные, висячие, комбинированные, причем как плоские, так и пространственные системы. К таким конструкциям предъявляют высокие эстетические требования.

Мосты, эстакады

Рис.25 Конструкция мостов:

Мостовые металлические конструкции на железнодорожных и автомобильных магистралях применяются при больших, а в отдельных районах и при средних пролетах. Как и большепролетные покрытия, мосты имеют разнообразные системы: балочную, арочную, висячую и комбинированную.

Листовые конструкции

Применяются в виде резервуаров, газгольдеров, бункеров, трубопроводов большого диаметра и различных сооружений доменного комплекса, химического производства и нефтепереработки, используется весьма широко в металлургии, нефтяной, газовой и химической промышленности (Рис.26).

Листовые конструкции являются тонкостенными оболочками различной формы. Они должны быть не только прочными, но и плотными (непроницаемыми). Они часто эксплуатируются в условиях низких или высоких температур, сталь и алюминиевые сплавы хорошо удовлетворяют этим условиям работы.

Башни и мачты.

а) проект вентиляционной башни высотой 1000м;

б) проект мачты высотой 1000м;

2- газоотводящие стволы.

Применяются для радио и телевидения, в геодезической службе, в опорах линий электропередачи (Рис.27). Сюда же можно отнести надшахтные копры, нефтяные вышки, дымовые и вентиляционные башни и трубы, промышленные этажерки. Использование стали обеспечивает этим конструкциям необходимую легкость, удобство транспортирования на место строительства и быстроту монтажа.

Каркасы многоэтажных зданий

Стальной каркас многоэтажного здания.

Многоэтажные здания с металлическим каркасом (рис.28) применяются главным образом в гражданском строительстве, в условиях плотной застройки больших городов и для некоторых видов промышленных зданий.

Механические свойства стали

Механические свойства стали во многом определяют то, в каких сферах она применяется. Именно поэтому мы можем отнести их к наиболее важным. Такие качества, как высокая прочность и способность значительно изменять форму, дают возможность применять металл практически везде: от изготовления хирургических инструментов до космической отрасли.

Для определения данных параметров применяются различные методы. Кроме того, они учитывают механические свойства не только сталей, но и их сплавов, благодаря чему данные металлы можно с уверенностью назвать универсальными и удобными в работе. О том, какие параметры данных материалов позволяют применять их в самых разнообразных сферах, поговорим далее.

Состав стали

Основными компонентами стали являются железо и углерод, на долю последнего приходится до 2,14 %. Все существующие на данный момент подобные сплавы классифицируют, исходя из их химического состава.

В производстве используются два вида стали:

Углеродистая, в состав которой, помимо основных составляющих, входят фосфор, сера, марганец, кремний. Сырье может относиться к высоко-, средне- и низколегированным маркам в соответствии с долей углерода в материале. Такой металл подходит для любых нужд, в том числе для изготовления инструмента, эксплуатируемого в условиях высоких нагрузок под постоянным напряжением.
Легированная содержит в себе железо, углерод в сочетании с легирующими элементами (такими как кремний, бор, азот, хром, цирконий, ниобий, вольфрам, титан). От состава легированной стали зависят ее механические и иные свойства, цена, качество продукции, сферы возможного применения. Сегодня можно найти жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. По структуре специалисты выделяют сырье доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Определить химические и механические свойства стали, а также область ее использования позволяет марка.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

В процессе производства в сталь вносят примеси. На основании их доли в составе сплава выделяются два типа продукции:

Обыкновенного качества, что предполагает наличие до 0,6 % углерода и соответствие металла ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Для маркировки подобной продукции используются буквы «Ст» – данное сокращение говорит о том, что сталь имеет стандартное качество. Такое сырье входит в число наиболее доступных по цене.
Качественная сталь, то есть легированная и углеродистая, которая производится по ГОСТ 1577. Маркировка обязательно содержит в себе особенности состава, количество углерода в сотых долях. Данный материал более дорогой, чем аналог обыкновенного качества, его ценят за высокую пластичность, способность противостоять механическому воздействию. Кроме того, подобный металл можно без труда варить.

Физические, химические и технологические свойства стали

Физические свойства:

Плотность, которая определяется как масса металла на единицу объема. Высокий данный показатель стальных изделий, в том числе арматуры а500с, позволяет активно использовать их для строительных нужд.
Теплопроводность, то есть способность стали обеспечивать распространение теплоты от более нагретых частей к менее нагретым.
Электропроводность – способность материала пропускать электрический ток.

