Свойства и работа строительных сталей и алюминиевых сплавов

Обновлено: 12.05.2024

Зависимость между напряжениями и деформациями для различных материалов устанавливается экспериментально.

Диаграмма растяжения стали
Рис. 8.1. Диаграмма растяжения стали. 1 – малоуглеродистые стали (стали обыкновенной прочности), 2 - стали высокой прочности; 3 - поликристалл железа sм – предел прочности (временное сопротивление); sт – предел текучести; sl – предел пропорциональности; s02 – условная граница текучести

, где s, МПа – нормальное напряжение; Е – модуль упругости; e – относительное удлинение образца после разрыва является показателем пластичности. Для малоуглеродистых сталей – e = 20¸25%; для высокопрочных сталей – e = 8¸10%.

При sт/sм=0,8 высокопрочные стали

Характер деформаций стали под действием нагрузки определяется совместными деформациями ее составных частей (феррита и перлита). Перлит размещается между зернами феррита в виде слоев и отдельных включений. На начальных стадиях загрузки пластические деформации зерен феррита сдерживаются сопротивлением слоев перлита. При напряжениях, равных пределу текучести, сопротивление перлита преодолевается. Происходит общий сдвиг. На диаграмме появляется участок текучести.

У высокопрочных сталей сопротивление перлитовых включений, легирующих элементов и их соединений настолько велико, что участок текучести не проявляется. В этом случае отмечают условную границу текучести s02. Когда относительное удлинение достигает определенной величины (около 2,5%), материал перестает течь и становится снова способным сопротивляться. Диаграмма растяжения становится криволинейной. С увеличением нагрузки при пластических деформациях связь между частями кристаллов на плоскостях скольжения уменьшается. Согласно этому уменьшается и модуль деформации, диаграмма становится все более пологой, пока не будет достигнут предел прочности sм, при которой металл разрушается.

При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, которые называются линиями текучести или линиями Чернова-Людерса, идущие под углом 45° к линии растягивающих усилий. Направление их совпадает с направлением максимальных касательных напряжений.

Разрушение бывает вязкое (пластичное) - от смещения; хрупкое - вследствие отрыва и смешанное.

Касательные напряжения и пластические деформации - причина вязкого разрушения. Хрупкое разрушение является следствием развития упругих деформаций металла до величины разрушающих в условиях, когда затруднены пластические сдвиги. В этом случае наблюдается разрыв межатомных связей кристаллической решетки зерен при очень незначительных сдвигах в отдельных зернах.

Работа стали на сжатие

При работе на сжатие металл ведет себя также, как и при растяжении. Значения предела текучести, модуля упругости и длины участка текучести равны показателям при растяжении. То есть, сталь хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие. Это очень важная особенность.

Основными показателями сопротивления металла силовым воздействиям являются нормативные сопротивления Ryn и Run, установленные в соответствии с пределом текучести (или условным пределом текучести) и пределом прочности.

Значение Ryn и Run регламентируются нормами проектирования. При этом учитывается статистическая изменчивость сопротивлений. Нужно, чтобы обеспеченность составляла не менее 0,95.

Гистограмма распределения прочности металла
Рис. 8.2. Гистограмма распределения прочности металла.

Значение нормативного сопротивления принимают в зависимости от характера работы конструкции и свойств стали.

В большинстве случаев при вычислениях пользуются нормативным сопротивлением по пределу текучести, т.к. при превышении напряжениями предела текучести в элементах, изгибающихся или растягивающихся, развиваются пластические деформации и наблюдаются большие перемещения. Сжатые элементы теряют устойчивость. В случаях, когда применяются пластичные сплавы и согласно характеру работы конструкции допускаются значительные деформации, нормативное сопротивление принимают по пределу прочности.

Расчетное сопротивление определяют путем деления нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по материалу gm.

Этот коэффициент учитывает:

то, что механические свойства металлов проверяются на металлургических заводах путем выборочных испытаний и в конструкции может попасть металл со свойствами ниже, чем установлены стандартами;

механические свойства контролируют при осевом растяжении на небольших образцах, а в действительности металл работает в крупноразмерных конструкциях при сложных напряженных состояниях;

сортамент металлопроката может иметь отрицательные (минусовые) допуски к размерам.

