Тема_2отв мнацак. 2 Матеріали металевих конструкцій

• Название: 2 Матеріали металевих конструкцій
• Анкор: Тема_2отв мнацак.doc
• Дата: 16.08.2018
• Размер: 1.02 Mb.
• Имя файла: Тема_2отв мнацак.doc
• Тип: Документы; #23087

Тема 2. Основні властивості та робота сталі у конструкціях

2.1. Матеріали металевих конструкцій

Загальні відомості про матеріали металевих конструкцій

95 % всього обсягу металевих конструкцій виготовляється з прокатної сталі, близько 5 % з алюмінієвих сплавів.

Обсяг використання алюмінієвих сплавів у будівництві зростає з року в рік. Перевага алюмінієвих сплавів – ширша сировинна база, менша густина, вища корозійна стійкість, простота формоутворення профілів.

Сталь – це сплав заліза з вуглецем і незначними домішками, які вносяться з рудою та пальним або які вводяться спеціально для покращення властивостей.

Ці компоненти, які вводять спеціально, називають легуючими компонентами.

Сталі поділяють на:

1. 
   Вуглецеві, де легуючі компоненти не вводяться.
   
2. 
   Низьколеговані – сумарний вміст легуючих компонентів не перевищує 2,5%.
   
3. 
   Середньолеговані – 2,5 – 10% легуючих елементів.
   
4. 
   Високолеговані – легуючих домішок понад 10%.
   

Найчастіше у будівництві застосовують вуглецеві та низьколеговані сталі.

Вуглецеву сталь поділяють на

• 
  маловуглецеву з вмістом вуглецю до 0,25%;
  
• 
  середньовуглецеву – 0,25 – 0,6 %;
  
• 
  високовуглецеву – 0,6 – 2 %.
  

У будівництві застосовують маловуглецеві сталі. Середньовуглецеві та високовуглецеві сталі дуже широко використовують у машинобудуванні як конструкційну та інструментальну.

Кількість вуглецю має вирішальний вплив на механічні властивості сталей. Збільшення вмісту вуглецю зумовляє зростання міцності, але знижує пластичність та зварюваність сталі. Підвищує міцність без зниження пластичності марганець. Його кількість становить 0,3 … 0,65 %. Кремній підвищує міцність, але зменшує зварюваність і стійкість до корозії. Вміст кремнію не повинен перевищувати 0,3 %. Леговані сталі додатково містять такі домішки, як мідь, нікель, хром, ванадій, вольфрам, молібден, титан, бор. Вартість легованих сталей висока.

Поряд з корисними домішками до складу сталей входять і шкідливі, які надходять з рудою та паливом. Це сірка, фосфор, кисень, водень та вільний азот. Ці домішки роблять сталь крихкою.

Для кожної конкретної конструкції марку визначають згідно з призначенням споруди, видом напруженого стану, способом виготовлення і умовами експлуатації.

За цими показниками конструкції поділяють на чотири групи.

До першої групи належать зварні конструкції, які працюють в особливо важких умовах при несприятливих напружених станах.

Остання, четверта, група обєднує другорядні та допоміжні елементи.

З метою спрощення значень механічних характеристик сталей і створення передумов для їх взаємозаміни у нормативних документах (СНиП II-23-81*) марки сталей згруповані.

За ГОСТ 27772-88 сталі позначаються так: С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345Т, С375, С375Т, С390, С390Т, С440, С590 і С590К.

У назвах буква “С” – скорочення слова “сталь”, а подальші цифри вказують на найбільше значення нормативного опору сталі за межею текучості при розтягові (у мегапаскалях).

Якість сталі оцінюють за:

• 
  механічними властивостями;
  
• 
  хімічним складом;
  

До механічних властивостей належать:

• 
  опір статичним навантаженням (межа міцності, межа текучості при розтязі);
  
• 
  опір динамічним навантаженням та крихкому руйнуванню (ударна вязкість при різних температурах);
  
• 
  показники пластичності (відносне подовження);
  
• 
  здатність сталі пластично деформуватися при звичайних температурах без утворення тріщин. Оцінку ведуть при згинанні стрічкового зразка, навколо, круглої оправи. Показником є найменший діаметр круглої оправи, навколо якої зразок згинається на 180 без утворення тріщин;
  
• 
  опір багаторазовим навантаженням (втомна міцність сталі).
  

Усі ці показники регламентуються стандартами.

Механічні властивості сталі та її здатність добре зварюватись залежать від хімічного складу, способу термічної обробки та технології прокатування.

Хімічний склад сталей також регламентується стандартами. Хімічний склад характеризується процентним вмістом у ній різних домішок. Особлива увага приділяється кількості шкідливих домішок. Так сірки у сталях повинно бути не більш 0,05%, фосфору не більш 0,04%, азоту 0,008%.

Сортамент профілів зі сталі

Металеві конструкції виготовляються з профілів, які виробляються металургійною промисловістю. Наявність готових профілів, їх оброблення механізованими способами забезпечують індустріальне виготовлення металевих конструкцій.

Перелік прокатних профілів, в якому зазначені їх форма, розміри, маса одиниці довжини профілю, геометричні характеристики перерізів, умови постачання, називається сортаментом.

Для металевих конструкцій зараз використовують прокатні, пресовані, гнуті та гнуто-зварні профілі.

Перший сортамент прокатної сталі в Росії був створений професором– мостобудівельником Белелюбським Н. А. у 1900 році.

Усі профілі за умовами використання поділяють на дві групи: профілі загального і спеціального призначення.

До профілів загального призначення належать двотаврові балки, швелери, кутники рівнополичкові і нерівнополичкові, труби круглі, прямокутні, квадратні, профілі таврові, зетові, листи, круг, квадрат, сталеві канати.

До профілів спеціального призначення належать профілі, які визначаються особливостями конструкції. Це гофровані профілі, профілі вікон, дверей, кранові рейки.

Більшість профілів виготовляються методом гарячого прокатування. Але зараз все більше поширюється використання гнутих та гнутозварних профілів.

Гнуті профілі відкритого типу виготовляють методом безперервного холодного профілювання з листової сталі. Замкнуті і гнутозварні профілі виготовляють так само з подальшим зварюванням замикального шва. Сюди належать електрозварні труби круглого перерізу, профілі квадратного і прямокутного перерізів.

Прокатна сталь поділяється на листову та профільну.

Листова сталь класифікується так:

а) сталь товстолистова. До цієї сталі належать листи товщиною від 4 до 160 мм, шириною від 600 до 3800 мм. Довжина досягає 12 м.

б) сталь тонколистова товщиною до 4 мм.

в) сталь універсальна. Має чотири прокатні кромки. Товщина 6 – 60 мм, ширина 200 – 1050 мм, довжина від 5 до 18 м.

До профільної сталі належать:

1. 
   Кутники рівнополичкові та нерівнополичкові. Розміри кутників змінюють в досить великих межах. Найчастіше використовуються кутники з розміром від 50 до 200 мм (площа перерізу відповідно змінюється від 5 до 110 см).
   
2. 
   Швелери. Геометричні характеристики перерізу швелерів визначаються його номером, котрий відповідає висоті стінки швелера в сантиметрах. У сортаменті вміщені швелери від 5 до 40 номера.
   
3. 
   Балки двотаврові звичайні, з паралельними гранями полиць широкополичні (Ш) колонні (К) та нормальні (Б)
   
4. 
   Труби. Горячекатані безшовні труби мають діаметр 25 – 550 мм з товщиною стінок 2,5 – 75 мм. Дуже часто ці труби використовуються у телевізійних баштах. Труби сталеві електрозварні діаметром від 8 до 1620 мм з товщиною стінок від 1 до 16 мм. До електрозварних труб належать профілі замкнуті зварні прямокутні (розміром від 60100 до 200160) та квадратного перерізу (розміри 80-180).
   

У будівництві використовують скорочені сортаменти профілів загального призначення. Вони складені на основі аналізу конструкцій масового будівництва, кількості й профілів, які використовувались.

Скорочені сортаменти містять найвживаніші профілі і при проектуванні їх необхідно застосовувати в першу чергу.




Рис. 2.1. Основні види прокатних профілів:

а) сталь листова товста або тонка (завтовшки до 4 мм) і універсальна;

Профільна сталь:

б) рівнобокі кутники; в) нерівнобокі кутники; г) швелери; д) двотаври; е) таври; є) труби

2.2. Робота сталі у конструкціях

Робота сталі на розтяг

Залежність між напруженнями і деформаціями для різних матеріалів встановлюється експериментально.

Діаграма розтягу сталі

Рис. 2.2. Діаграма розтягу сталі. 1 – маловуглецеві сталі (сталі звичайної міцності); 2 – сталі високої міцності; 3 – полікристал заліза м – межа міцності (тимчасовий опір); т – межа текучості; l – межа пропорційності; 02 –умовна межа текучості

, де , МПа – нормальне напруження; Е – модуль пружності;  – відносне подовження зразка після розриву є показником пластичності. Для маловуглецевих сталей – = 2025%; для високоміцних сталей –  = 810%.

При _т/_м=0,6 Ст3.

При _т/_м=0,8 високоміцні сталі.

.

.

Характер деформацій сталі під дією навантаження визначається сумісним деформуванням її складових частин (фериту та перліту). Перліт розміщується між зернами фериту у вигляді прошарків та окремих включень. На початкових стадіях завантаження пластичні деформації зерен фериту стримуються опором прошарків перліту. При напруженнях, що дорівнюють межі текучості, опір перліту долається. Відбувається загальний зсув. На діаграмі зявляється ділянка текучості.

У високоміцних сталей опір перлітових включень, легуючих елементів та їх сполук настільки великий, що ділянка текучості не виявляється. В цьому випадку відзначають умовну межу текучості ₀₂. Коли відносне видовження досягає певної величини (близько 2,5%), матеріал перестає текти і стає знову здатним чинити опір. Діаграма розтягу стає криволінійною. Зі збільшенням навантаження при пластичних деформаціях зв'язок між частинами кристалів на площинах ковзання зменшується. Відповідно до цього зменшується і модуль деформації, діаграма стає щораз пологішою, поки не буде досягнута межа міцності м, при якій метал руйнується.

При пластичних деформаціях маловуглецевих сталей на розтягнутих зразках помітна поява характерних ліній, які називаються лініями текучості або лініями Чернова-Людерса, що йдуть під кутом 45 до лінії розтягувальних зусиль. Напрямок їх збігається з напрямком найбільших дотичних напружень.

Руйнування буває в'язке (пластичне) – від зсуву; крихке – внаслідок відриву і змішане.

Дотичні напруження і пластичні деформації – причина в'язкого руйнування. Крихке руйнування є наслідком розвитку пружних деформацій металу до величини руйнувальних в умовах, коли утруднені пластичні зсуви. У цьому випадку спостерігається розрив міжатомних зв'язків кристалічних граток зерен при дуже незначних зсувах в окремих зернах.

Робота сталі на стиск

При роботі на стиск метал поводить себе, як і при розтягові.

Значення межі текучості, модуля пружності та довжини ділянки текучості дорівнюють показникам при розтягові.

Тобто, сталі гарно працюють як на розтяг, так і на стиск. Це дуже важлива особливість.

Нормативні та розрахункові опори

Основними показниками опору металу силовим впливам є нормативні опори R_yn та R_un, встановлені відповідно до межі текучості (чи умовної межі текучості) та межі міцності.

Значення R_yn та Run регламентуються нормами проектування. При цьому враховується статистична мінливість опорів. Треба, щоб забезпеченість становила не менш 0,95.

Гістограма розподілу міцностей металу

Рис. 2.3. Гістограма розподілу міцностей металу.

Значення нормативного опору приймають залежно від характеру роботи конструкції і властивостей сталі.

У більшості випадків при обчисленнях користуються нормативним опором за межею текучості, тому що при перевищенні напруженнями межі текучості в елементах, що згинаються чи розтягуються, розвиваються пластичні деформації і спостерігаються великі переміщення. Стиснуті елементи втрачають стійкість. У випадках, коли застосовуються пластичні сплави і згідно з характером роботи конструкції допускаються значні деформації, нормативний опір приймають за межею міцності.

Розрахунковий опір визначають шляхом ділення нормативних опорів на коефіцієнт надійності за матеріалом m.



Цей коефіцієнт враховує:

• 
  те, що механічні властивості металів перевіряються на металургійних заводах шляхом вибіркових випробувань і в конструкції може потрапити метал з властивостями нижчими, ніж встановлені стандартами;
  
• 
  механічні властивості контролюють при осьовому розтягові на невеликих зразках, а в дійсності метал працює у великорозмірних конструкціях при складних напружених станах;
  
• 
  сортамент металопрокату може мати відємні (мінусові) допуски до розмірів.
  

Значення коефіцієнта надійності за матеріалом m залежить від статистичних даних про однорідність металу. Для вуглецевих сталей, які масово випускаються тривалий час за добре опрацьованою технологією і для яких добре відомо, як вони поводять себе у конструкціях, значення _m найменші _m=1,025. Адже відносно нових сталей _m=1,15. Значення нормативних R_yn, R_un і розрахункових R_y, R_u опорів та коефіцієнтів надійності за матеріалом вміщені у СНиП II-23-81*. Зазначені опори служать для оцінки міцності елементів конструкцій на дію розтягу, стиску, згину.

Для інших напружених станів: зсув (R_s), зминання торцевої поверхні (R_p), розтяг поперек товщини прокату (R_th) – нормативні документи встановлюють інші значення опору.

Робота сталі при складному напруженому стані

У випадку складного напруженого стану (наприклад, плоского напруженого стану, коли зразок розтягується у двох напрямках, або при спільній дії нормальних і дотичних напружень при згині) роботу металу прийнято оцінювати через приведені напруження, обчислені за енергетичною теорією

,

де i, ij – відповідно нормальні та дотичні напруження.

Вид напруженого стану впливає на механічні характеристики металу.

Діаграми деформування сталі при різних напружених станах:

	1. 1  0 2 = 3 = 0 2. 1  0 2  0 3 = 0 3. 1  0 2  0 3 = 0 4. 1  0 2  0 3  0
Рис. 2.4. Діаграми деформування сталі при різних напружених станах.

Однозначні плоский і обємний напружені стани (криві 3, 4) значно знижують відносне подовження металу, але підвищують характеристику міцності.

Напруження різних знаків сприяють розвитку пластичних деформацій (крива 2), але погіршують характеристики міцності. Таким чином, можна сказати, що складний напружений стан завжди погіршує експлуатаційні якості металу. У першому випадку підвищується крихкість металу, у другому – знижується його міцність.

У випадку простого згину при дії нормальних і дотичних напружень приведені напруження обчислюються



Для плоского напруженого стану



Через головні напруження ₁, ₂ , ₃

Робота сталі при концентрації напружень

Негативно впливають на міцність конструкцій концентратори напружень. До концентраторів належать будь-які зміни форми зразка (отвори, надрізи).

У гладких зразках правильної форми напруження у всіх перерізах розподіляються рівномірно, а силові лінії прямолінійно.

Рис. 2.5. Траєкторії головних напружень та їх концентрація в місцях зміни перерізу.

Якщо в плоскому зразку створити отвори чи надрізи, лінії силового потоку будуть огинати нові межі. Відхилення силових ліній від прямої свідчать про наявність напружень, що діють у двох напрямках, тобто виникає двоосний напружений стан. Відношення найбільшого напруження у місці концентратора до середнього напруження по перерізу зразка має назву коефіцієнта концентрації. Чим менший радіус кривизни концентратора, тим вище значення коефіцієнта концентрації.

Наявність поблизу концентраторів складного напруженого стану з високим рівнем напружень створює умови крихкого руйнування та утворення тріщин. Тому при конструюванні необхідно уникати гострих концентраторів, а спряження виконувати плавно.

Концентрація напружень не дуже впливає на міцність при статичних навантаженнях.

При динамічних навантаженнях, низьких температурах, пластичних деформаціях, які виникають у процесі холодного оброблення металу, концентратори значно знижують пластичність сталі.

Старіння металу

Старінням називають властивість матеріалу змінювати свою структуру і властивості з часом. Це пов'язано з тим, що, незважаючи на невелику розчинність вуглецю у фериті, з часом атоми вуглецю дифундують до меж зерен. Кількість крихкого карбіду заліза збільшується. Внаслідок цього зростає міцність сталі, але знижуються її пластичність та опір крихкому руйнуванню, динамічним навантаженням. Старіння прискорюється під дією змінних напружень, підвищенні температур.

Вплив температури

При зростанні температури зменшуються значення модуля пружності та межі текучості й міцності сталі. При температурі 600С межа текучості й модуль пружності наближаються до нуля.

Низькі температури підвищують крихкість сталі тому, що погіршуються пластичні властивості металу. При температурах нижче як -10С пластичність помітно зменшується.

Ударна в'язкість

Схильність сталі до крихкого руйнування та чутливість до концентрацій напружень оцінюються за ударною в'язкістю.

Ударна в'язкість – це робота, необхідна для руйнування стандартного зразка з надрізом, що віднесена до поперечного перерізу.

Руйнування зразка відбувається ударним вигином.

Рис. 2.6. Зразок для випробування на ударну в'язкість.

Значення ударної в'язкості залежить не лише від складу і структури сталі, але й від температури. Зі зниженням температури нижче 0С значення ударної в'язкості різко падає.

Рис. 2.7. Ударна в'язкість сталі: 1 – Ст3сп; 2 – Ст3кп; 3 – 10Г2С1.

Температура, при якій відбувається зменшення ударної в'язкості менше, ніж 0,3 МДж/м,   має назву поріг холодноламкості.

Дуже сильно зменшується ударна в'язкість після старіння сталі. Для будівельних сталей значення ударної в'язкості при різних температурах та після старіння вміщені у нормативні документи.

Зниження показника ударної в'язкості нижче 0,3 МДж/м не допускається.

Робота сталі при повторних та змінних навантаженнях

Навантаження і розвантаження металу в межах пружності не викликає змін в роботі металу. Графіки деформацій є прямолінійними та співпадають. Коли ж сталь довести до пластичних деформацій і розвантажити, то діаграма розвантаження піде паралельно до лінії деформацій.

Рис. 2.8. Діаграма деформування сталі з розвантаженням

Діаграма повторного завантаження піде паралельно лінії пружних деформацій і далі за діаграмою одноразового навантаження. Якщо розглянути лише діаграму повторного завантаження, то можна зазначити, що деформаційність металу зменшилася (  ₁  ), і умовна межа текучості зросла до рівня ₁, досягнутого при першому завантаженні. Це явище називається наклепом металу. Використовується для підвищення міцнісних показників сталевої арматури залізобетонних конструкцій.

Наклеп спостерігається при всіх видах холодного оброблення, пов'язаного з пластичним деформуванням металу (різання, гнуття, пробивання отворів).

У металах, які не мають достатнього запасу пластичних деформацій, наклеп може призводити до крихкого руйнування.

Втомою металу називається його руйнування внаслідок повторних навантажень при напруженнях, нижчих за межу міцності.

Напруження при яких відбувається руйнування, називається втомною міцністю.

Здатність металу протистояти такому руйнуванню називають витривалістю.

Рис. 2.9. Зміна втомної міцності сталі залежно від кількості циклів завантаження N.

Для сталі крива втомної міцності асимптотично наближається до деякого граничного значення R_v – опору сталі втомі.

Опору сталі втомі відповідає кількість циклів 10. Випробування роблять на базі 210 циклів. На втомну міцність впливають: наявність концентраторів; температура; технологічні фактори, пов'язані з особливостями виготовлення конструкцій; характер завантаження (стиск чи розтяг); значення коефіцієнта асиметрії циклу



R_v – змінюється ід 145 МПа до 27 МПа.

Рис. 2.10. Характеристика асиметрії навантаження.

Руйнування металу від втоми відбувається у такій послідовності:

біля дефектів кристалічної гратки, порушень структури, концентраторів зявляються мікротріщини. Мікротріщини є дуже гострими концентраторами. Концентрації напружень біля них призводять до розростання мікротріщин у макротріщини. При дальших циклах завантаження ріст тріщин відбувається до руйнування.

Концентратори напружень дуже негативно впливають на втомну міцність металу. Тому при конструюванні металевих конструкцій необхідно уникати концентраторів всіма можливими способами.