Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ 2-й ГРУППЫ

Основное уравнение имеет вид . При этом под D понимаются, как правило, перемещения от нагрузок в нормальных условиях эксплуатации (при ), а под их предельные значения, не ограничивающие нормальной эксплуатации конструкций.

Под перемещениями могут пониматься деформации, образование или раскрытие трещин. Деформации для элементов из стали, алюминиевых сплавов определяются по формулам строительной механики, например при изгибе балки на двух шарнирных опорах и равномерно распределенной нагрузке:

 

.

 

Предельные деформации определяются технологическими, физиологическими, конструктивными и эстетико-психологическими требованиями, а также учитываемые при этом нагрузки, в зависимости от назначения, приводятся в [2, табл. 19].

Ограничения по образованию и раскрытию трещин существенны для железобетонных, каменных и армокаменных конструкций. Способ расчета по образованию и раскрытию трещин, а также ограничения по этим предельным состояниям приводятся в нормах на проектирование этих конструкций [18, табл. 1 и 2]. Там же приводятся и способы определения деформаций для них.

Достоинстваметодики расчета конструкций по предельным состояниям:

1. Открытость методики для введения новых предельных состояний и коэффициентов надежности. Структура методики расчета при этом не меняется, но дополняется.

2. Раздельный учет факторов, влияющих на пригодность конструкций к эксплуатации, что дает возможность обработки коэффициентов надежности методами теории вероятностей.

3. Учет неупругой работы материала позволяет наиболее полно использовать его несущую способность.

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие между предельными состояниями 1-й и 2-й групп?

2. Как учитывается изменчивость нагрузок при определении усилий от их расчетных сочетаний?

 

3. На основании каких данных определяются нагрузки от собственного веса конструкций?

4. У каких нагрузок изменчивость самая большая и самая малая?

5. Как учитываются временные нагрузки, если их в расчетное сочетание входит две или больше?

6. Какую надежность имеют нормативные характеристики прочности?

7. Как при определении усилий учитывается значимость, ответственность зданий и сооружений?

8. Может ли коэффициент надежности по нагрузке быть меньше 1? Когда?

9. Может ли коэффициент надежности по материалу быть меньше 1? Когда?

 

 

Лекция 2

СТАЛЬ КАК МАТЕРИАЛ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

План лекции:

1. Малоуглеродистые стали.

2. Легированные стали.

3. Работа стали под нагрузкой. Механические характеристики сталей.

4. Изменение механических характеристик стали.

5. Нормативные и расчетные сопротивления стали. Строительные стали.

6. Сортамент стали.

 

МАЛОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Химическими элементами, образующими сталь, являются железо (Fe) и углерод (C). Предельное содержание углерода в стали 2,14 %. Сплавы, содержащие большее количество углерода (до 6,67 %), называются чугунами. При нормальной температуре железо образует в стали кристаллы феррита, он очень пластичен и мягок, прочность его невелика. Углерод образует с железом химическое соединение Fe3C – карбид железа (цементит), очень прочный, твердый, но малопластичный.

При остывании расплава сталь при температуре до 911 оС образует аустенит – твердый раствор углерода в железе. При дальнейшем понижении температуры из расплава начинают выделяться кристаллы феррита – почти чистого железа, при этом содержание углерода в расплаве увеличивается. Когда оно достигнет 0,8 %, при температуре 727 оC, выкристаллизовывается эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита, называемая перлитом. Как смесь кристаллов феррита и цементита перлит по механическим характеристикам занимает промежуточное положение между составляющими. Но по сравнению с ферритом он прочен и малопластичен, образует жесткий каркас между кристаллами феррита. Поэтому чем больше в стали углерода, тем больше в ней перлита и тем она прочнее. Но чем ее пластичность меньше, тем более хрупкой становится сталь. Пластичность стали – очень важное ее свойство, она выравнивает напряжения в сечениях, сглаживает недостатки проектирования и изготовления стальных конструкций, повышает надежность конструкций. Кроме того, повышение содержания углерода ухудшает свариваемость. Поэтому в сталях для металлических конструкций содержание углерода – не более 0,22 %, такие стали относятся к малоуглеродистым и хорошо свариваются.

На прочность стали влияет также размер зерна стали – чем зерно мельче, тем прочность стали выше. На размер зерен стали влияет наличие центров кристаллизации и скорость охлаждения стали.