Значение коэффициента надежности по материалу gm зависит от статистических данных об однородности металла. Для углеродистых сталей, которые массово выпускаются длительное время по хорошо отработанной технологии и для которых хорошо известно, как они ведут себя в конструкциях, значения gm наименьшие gm = 1,025. Ведь для новых сталей gm = 1,15. Значение нормативных Ryn, Run и расчетных Ry, Ru сопротивлений и коэффициентов надежности по материалу помещены в СНиП II-23-81*. Указанные сопротивления служат для оценки прочности элементов конструкций на действие растяжения, сжатия и изгиба.

Для других напряженных состояний: смещение (Rs), смятие торцевой поверхности (Rp), растяжение поперек толщины проката (Rth) - нормативные документы устанавливают другие значения сопротивлений.

Свойства и работа строительных сталей и алюминиевых сплавов

Металлические строительные конструкции изготовляют в основном из сталей или алюминиевых сплавов. Значительно реже из чугуна. Использование материалов из алюминия и цветных металлов ограничено в связи с их высокой стоимостью.( Строительные материалы из чугуна – опорные части колонн, тюбинги – укрепляющие своды тоннелей, трубы, радиаторы, санитарно-технические изделия. Перечень материалов ограничен, т.к чугун обладает существенными недостатками – высокой плотностью и хрупкостью. Чугун хорошо работает на сжатие и обладает высокой коррозионной стойкостью, однако малая прочность при растяжении, хрупкость материала и плохая свариваемость привели к тому, что в настоящее время чугун практически не применяется для строительных конструкций. Чугунные конструкции можно встретить в зданиях и сооружениях, построенных в XIX и XX вв. В настоящее время из чугуна делаются тюбинги метро. Применяется чугун иногда в литых деталях опор тяжелых конструкций. Весьма редко в современном строительстве используют архитектурно- художественные детали, полученные способ литья из чугуна: детали оград, решёток, кронштейнов, фонарей и др. Наиболее распространены в строительстве материалы из стали. Профили применяют различного сечения, полученные способом проката. Заметно снижается масса ряда металлических конструкций, повышаются их прочность и надёжность при внедрении гнутых профилей, сортамент которых достаточно разнообразен: двутавры, швеллеры, равнополочные уголки, листовая сталь. Листовую сталь изготавливают с плоской, волнистой и рифлёной поверхностью)

Предпосылки и области применения МК.

Области применения: Промышленные здания;

Ø Большепролетные покрытия зданий;

Ø Мосты и эстакады;

Ø Листовые конструкции

Ø Башни и мачты;

Ø Каркасы многоэтажных зданий;

Ø Крановые и другие подвижные конструкции;

Ø Прочие конструкции (по использованию атомной энергии, радиотелескопы, стационарные платформы для разведки и добычи нефти в море и др.).

Основные требования, предъявляемые к металлическим конструкциям

1. Условия эксплуатации.

2. Экономия металла (высокая стоимость).

3. Транспортабельность (перевозка по частям или целиком с применением соответствующих транспортных средств).

4. Технологичность – использование современных технологических приемов, обеспечивающих снижение трудоемкости.

5. Скоростной монтаж. Сборка в наименьшие сроки.

6. Долговечность – определяется сроками физического и морального износа.

7. Эстетичность. Конструкция должна обладать гармоничными формами. Основным принципом проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышение производительности труда при изготовлении, снижение трудоемкости и сроков монтажа, которые определяют стоимость конструкции.

Свойства и работа строительных сталей и алюминиевых сплавов

Для строительных металлических конструкций используется в основном малоуглеродистая сталь, реже высокоуглеродистая сталь и алюминиевые сплавы. В некоторых видах элементов конструкций, где требуется высокая износоустойчивость при работе на сжатие также используется чугун. Сталь обладает почти идеальным комплексом свойств для использования в строительных конструкциях: сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств.. Наиболее важными для работы являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность. К достоинствам алюминиевых сплавов относятся малая плотность (почти в 3 раза меньше, чем у стали) при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии, сохранение высоких упругопластических свойств при низких температурах. Однако низкий модуль упругости приводит к повышенной деформативности алюминиевых конструкций и ухудшает их устойчивость, а падение прочностных свойств алюминиевых сплавов при температуре 300 °С снижает огнестойкость. Алюминий: + плотность почти в 3 раза меньше, чем у стали при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии, сохранение высоких упругопластических свойств при низких температурах. - повышенная деформативность, низкая огнестойкость. Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяют- ся испытанием стандартных образцов (прямоугольного или круглого сечения) на растяжение с записью диа- граммы зависимости между напряжением σ и eотносительным удлинением Основными прочностными характеристиками и иsметалла являются временное сопротивление у.sпредел текучести и - это наибольшееs Временное сопротивление Ø условное напряжение в процессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения). у - напряжение, при которомs Предел текучести Ø деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести - металл «течет». Для металлов, не имеющих площадки текучести, 02, т.е. такое s определяется условный предел текучести напряжение, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2 %.

5. . Достоинства и недостатки металлоконструкций:

Достоинства: Надежность; Легкость Долговечность. Индустриальность; Газо-, водонепроницаемость; Экономия металла; Транспортабельность; Технологичность; Скоростной монтаж;

Недостатки: Коррозия (сталь, алюминий, чугун); Низкая огнестойкость;- Снижение пластических свойств при низких- температурах

1. Условия эксплуатации.

Транспортабельность (перевозка по частям или целиком с применением соответствующих транспортных средств).

Технологичность – использование современных технологических приемов, обеспечивающих снижение трудоемкости.

Скоростной монтаж. Сборка в наименьшие сроки.

Долговечность – определяется сроками физического и морального износа.

Эстетичность. Конструкция должна обладать гармоничными формами.

Основным принципом проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышение производительности труда при изготовлении, снижение трудоемкости и сроков монтажа, которые определяют стоимость конструкции.

Достигается это путем использования низколегированных и высокопрочных сталей, экономичных прокатных и гнутых профилей, внедрения в строительство пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т. п. конструкций, совершенствованием методов расчета и изысканием конструктивных оптимальных решений с использованием ЭВМ. Кроме того, разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов - колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных проемов, радиомачт, башен, опор линии электропередачи, резервуаров т.п.

Для строительных металлических конструкций используются, в основном, стали и алюминиевые сплавы.

Наиболее важными для работы являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения.

Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.

Пластичность – свойство материала сохранять деформативное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

Хрупкость – склонность разрушаться при малых деформациях.

Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки.

Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.

Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением Ơ и относительным удлинением ε.

Диаграммы растяжения различных металлов показаны на рис.1.1,б.

1.3. Классификация сталей

По прочностным свойствам стали условно делятся на три группы: обычной (Ơ у = 29 кН/см), повышенной (Ơ у = 29-40 кН/см) и высокой прочности (Ơ у > >40 кН/см).

Повышение прочности стали, достигается легированием и термической обработкой.

По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца.

Рис.1.1. К определению механических характеристик металла:

а – образец для испытания на растяжение; б – к определению

предела пропорциональности и предела упругости

Углерод (У) повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У < 0,22%).

Легированные стали помимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее, поэтому в строительстве используют низколегированные стали с содержанием добавки не более 5%.

Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).

Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Марганец повышает прочность, снижает вредное влияние серы. При содержании марганца > 1,5% сталь становится хрупкой.

Медь повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии. Содержание меди > 0,7% способствует старению и хрупкости стали.

Хром и никель повышают прочность стали, без снижения пластичности

и улучшают ее коррозионную стойкость.

Алюминий раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.

Азот в несвязном состоянии способствует старению стали, делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009%.

Фосфор относится к вредным примесям так как, повышает хрупкость стали. В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и

термообработанные (закалка в воде и высокотемпературный отпуск).

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.

Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Полуспокойная сталь – промежуточная между кипящей и спокойной.

Прочность - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения.

Читайте также: