Материалов в конструкциях

ПРАКТИКА ПСК

№ 1

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

КОНСТРУКЦИЙ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И РАБОТА

МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ

1.1. Требуемые свойства металлов и методы их оценки

Для строительных металлических конструкций используется в основном малоугле­родистая сталь и алюминиевые сплавы.

В опорных частях тяжелых конструкций при действии больших сжимающих усилий применяются отливки из литой углеродистой стали и серого чугуна. Для висячих и предварительно напряженных конструкций используются также тросы и пучки из вы­сокопрочной проволоки и стержни из арматурной стали.

Сталь обладает почти идеальным комплексом свойств для использования в строитель­ных конструкциях: сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, одно­родность механических свойств. Основные недостатки стали: относительно низкая корро­зионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от корро­зии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.

К достоинствам алюминиевых сплавов относятся малая плотность (почти в 3 раза меньше, чем у стали) при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии и 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.

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 он иногда в литых деталях опор тяжелых конструкций.

Надежность и долговечность металлических конструкций во многом зависят от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются механические свой­ства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому 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 деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

Хрупкость — способность 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 (прямоугольного или круглого сечения) на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряже­нием и относительным удлинением , где ; F — нагрузка; А — первоначальная площадь поперечного сечения образца; l₀— первоначальная длина ра­бочей части образца; — удлинение рабочей части образца.

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

Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопро­тивление и предел текучести

Временное сопротивление — это наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначаль­ной площади поперечного сечения).

Предел текучести — напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести — металл «течет». Для металлов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести 0, 2, т.е. такое напряжение, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0, 2 %.

Если металл подвергается действию циклически меняющихся напряжений (напри­мер, чередующихся растяжения и сжатия), то при достаточно большом числе циклов разрушение может произойти при напряжении меньше временного сопротивления и даже предела текучести. Это явление называется усталостью металла. Склонность метал­ла к усталостному разрушению устанавливается на основании результатов вибрацион­ных испытаний.

Мерой пластичности материала служит относительное остаточное удлинение при разрыве 5. Перед разрушением в образце в месте разрыва образуется «шейка», попере­чное сечение образца уменьшается и в зоне шейки развиваются большие местные пла­стические деформации. Относительное удлинение при разрыве складывается из равно­мерного удлинения на всей длине образца и локального удлинения в зоне шейки . Последнее зависит от размеров и формы образца, наличия местных дефектов и других случайных факторов, поэтому более показательной характеристикой пластично­сти является равномерное относительное удлинение . Мерой пластичности может служить также относительное сужение при разрыве, %:

где А и А_о — первоначальная и конечная после разрыва площади сечения образца.

Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е = tg , где — угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости , т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.

Несколько ниже находится предел пропорциональности — напряжение, до которого материал работает линейно по закону Гука

(1.1)

В известной степени и являются условными напряжениями, значения которых зависят от точности определения. Обычно принимают, что предел пропорционально­сти соответствует напряжениям, при которых Е = tga уменьшается в 1, 5 раза, а предел упругости — напряжениям, при которых относительная деформация составляет 0, 05 % (рис. 1.1, в).

Склонность металла к хрупкому разрушению оценивается по результатам испыта­ния на ударную вязкость на специальных маятниковых копрах (рис. 1.2). Под действием удара молота копра образец разрушается. Ударная вязкость КС определяется затрачен­ной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения, и измеряется в Дж/см².

Для сопоставимости результатов испытания проводятся на стандартных образцах при определенных температурах. Для тонкого металла используют образцы толщиной 5 мм. Один и тот же материал может разрушаться как вязко, т.е. с развитием значитель­ных пластических деформаций, так и хрупко, в зависимости от целого ряда факторов (см. подразд. 1.2.1). Для ужесточения условий испытаний и повышения концентрации напряжений в образцах делают надрез (U- или V-образный) или трещину. В местах надреза напряжения резко повышаются (возникает концентрация напряжений), что способствует переходу металла в хрупкое состояние.

Таким образом, ударная вязкость является комплексным показателем, характеризу­ющим состояние металла (хрупкое или вязкое), сопротивление динамическим (удар­ным) воздействиям и чувствительность к концентрации напряжений, и служит для сравнительной оценки качества материала.

В сечении разрушенного образца можно выделить две зоны: первая зона с волокни­стой структурой характеризует пластическую составляющую, вторая зона с кристаллическим изломом — хрупкую. Чем более пластичен материал, тем больше пластическая составляющая. Качественной характеристикой состояния материала служит процент волокнистости в изломе В, %.

Помимо испытаний на ударную вязкость для оценки склонности металла к хрупко­му разрушению используются и другие методы.

Ползучесть в металлах, применяемых в строительных конструкциях, проявляется в основном при высоких температурах, а также для термообработанных высокопрочных сталей. Оценка степени ползучести производится по результатам длительных испыта­ний образцов на растяжение.

Основной способ соединения элементов металлических конструкций — сварка, по­этому важнейшим требованием, предъявляемым к металлам строительных конструк­ций, является свариваемость. Оценка свариваемости производится по химическому со­ставу (углеродному эквиваленту), а также путем применения специальных технологи­ческих проб.

Долговечность металлических конструк­ций определяется в первую очередь корро­зионной стойкостью металла. Сопротивля­емость металла коррозионным повреждени­ям зависит от химического состава и про­веряется путем длительной выдержки об­разцов в агрессивной среде. Мерой корро­зионной стойкости служит скорость корро­зии по толщине металла, мм/год.

С течением времени свойства стали не­сколько меняются: увеличиваются предел

текучести и временное сопротивление, снижается пластичность, сталь становится бо­лее хрупкой. Это явление называется старением стали (см. подразд. 1.3). Склонность ста­ли к старению оценивается по результатам испытания на ударную вязкость искусствен­но состаренных образцов (после механического старения).

При изготовлении и монтаже металлических конструкций широко используются такие операции, как гибка, резка, строжка, сверление отверстий, связанные с процес­сами упругопластического изгиба, скалывания, обработки резанием, термическим воз­действием. Для качественного выполнения этих операций металл должен иметь соот­ветствующие технологические свойства. Так, повышенная твердость затрудняет сверле­ние и механическую резку, недостаточная вязкость приводит к возникновению в гну­тых деталях трещин, термическое воздействие ускоряет процесс старения металла и способствует его переходу в хрупкое состояние.

Оценка технологических свойств металла производится по химическому составу. В за­висимости от содержания отдельных элементов устанавливается режим огневой резки и сварки.

Влияние пластических деформаций и термического воздействия на охрупчивание металла определяется по результатам испытаний на ударную вязкость после искусст­венного старения. Для этого образец подвергается растяжению до остаточного удлине­ния 10% и последующему отпуску в печи при температуре 250 °С.

Для предотвращения возникновения трещин при изготовлении гнутых деталей про­водятся испытания на холодный изгиб. Плоский образец (рис. 1.3) загибается вокруг оправки определенного диаметра на 180°, при этом на внешней стороне образца не должны появляться трещины. Испытание дает качественную оценку вязкости металла.

Расчет конструкций на прочность для обеспечения их надежности основывается на минимальных значениях прочностных характеристик. Оборудование же для механиче­ской обработки металла (сверление, строжка, механическая резка и т.д.) с учетом возможного разброса свойств должно быть рассчитано на максимальные значения ха­рактеристик. Для сокращения затрат на увеличение мощности оборудования и повыше­ния скорости обработки целесообразно ограничить верхние границы прочностных ха­рактеристик и прежде всего временного сопротивления.

Значения показателей основных свойств металлов устанавливаются в государствен­ных стандартах (ГОСТах) и технических условиях (ТУ). В необходимых случаях при за­казе металла оговариваются дополнительные требования по тем или иным свойствам.

Из физических характеристик металлов с точки зрения работы строительных конст­рукций наиболее важными являются плотность, модуль упругости при растяжении, модуль упругости при сдвиге, коэффициент поперечной деформации и коэффициент линейного расширения. Значения этих характеристик приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1