С рудой и топливом в сталь попадают сера S и фосфор Р, с дутьем –кислород O и азот N. Сера с железом образует сульфид железа FeS, который с железом образует легкоплавкую смесь Fe – FeS с температурой плавления 985 оС. Располагаясь при остывании стали между ее кристаллами, она при нагреве для горячей обработки стали до 1200 оС первой плавится, что приводит к ее хрупкости при обработке – красноломкости. Поэтому содержание серы в стали допускается не более 0,05 %. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени. Фосфор растворяется в феррите и делает сталь хрупкой при низких температурах – это свойство называется хладноломкостью. Содержание фосфора в стали допускается до 0,04 %, кроме случаев, когда он вводится для повышения стойкости стали против коррозии. Азот также приводит к хладноломкости стали, но может повышать ее твердость и вводится для образования нитридов, повышающих прочность стали.

Водород в сталь попадает с влагой топлива и руды. В расплаве стали он хорошо растворяется, но при охлаждении растворимость его падает. Он выделяется, располагаясь между зернами стали, вызывает внутренние надрывы, делает ее хрупкой.

Для удаления из стали серы, фосфора в плавку вносят известь CaO. Для удаления из расплава газов применяется ваккуумирование [7].

При разливке стали в формы из нее продолжают выделяться газы, частицы шлака и прочие легкие включения. Сталь как бы кипит, выбрасывая сноп искр. Такую сталь называют кипящей, в ней остается много вредных включений. Поэтому свойства ее нестабильны, она плохо работает при динамических нагрузках и низких температурах. Чтобы очистить сталь от вредных примесей ее раскисляют, внося в расплав марганец (до 0,7 %), кремний (до 0,3 %), алюминий (до 0,1 %). Марганец, соединяясь с серой, переводит ее в шлак. Кроме того марганец образует тугоплавкий карбид Mn3C, который увеличивает прочность и вязкость стали. Кремний и алюминий связывают кислород, образуя силикаты и алюминаты (SiO2 и Al2O3) в мелкодисперсной форме. Они становятся центрами кристаллизации, способствуют измельчению зерна и повышению прочности стали. Сталь при разливке в формы не кипит. Но не все примеси успевают выделиться из слитка. Поэтому верхнюю, наиболее загрязненную часть слитка (15 %), обрезают и отправляют на переплав. Такую сталь называют спокойной, она дороже, но свойства ее более стабильны, она хорошо работает при динамических нагрузках и низких температурах. Раскисленная половинным количеством марганца, кремния и алюминия сталь называется полуспокойной, характеристики ее промежуточные.

Из всех углеродистых сталей сейчас в качестве строительной используется Ст3, с содержанием углерода 0,18¸0,22 %. Степень раскисления ее указывается символами кп, пс и сп например: Ст3кп или 18кп.

По гарантируемым заводом-изготовителем свойствам углеродистые стали делятся на группы:

А – завод-изготовитель гарантирует механические характеристики стали;

Б – гарантирует химический состав стали;

В – гарантирует механические характеристики и химический состав стали.

Поскольку химический состав стали влияет на механические характеристики при низких температурах, то в сталях для строительства применяется только группа В (ВСт3кп, ВСт3пс, ВСт3сп).

 

 

2. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ [8], [14]

 

Легированием сталей называют введение в них небольших количеств каких-либо элементов для улучшения некоторых ее свойств, например:

– улучшение ее прочностных или пластических характеристик;

– повышение сопротивления стали коррозии;

– создание устойчивой при нагреве структуры, сохраняющей при сварке термоупрочнение стали.

Вводимые в сталь элементы называют легирующими, а сталь легированной. По количеству легирующих добавок сталь называют низколегированной (содержание легирующих добавок до 2,5 %), среднелегированной (от 2,5 % до 10 %) и высоколегированной (свыше 10 %). Так как легирование удорожает сталь и ухудшает ее свариваемость, в строительстве применяют в основном низколегированные стали.

Прочностные свойства стали повышаются в основном легированием металлами, вступающими в соединение с углеродом и азотом и образующими карбиды и нитриды. Последние, как правило, прочны и хрупки, иногда тугоплавки, входят в сталь в мелкодисперсной форме, способствуют измельчению зерна и образованию совершенных субзернистых структур. Этот способ повышения прочностных свойств стали получил название карбиднитридного упрочнения [9].

Наиболее часто в сталях для строительства применяют следующие легирующие элементы [4, 6, 8]:

Кремний (Si) – в стали находится в твердом растворе с ферритом, повышает прочность, ухудшает пластичность и стойкость против коррозии. Содержание до 1,1 %.

Марганец (Мn) – образует тугоплавкий карбид Mn3C, повышает прочность и вязкость. Содержание до 1,8 %.

Медь (Cu) – повышает стойкость против коррозии. Содержание до 0,6 %, при более высоком содержании способствует старению стали.

Хром (Cr) – образует карбид Cr7C3, повышает прочность и стойкость против коррозии. Содержание до 0,9 %.

Никель (Ni) – повышает прочность и стойкость против коррозии. Содержание до 1,7 %.

Ванадий (V) – образует карбиды и нитриды с мелкодисперсной фазой, не распадающиеся при нагреве до 900 оС, способствует измельчению зерна, повышает прочность, пластичность и ударную вязкость стали, даже при низких температурах. Содержание до 0,15 % – микролегирование.

Титан (Ti) – ведет себя так же, как ванадий, применяется в микродозах.

Молибден (Mo) – образует тугоплавкий карбид Мо2С, не распадающийся при сварке, способствует сохранению закалочных структур, повышает прочность. Содержание до 0,4 %.

Аллюминий (Al) – образует карбиды и нитриды, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость. Содержание до 0,15 %.

Азот (N) – вносится в сталь для образования нитридов ванадия в количестве 0,03 %.

Фосфор (P) – способствует образованию плотной пленки окислов при наличии хрома, никеля и меди, делает сталь атмосферостойкой. Содержание 0,12 % [8].

Все легированные стали поставляются по группе В, по степени раскисления, как правило, они спокойные.

Большинство легирующих элементов существенно ухудшают свариваемость стали. Чтобы свариваемость оставалась хотя бы удовлетворительной содержание углерода в них приходится уменьшать до 0,09¸0,15 %. Для оценки свариваемости строительных сталей введен углеродный эквивалент [6]:

где содержание углерода и легирующих элементов подставляются в сотых долях процента.

В нашей стране принята буквенно-цифровая система маркировки сталей. Легирующие элементы обозначаются следующими прописными буквами русского алфавита (табл. 1).

Таблица 1

Маркировка сталей

 

Химич. элем. Si Mn Cu Cr Ni V Ti Mo Al N P
Легир. элем. С Г Д Х Н Ф Т М Ю А П

 

Первые две цифры указывают на среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (это правило относится и к малоуглеродистым сталям). Следующие затем буквы указывают на наличие в стали соответствующих легирующих элементов. Если содержание элемента более 1 %, но менее 2 %, то после соответствующей литеры ставится цифра 2. Если содержание марганца меньше 0,8 %, кремния меньше 0,6 %, меди, никеля и хрома меньше 0,3 %, то в марке стали они не указываются.

Наиболее употребительны в стальных конструкциях следующие легированные стали:

Марганцовистые – 09Г2, 14Г2.

Кремнемарганцовистые – 09Г2С, 14Г2С.

Природнолегированные хромом, никелем, медью – 15ХСНД, 10ХСНД и близкая к ним атмосферостойкая сталь 10ХНДП – выгодны только при выплавке из природнолегированных руд.

Марганцовистые и кремнемарганцовистая с добавками ванадия, азота, никеля, аллюминия и молибдена – 14Г2АФ, 16Г2АФ, 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ.

 

 

3. РАБОТА СТАЛИ ПОД НАГРУЗКОЙ.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ

Механические характеристики сталей определяются путем испытания стандартных пятикратных образцов (рис. 1) на растяжение на разрывных машинах. Такие образцы сейчас являются стандартными. При испытании стали разрешается применять также образцы с прямоугольным сечением рабочей части длиной , где А – площадь поперечного сечения. Испытание проводится при температуре 18¸20 оС, нагрузка растет медленно.

  Рис. 1. Образцы для испытания cталей: d – диаметр рабочей части образца
В стали работа зерен феррита стеснена наличием жестких прожилок и зерен перлита между мягкими кристаллами феррита. При медленном загружении стали сначала почти всю нагрузку воспринимает жесткий каркас из перлита и деформации растут пропорционально напряжениям. Это видно из диаграмм напряжения-дефор-мации для всех сталей (рис. 2). На какой-то нагрузке каркас из перлита не выдерживает и передает часть нагрузки на феррит, который начинает деформироваться из-за малой прочности. Образец из стали удлиняется при практически постоянной нагрузке, сталь «течет». На диаграмме это отражается наличием почти горизонтальной площадки текучести, длина которой составляет 1¸2,5 %. В формировании жесткого каркаса участвуют также легирующие сталь элементы. Наличие площадки текучести характерно для малоуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,1¸0,3 % и низколегированных сталей повышенной прочности, имеющих достаточно развитый жесткий каркас из перлита [4]. В диаграммах напряжения-деформации сталей с содержанием углерода более 0,3% и значительным легированием площадки текучести нет, неупругие деформации нарастают постепенно.

При дальнейшем повышении нагрузки она воспринимается совместно работающими ферритом и перлитом, пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается. Но сопротивление стали нагрузке растет, поэтому эту стадию работы называют самоупрочнением. С приближением нагрузки к максимальной деформации, происходящие в основном за счет сдвигов в кристаллах феррита, сосредоточиваются в одном месте – шейке, где образуется местное сужение. После образования шейки именно здесь наиболее интенсивно протекают деформации, и образец вскоре разрушается, даже если нагрузка на него несколько снизилась. На поверхности образца в зоне шейки остаются следы от разрушения по плоскостям сдвига – линии Людерса – Чернова.

Напряжение, соответствующее площадке текучести (при постоянных напряжениях деформации растут), называется физическим пределом текучести ( текучесть (рис. 2, Ст18 и 10ХСНД).

Для высокопрочных сталей, не имеющих в диаграмме напряжения-деформации площадки текучести, за условный предел текучести договорились считать напряжение, при котором неупругие деформации составляют 0,2 % (рис. 2, сталь 12Г2СМФ).

Рис. 2. Диаграмма напряжения-деформации  
Наибольшие напряжения, выдержанные образцами и определенные по начальной площади сечения, называются пределами прочности , ( окончательное).

Мерой сопротивления стали упругим деформациям (модулем упругости) называют

,

это для начального участка диаграммы напряжения-дефор-мации, где зависимость между ними линейная. Для сталей он составляет около 200000 МПа с небольшими отклонениями.

Мерой пластичности стали – способности пластически деформироваться без разрушения – является остаточное удлинение
5-кратного образца после разрушения

,

выраженное в процентах (рис. 1).

Остаточные удлинения для вышеперечисленных сталей отмечены на оси абсцисс (рис. 2). Следует отметить известную условность этой характеристики, поскольку она связана со стандартной длиной рабочей части образца. При увеличении длины цифровая характеристика будет уменьшаться, так как местные деформации в зоне шейки будут относиться к большей длине. Поэтому более объективной следует считать равномерное относительное удлинение после разрушения, определяемое вне зоны шейки.

Другими характеристиками пластичности стали могут быть:

– относительное сужение при разрыве

,

где и – начальная площадь и после разрушения по шейке площадь поперечного сечения образца;

– проба на холодный загиб вокруг оправки определенной толщины.

 

4. ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛИ

  Рис. 3. Механическое упрочнение стали: 1 – разгрузка стали; 2 – повторная загрузка стали
Механические характеристики стали не остаются неизменными во времени. Растворенный в феррите углерод и азот, в силу понижения их растворимости после охлаждения до нормальной температуры, выделяются и располагаются между зернами феррита. Так же ведут себя карбиды, нитриты, другие посторонние включения. Перестройка структуры при обычных условиях может происходить годами и приводит к некоторому повышению прочности и снижению пластичности. Этот процесс называется старением. Старение сталей для строительства может иногда стать причиной разрушения конструкций, особенно при низких тем пературах или динамических нагрузках.

Ускорению старения стали способствуют: механические воздействия (напряжения) и особенно пластические деформации, температурные колебания. При этих воздействиях скорость старения резко возрастает. Наиболее подвержены старению кипящие стали.

Для повышения предела текучести применяют загружение стали до стадии самоупрочнения (за физический предел текучести). Разгрузка стали будет проходить по линейному закону с прежним модулем упругости (рис. 3). При повторном загружении сталь не только повторит график разгрузки, но затем повторит и оставшуюся часть диаграммы напряжения – деформации исходной стали. Новая диаграмма напряжения–деформации будет иметь условный предел текучести, равный напряжению, до которого была загружена исходная сталь. Предел прочности сохранится, а остаточное удлинение сократится на величину пластической деформации исходной стали. Через некоторое время предел прочности и условный предел текучести повысятся в силу ускоренно протекающего старения. Такое повышение прочностных характеристик называется механическим упрочнением или наклепом.

Вследствие снижения пластичности механическое упрочнение стали для строительства используется редко. Оно находит применение при выпуске волочением высокопрочной проволоки, используемой в предварительно напряженных и висячих стальных конструкциях, а также для выпуска арматуры для железобетонных конструкций.

Значительное повышение прочности при достаточной пластичности может быть достигнуто термоупрочнением стали – за счет измельчения зерна [4]. На первом этапе сталь закаляют – нагревают до температуры 910¸950 оС и быстро охлаждают погружением в воду, раствор солей или щелочей. Наиболее благоприятной закалочной структурой является бейнит (скорость охлаждения около 120 оС/сек). Прочность закаленной стали очень высока, но пластичность очень мала, поэтому сталь хрупкая. Затем сталь отпускают – нагревают до температуры 650¸680 оС и дают медленно остыть до нормальной температуры. При этом достигнутая прочность стали несколько снижается, но пластичность становится приемлемой. Этот способ упрочнения позволяет снизить затраты стали на 15¸20 %.

Недостатком термоупрочненных сталей является разупрочнение их при сварке. Устраняется этот недостаток легированием стали молибденом.

 

 

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-08

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...