Химические свойства:

Окисляемость, что предполагает возможность соединения металла кислородом. Данное свойство усиливается при нагревании стали. На сплавах, имеющих малую долю углерода, в процессе окисления под действием воды, влажного воздуха формируется ржавчина, то есть оксиды железа.
Стойкость к коррозии – способность металла не вступать в химические реакции, не окисляться.
Жаростойкость представляет собой отсутствие окислительных процессов на сплаве под воздействием высокой температуры, а также способность не образовывать окалину.
Жаропрочность – сохранение сталью прочности в условиях высокой температуры.

Технологические свойства:

Ковкость, то есть способность материала принимать заданную форму под действием внешних сил.
Обрабатываемость резанием – важное свойство стали, которое упрощает производство металлопроката, так как данный металл хорошо поддается обработке режущим инструментом.
Жидкотекучесть – способность расплава проникать в узкие зазоры, заполнять пространство.
Свариваемость – позволяет осуществлять эффективные сварочные работы, формируя надежное неразъемное соединение, лишенное дефектов.

Механические свойства стали по ГОСТу

Прочность

От данной характеристики зависит, сможет ли металл не разрушиться под действием больших внешних нагрузок. Это механическое свойство стали измеряется количественно при помощи предела текучести и прочности:

Пределом прочности называют максимальное механическое напряжение, при превышении которого происходит разрушение сплава.
Предел текучести, то есть степень механического напряжения. Превышение данного показателя вызывает дальнейшее растяжение металла без дополнительной нагрузки.

Так, при небольших деформациях металлический стержень сохраняет упругость, возвращаясь к исходной длине после снятия приложенного напряжения. Если же напряжение оказывается выше предела текучести, наблюдается пластическая деформация изделия. Иными словами – происходит необратимое удлинение стержня, после которого он не способен вернуться к исходной длине.

Растяжение стержня до разрыва позволяет установить максимальное напряжение, то есть предел прочности материала на разрыв.

Пластичность

Данное механическое свойство стали позволяет ей под действием внешней нагрузки менять форму и потом сохранять ее. Для количественной оценки этого показателя измеряют удлинение при растяжении и угол изгиба. Если во время простого испытания на изгиб металл разрушается при большом пластическом прогибе, его признают пластичным. В противном случае речь идет о хрупком сплаве.

Хорошая пластичность проявляется при испытании растяжением в виде значительного удлинения заготовки либо ее сжатия. Под удлинением понимают увеличения длины в процентном выражении после разрушения до первоначальной длины. А сужение в процентах – это сокращение площади изделия в сравнении с исходным объемом.

Вязкость

Еще одно важное механическое свойство стали, которое подразумевает способность материала справляться с динамическими нагрузками. Его оценивают количественно как отношение работы, необходимой для разрушения образца, к площади его поперечного сечения. Чаще всего понятием «вязкость» обозначают уровень, при котором происходит нехрупкое разрушение металла.

Характер разрушения может быть хрупким или пластичным – разница между этими явлениями наиболее ярко прослеживается на примере ферритных стальных сплавов. Ферритные стали и все металлы, обладающие объемно-центрированной кубической атомной решеткой, имеют общую особенность: при низких температурах им свойственен хрупкий характер разрушения, а при высоких – пластичный. Температуру перехода из одного состояния в другое специалисты обозначают как температуру вязко-хрупкого перехода.

Маркировка сталей

В машиностроении высоко ценятся механические свойства конструкционной, то есть углеродистой и легированной стали, а также высоколегированных нержавеющих сталей. При обозначении марок конструкционной легированной стали (ГОСТ 4543) первые две цифры свидетельствуют о среднем содержании углерода, которое указывается в сотых долях процента.

Буквы в маркировке имеют такую расшифровку:

Р – бор;
Ю – алюминий;
С – кремний;
Т – титан;
Ф – ванадий;
Х – хром;
Г – марганец;
Н – никель;
М – молибден;
В – вольфрам.

После буквы идут цифры, которые обозначают примерное содержание легирующего элемента в целых единицах процента. Если цифр нет, то доля конкретного вещества в металле не превышает 1,5 %. Буква «А» в конце маркировки является признаком высококачественной стали. Показателем особенно высококачественной стали является буква «Ш» через три тире.

Механические свойства нержавеющих высоколегированных сталей (ГОСТ 5632) зависят от перечисленных далее компонентов. При маркировке они обозначаются таким образом:

А – азот;
В – вольфрам;
Д – медь;
М – молибден;
Р – бор;
Т – титан;
Ю – алюминий;
Х – хром;
Б – ниобий;
Г – марганец;
Е – селен;
Н – никель;
С – кремний;
Ф – ванадий;
К – кобальт;
Ц – цирконий.

После букв идут цифры, отражающие долю легирующего элемента в составе сплава в процентах.

Для фиксации основных механических свойств сталей применяют следующие обозначения:

E – модуль упругости. Представляет собой коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и относительным удлинением.
G – модуль сдвига, также известный как модуль касательной упругости. Это коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и относительным сдвигом.
μ – коэффициент Пуассона. Является абсолютным значением отношения поперечной к продольной деформации в упругой области.
σт – условный предел текучести, то есть напряжение, при котором после снятия нагрузки остаточная деформация находится на уровне 0,2 %.
σв – временное сопротивление, известное как предел прочности. Представляет собой такое механическое свойство металла, в том числе углеродистой стали, как прочность на разрыв.
δ – относительное удлинение. Это отношение абсолютного остаточного удлинения образца после разрыва к начальной расчетной длине.
HB, HRC, HV – твердость.

Таблица механических свойств сталей разных марок

Далее представлены механические свойства стали после термической обработки.

E = 200. 210 ГПа, G = 77. 81 ГПа, коэффициент Пуассона μ = 0,28. 0,31.

Наименование

Параметры термической обработки

Предел прочности σв, МПа

Предел текучести σт, МПа

Калибровка после отжига и отпуска

После отжига и отпуска

Пруток, закалка +860 °C, отпуск +500 °C в воде, масле

Пруток, закалка и отпуск

Пруток, закалка +1020…+1 100 °C на воздухе, в масле, воде

Влияние углерода на механические свойства стали

Механические свойства углеродистой стали определяются в первую очередь количеством углерода в составе сплава. При увеличении его доли возрастает объем цементита, сокращается величина феррита. Иными словами, повышаются прочность и твердость, снижается пластичность.

Стоит оговориться, что прочность становится выше при доле углерода в пределах 1 %, а при переходе этой отметки показатель уменьшается. Данная особенность объясняется тем, что по границам зерен в заэвтектоидных сталях образуется сетка вторичного цементита, которая негативно отражается на прочности материала.

Рост доли углерода приводит к увеличению количества цементита, а он является очень твердой и хрупкой фазой. Превосходит феррит по твердости примерно в 10 раз, имея показатель 800HB против 80HB. Вот почему увеличение содержания углерода позволяет повысить такие механические свойства стали, как прочность и твердость, и снизить пластичность, вязкость.

Когда количество углерода доходит до 0,8 %, возрастает доля перлита в сплаве от 0 % до 100 %, вызывая повышение твердости, прочности. Однако не стоит забывать, что последующий рост количества углерода вызывает образование вторичного цементита по границам перлитных зерен. Это явление мало влияет на твердость, но негативно сказывается на прочности, так как цементитная сетка очень хрупкая.

Повышение доли углерода отражается не только на механических, но и на физических свойствах стали. Снижается плотность, теплопроводность, магнитная проницаемость, тогда как удельное электросопротивление, коэрцитивная сила увеличиваются.

С ростом количества углерода происходит повышение порога хладноломкости, а именно: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Поэтому сталь с долей углерода в 0,4 % при нулевой температуре становится хрупкой, из-за чего считается недостаточно надежной.

В железоуглеродистом сплаве содержится преимущественно связанный углерод в форме цементита. Тогда как в чугунах он присутствует в свободном состоянии в виде графита. Увеличение доли данного компонента приводит к изменению свойств металла: возрастает твердость, прочность, снижается пластичность.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Свойства металлических изделий

Свойства металлических изделий зависят от металлов, входящих в их состав. Речь идет про тепло- и электропроводность, хрупкость или, наоборот, пластичность, а также свариваемость, ковкость и другие. Металлические изделия широко используются как в промышленности, так и в быту.

Выбор металлов определяется назначением изделия и тем, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Более подробно о свойствах металлических изделий читайте в нашем материале.

Общая характеристика металлических изделий

Современная металлургическая промышленность предлагает большое разнообразие видов металлических изделий. К самым распространенным из них относится металлический прокат, то есть изделия, которые производят на специальных станках методом горячей либо холодной прокатки.

Все разновидности металлического проката объединяются общим понятием «сортамент». Сортамент принято разделять на четыре группы: листовой, сортовой, трубы и специальные виды проката. К последним относятся бандажи, колеса, шары, периодические и гнутые профили. По способу обработки поверхности выделяют калиброванный, шлифованный, зеркальный и матовый сортамент.

Говоря о свойствах металлических изделий, стоит отметить, что сортовой прокат обладает самой разнообразной номенклатурой, где принято выделять простые и фасонные профили.

Прокатные цеха изготавливают примерно две тысячи размеров простых профилей, более тысячи фасонных общего потребления, а также около полутора тысяч размеров профилей специального назначения. Простыми называют профили с сечением в виде геометрических фигур, таких как круг, полукруг, овал, сегмент, шестигранник, квадрат, треугольник, полоса плоского сечения, пр.

Прокат сложного поперечного сечения обозначают как фасонные профили. В данной группе выделяют профили общего или массового потребления и специального назначения. К первым относятся уголки, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили, пр. Тогда как вторые представлены трамвайными и железнодорожными рельсами широкой и узкой колеи, профилями сельскохозяйственного машиностроения, нефтяной и электропромышленности, пр. Из цветных металлов обычно производятся простые профили.

Размеры являются еще одним важным нюансом, о котором не стоит забывать, говоря на тему свойств металлических изделий. Сортовой прокат делят на:

Крупный. Сюда относят круглую сталь диаметром 80–250 мм, квадратную со стороной 70–200 мм, периодические арматурные профили № 70–80, угловая сталь с шириной полок 90–250 мм, швеллеры и двутавровые балки обычные и облегченные высотой 360–600 мм. Также в эту категорию входят специальные широкополочные двутавры и колонные профили высотой в пределах 1 000 мм, шестигранная сталь до № 100, железнодорожные рельсы массой 43–75 кг на метр длины изделия, полосовая сталь шириной не более 250 мм, пр.
Средний. Речь идет о круглой стали диаметром 32–75 мм, квадратной со стороной 32–65 мм и шестигранной до № 70. Здесь же представлен стальной периодический арматурный профиль № 32–60, двутавровые балки высотой до 300 мм, швеллеры высотой 100–300 мм, рельсы узкой колеи Р18 – Р24, штрипсы с сечением до 8×145 мм и фасонные профили.
Мелкий. Такая круглая сталь имеет диаметр 10–30 мм, квадратная со стороной 3,2–31 мм, сюда же относят периодический арматурный профиль.

В качестве элементов строительных конструкций применяют листовую и сортовую сталь. Нередко используют вторичные профили, то есть сварные, для изготовления которых соединяют полосы или листы, и гнутые. Для изготовления вторых прибегают к холодной гибке полос и листов.

Технологические свойства металлических изделий

Технологические свойства металлов являются частью их общих физико-химических свойств. Их важно учитывать во время проектирования и производства изделий с улучшенными характеристиками для данного металла или сплава.

Вот ключевые технологические свойства материалов и металлических изделий:

Обрабатываемость резанием. Предполагает возможность обработки металла или сплава при помощи резца, абразива. Для оценки этого показателя учитывают скорость затупления резца во время работы на определенных режимах резания при получении поверхности необходимой шероховатости. Данный параметр фиксируют в процентах от обрабатываемости стали или свинцовистой латуни повышенной обрабатываемости резанием – здесь все зависит от того, идет речь о сталях или о медных сплавах.
Обрабатываемость давлением в горячем и холодном состоянии. Для замера данного показателя используют различные технологические пробы: на осадку, на изгиб, на вытяжку сферической лунки, пр. Обязательно учитываются пластичность, твердость, упрочнение материала при конкретной температуре обработки.
Свариваемость. Так называют способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения, соответствующие необходимым механическим характеристикам. Для оценки свариваемости сопоставляют качества сварных соединений со свойствами основного материала металлического изделия. Чем больше методов сварки может использоваться при работе с конкретным металлом и чем шире выбор среди режимов такой обработки, тем выше показатель свариваемости. Данную характеристику проверяют за счет рассмотрения структуры, механических свойств, вероятности растрескивания металла шва в зоне шва.
Литейные свойства. Речь идет о сочетании таких показателей, как температура плавления, кипения, заливки и кристаллизации, плотность и жидкотекучесть расплава, литейная усадка, пр.
Жидкотекучесть представляет собой способность металла заполнять литейную форму и зависит от вязкости, поверхностного натяжения, температуры заливки расплава. Если этот показатель высокий, удается легко заполнить расплавом сложную литейную форму.
Усадка является разницей между моделью и отливкой в соответствии с их линейными размерами. Чем она ниже, тем меньше вероятность, что в металле появятся усадочные раковины.

Пластичность, также известная как деформируемость, обозначает способность металла изменять форму в результате гибки, ковки, штамповки, прессования таким образом, чтобы не страдала целостность материала заготовки. За счет оптимальных показателей и учета данного свойства удается производить металлические изделия без видимых и скрытых дефектов.
Упрочняемость металлов и сплавов зависит от их способности становиться более прочными в результате термической, механической обработки.
Закаливаемость – это повышение твердости стали в процессе закалки. Есть разновидности металла с плохой закаливаемостью – они остаются недостаточно твердыми после подобной обработки.

Углеродистые стали отличаются высокой критической скоростью, из-за чего страдает прокаливаемость. Учитывая данное свойство, их не используют для производства массивных металлических изделий, так как здесь важны хорошие механические характеристики по всему сечению. Для таких целей обычно выбирают легированную сталь, поскольку она отличается более высокой прокаливаемостью.

Термическое старение предполагает изменение растворимости углерода в железе в зависимости от температуры. Деформационное старение происходит в сплаве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже показателя рекристаллизации. В обычных условиях подобный процесс занимает не менее 15 суток, тогда как при +200…+350 °C на него уходит несколько минут.

Перед проведением искусственного старения закаленных и отпущенных при низкой температуре изделий осуществляют механическую обработку при +100…+180 °C. Последняя предполагает выдержку в течение 18–35 часов и постепенное охлаждение. Естественное старение происходит на открытом воздухе под навесом, где металлические изделия меняют свои свойства на фоне перепадов температуры, влажности, давления воздуха. На весь процесс уходит от трех месяцев до двух лет. Именно так защищают от дальнейших изменений станины прецизионных станков, корпусные детали ответственного назначения, рамы роялей и пианино. В результате снижается внутреннее напряжение металлов, стабилизируются размеры и форма заготовки.

Механические свойства металлических изделий

Речь идет о характеристиках материала, позволяющих ему противостоять воздействию внешних сил. Такие нагрузки бывают статическими, динамическими или циклическими, то есть повторно-переменными. По направлению действия силы принято выделять деформации растяжения, сжатия, изгиба, скручивания и среза. В реальной жизни изделие испытывает на себе воздействие сразу нескольких сил, при этом возникает упругая или пластическая деформация. Первая является обратимой, тогда как вторая необратима.

Основными механическими свойствами металлических изделий считаются прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость. Также на производствах определяют усталость или выносливость металлов, ползучесть и другие показатели.

Статические испытания на растяжение позволяют оценить следующие прочностные свойства материала: предел пропорциональности, упругости, текучести, прочности. Также рассматривается пластичность, которая предполагает относительное удлинение и относительное сужение образца. Для испытания используют образцы, отвечающие требованиям ГОСТ по форме и размерам. В процессе проверки на растяжение их растягивают до разрыва при помощи плавно возрастающей нагрузки. А напряжение, при котором происходит течение пластичного металла/сплава, является пределом текучести и выражается в МПа.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Твердостью называют способность твердого тела противостоять внедрению в его поверхность другого более твердого тела. На производствах в этом случае принято пользоваться тремя методами испытания – все они названы в честь своих изобретателей. Речь идет о методах Бринелля (НВ), Роквелла (HRA, HRB, HRC) и Виккерса (HV). Они позволяют косвенно судить о прочности материалов, стойкости к износу. Также перечисленные подходы дают возможность контролировать качество и сохранение необходимых свойств металлических изделий после термического и химико-термического воздействия и обработки давлением.

Способность металлов сопротивляться ударным, циклическим (повторно-переменным) нагрузкам и нагрузкам при высоких температурах считаются основными свойствами.

Для определения ударной вязкости прибегают к помощи маятниковых копров, где перебивается стандартный образец с надрезом. По работе, затраченной на излом образца (в ДЖ), можно судить об ударной вязкости металла или сплава (KCU, KCV и КСТ).

Циклические испытания на усталость помогают оценить те материалы и детали оборудования, которые испытывают многократные повторно-переменные нагрузки. Речь идет о нагружении – разгружении, растяжении – сжатии, закручивании в противоположные стороны, пр. Усталостному разрушению подвержены, например, пружины, рессоры, валы, шатуны. Способность материала противостоять усталости называют выносливостью. Она оценивается числом циклов нагрузка – разгрузка, которые металл способен выдержать до наступления усталостного разрушения.

Функционирование деталей в условиях высокой температуры и нагрузки приводит к ползучести материала. Тогда наиболее значимым свойством металлического изделия становится стойкость сплава к ползучести.

Физические свойства металлических изделий

В стандартных условиях все металлы, кроме франция и ртути, имеют твердое состояние. Нагревание до определенной температуры приводит к их плавлению, а достижение еще более высоких показателей вызывает переход в газообразное состояние. Твердость, температура плавления металлов зависят от их пространственной кристаллической решетки. Наиболее мягкими являются щелочные металлы – их можно разрезать даже ножом. Самыми твердыми считаются металлы VIВ-группы, главным представителем которой является хром. По твердости он близок к алмазу и может резать стекло.

Такое свойство металлических изделий, как электропроводность, объясняется наличием в металле свободных электронов – наложение электрического тока приводит к их направленному перемещению. Металлы являются проводниками первого рода, так как сохраняют изначальную структуру при проведении тока. Нагревание приводит к снижению электропроводности, поскольку колебательное движение ионов усиливается, соответственно, перемещение электронов затрудняется. Охлаждение позволяет повысить электропроводность, при абсолютном нуле она стремится к бесконечности. Данное явление принято называть сверхпроводимостью.

Теплопроводность представляет собой характеристику, которая обеспечивается взаимодействием электронов проводимости с ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Описанная выше электропроводность и теплопроводность взаимосвязаны – если у металла высокий первый показатель, то и второй находится на аналогичном уровне.

Пластичность – это легкость деформации металлов, которая проявляется наиболее ярко при высоких температурах. Дело в том, что под внешним воздействием одни слои в кристаллах легко перемещаются относительно других, что не приводит к разрыву. Данное свойство позволяет изготавливать такие металлические изделия, как листы, проволока, кроме того, металлы можно ковать и прессовать. Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Чтобы произошла деформация материалов с механической прочностью, изделия из них должны испытывать серьезные нагрузки.

По плотности металлы делят на легкие и тяжелые. Если данный показатель ниже 5 г/см 3 , металл относят легким, при его превышении – к тяжелым. Самым легким является литий, его плотность составляет 0,53 г/см 3 , а самым тяжелым – осмий с плотностью 22,6 г/см 3 . Легкими считаются щелочные, щелочноземельные металлы, а еще бериллий, алюминий, скандий, иттрий и титан, тогда как все остальные называют тяжелыми.

Магнитные свойства имеют все металлические изделия, так как металлы являются магнетиками. Они изменяют либо приобретают магнитный момент под действием стороннего магнитного поля. Магнитные свойства измеряют при помощи остаточной индукции, коэрцитивной силы и магнитной проницаемости, также известной как магнитная восприимчивость.

На основе магнитных свойств металлы делят на три группы:

Диамагнетики – выталкиваются из магнитного поля и ослабляют его.
Парамагнетики – втягиваются в магнитное поле, усиливают его, но незначительно.
Ферромагнетики – способны серьезно усиливать магнитное поле.

В первую категорию входят медь, серебро, золото, кремний, бериллий и металлы подгруппы цинка, галлия, германия. Они выделяются отрицательной магнитной восприимчивостью, а под действием внешнего магнитного поля в них возникает направленная навстречу ему намагниченность.

Ко второй группе относят металлы с небольшой положительной восприимчивостью, это преимущественно щелочные и щелочноземельные. Они намагничиваются в направлении внешнего поля. Ферромагнетики – это металлы с высокой магнитной восприимчивостью, а именно железо, кобальт, никель.

Нужно понимать, что существуют металлы и сплавы, которые не относятся ни к одной из данных групп. Это ряд редкоземельных металлов, которых называют антиферромагнетиками, и ферриты, то есть соединения оксида железа, пр.

Читайте также: