Билеты по металлическим конструкциям - файл n1.docx

приобрести
Билеты по металлическим конструкциям
скачать (1203.8 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx1204kb.18.09.2012 18:15скачать

n1.docx

  1   2   3   4   5   6

1.Краткий исторический обзор развития металлических конструкций. Номенклатура и область применения, достоинства и недостатки.

Краткий исторический очерк в развитии металлических конструкций.

История развития металлических конструкций может быть разделена на пять этапов:

  1. Начало 12 - начало 17 веков. Этот период характерен развитием строительства культовых сооружений, в которых использовались металлоконструкции в виде затяжек.

  2. Весь 17-ый век. Кроме затяжек использовались опорные конструкции в виде стропил для купольных сооружений, которые применялись при строительстве церквей. В1696 - 1698 году был построен Троице - Сергиевский монастырь в Загорске, в начале 19 века - купол Казанского собора в Ленинграде.

  3. Начало 18 - середина 19 веков. Этот период связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. В этот период строятся мосты, конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Первые (чугунные) мосты были построены в Ленинграде (1850 год - Николаевский мост).

  4. С 30-х годов 19 века до 20-х годов 20 века. Этот период связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени, в частности в металлургии и металлообработке.

Выплавка железа из чугуна в мартеновских и конвекторных печах, получение профильного металла и прокатного листа, появление заклёпочных соединений (использовались в конструкциях перекрытий треугольными металлическими фермами) и применение рамочно-арочных конструкций.

В этот период первостепенное значение для развития металлостроительства имела инженерная, научная и организационная деятельность Шухова В.Г.

5. Послереволюционный период. Начало первой пятилетки – конец 20-х годов, когда молодое социалистическое государство приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны. Выросла производственная база металлических конструкций. Заводы и специализированные организации были объединены в одну систему - Главстальконструкция, выполняющую основной объём строительства в металлических конструкциях. Расширилась номенклатура металлических конструкций и разнообразие их конструктивных форм.

Конструктивная форма включает в себя листовые конструкции, стержневые конструкции и 2 теории:

  1. Теория формообразования;

  2. Теория сооружений.

К листовым конструкциям относятся сосуды (ёмкости которые работают под давлением), резервуары (любые ёмкости для хранения жидкости), кожухи (листовые конструкции для металлургической промышленности), трубопроводы большого диаметра (d более 600 мм.).

К стержневым конструкциям относятся каркасные здания, большепролётное покрытие (более 36;42 м.) (фермы, арки больших пролётов, структурные конструкции, оболочки), опорные конструкции (под антенны), краны (могут быть мостовые, козловые, гусеничные, стреловые), мосты, эстакады.

Номенклатура и область применения металлических конструкций

Металлические конструкции применяются во всех инженерных сооружениях значительных пролетов, высоты и нагрузок. В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно разделить на восемь видов:

  1. Промышленные здания – цельнометаллические или со смешанным каркасом (колонны железобетонные). Цельнометаллические в зданиях с большим пролетом, высотой и грузоподъемностью.

  2. Большепролетные покрытия зданий – спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры, ангары и др. (пролеты до 100-150 м).

  3. Мосты, эстакады – мосты на железнодорожных и автомобильных магистралях.

  4. Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы большого диаметра и др.

  5. Башни и мачты – радио и телевидения в геодезической службе, опоры линии электропередачи, нефтяные вышки и др.

  6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в многоэтажных зданиях, в условиях плотной застройки больших городов.

  7. Крановые и другие подвижные конструкции – мостовые, башенные, козловые краны, конструкции экскаваторов и др.

  8. Прочие конструкции по использованию атомной энергии в мирных целях, разнообразные конструкции радиотелескопов для космической и радиосвязи, платформы для разведки и добычи нефти и газа в море и др.

Металлические конструкции обладают следующими достоинствами:

  1. Надежность. Материал (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой однородностью структуры.

  2. Легкость. Металлические конструкции самые легкие.

  3. Индустриальность. Изготовление и монтаж металлических конструкций производится специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники.

  4. Непроницаемость. Обладают высокой прочностью и плотностью, непроницаемостью для газов и жидкостей.

Металлические конструкции имеют недостатки:

  1. Коррозия. Незащищенность от влажной среды, атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь коррозирует (окисляется) и разрушается. Поэтому в сталь включают специальные легирующие элементы, покрывают защитными пленками (лаки, краски и т.д.).

  2. Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200˚С уменьшается модуль упругости, а при температуре 600˚С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние при 300˚С. Поэтому металлические конструкции защищают огнестойкими облицовками (бетон, керамика, специальные покрытия

и т.д.).
2.Материалы, применяемые в металлических строительных конструкциях.

Стали. Общая характеристика, химический состав. Влияние отдельных компонентов на свойства сталей.

Маркировка углеродистых и легированных сталей.
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 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 ?.

По прочностным свойствам стали условно делятся на три группы: обычной (Ơ у = 290МПа), повышенной (Ơ у = 290-400 МПа) и высокой прочности (Ơ у > >400 МПа).

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.

В новом СНиП II – 23 – 81 по показателям предела текучести (Rуп) и временному сопротивлению Rип, толщине и виду проката установлены марки сталей в соответствии с ГОСТ и ТУ.

Механические свойства стали и её свариваемость зависят от химического состава, термической обработки и технологии прокатки.

Основу стали составляет феррит и перлит. Феррит имеет малую прочность, высокую пластичность. В строительстве в чистом виде не применяют. Прочность повышают добавками углерода (малоуглеродистая сталь), легированием марганцем, ванадием, хромом, кремнием и др. легирующими элементами, а также термоупрочнением – стали высокой прочности.

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.

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%.

Элементы влияющие на качество стали:

Кремний

В малоуглеродистые стали добавляют до 0,3%, а в низколегированные стали до 1%.Кремний, так же как и углерод, увеличивает прочность стали, но ухудшает её свариваемость. Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминий

Входит в сталь в виде твёрдого раствора феррита, а так же в виде различных карбидов и нитридов. Хорошо раскисляет сталь, повышает ударную вязкость и нейтрализует вредное влияние фосфора.

Марганец

Снижает вредное влияние серы. В малоуглеродистых сталях содержится до 0,6%, а в легированных до 1,5%. При содержании более 1,5% сталь становится хрупкой.

Медь

Несколько повышает прочность стали и увеличивает её стойкость против коррозии. Избыточное содержание меди (более 0,7%) способствует старению стали.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды, а так же способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими элементами является марганец, хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан.

Хром и никель повышают прочность стали, без снижения пластичности и ее коррозионную стойкость

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

Прочность низколегированных сталей так же повышается с введением никеля,. меди, кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твёрдых растворов (феррита).

Вредные примеси:

Фосфор

Образует раствор с ферритом и повышает хрупкость стали, особенно при низких температурах (хладноломкость стали).

Сера

Делает сталь красноломкой вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. При этом образуются трещины в стали при температурах 8001000С.

Таким образом содержание серы и фосфора в стали ограничено. Например в углеродистой стали серы должно быть не более 0,05%, фосфора до 0,04%.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение газами, которые могут попасть из атмосферы в металл находящийся в расплавленном состоянии (кислород, азот, водород). Газы повышают хрупкость стали. При сварке необходима защита от воздействия атмосферы. Изменение свойств стали, может произойти так же в результате термической обработки.

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

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

Маркировка стали:

Ст 3 сп – строительные стали (спокойные)

Ст 3 кп – (кипящие), более дешёвые стали, качество ниже чем у спокойных и применяются только во второстепенных конструкциях (не применяются для конструкций работающих на динамическую нагрузку, то есть подкрановые балки).

Пример маркировки легированных сталей

10 ХСНД

09 Г 2 С


3.Структура и термическая обработка металлов.

Структура малоуглеродистой стали, определяющая её механические свойства, зависит от температуры охлаждения. Температура плавления чистого железа 1535C. При охлаждении ниже 1535C в процессе кристаллизации образуется так называемое  - железо, имеющее кристаллическую решётку объёмно-центрированного куба (ОЦК-решётку)





Феррит

(светлые)

Перлит

(тёмные)

При температуре 1400C железо находится в твёрдом состоянии и в процессе охлаждения происходит новое превращение и из  - железа образуется  - железо, обладающее гранецентрированной решёткой (ГЦК-решёткой).

При температуре 910С кристаллы с ГЦК - решёткой вновь превращаются в объёмно – центрированную, и это состояние сохраняется вплоть до комнатной и отрицательных температур. Последняя модификация железа называется  - железом. При введении углерода в сталь температура плавления снижается.

где

железо

углерод

Температура плавления железоуглеродистых сплавов зависит от содержания углерода. При остывании в  - железе образуется твёрдый раствор, называемый аустенитом, в котором атомы углерода располагаются в центре ГЦК – решётки.

При температурах, лежащих ниже 910С из аустенита начинают выделяться кристаллы твёрдого раствора углерода в  - железе, называющиеся ферритом. По мере выделения феррита из аустенита, последний всё более обогащается углеродом и при температуре 723С превращается в перлит, то есть смесь, состоящую из перемежающихся пластинок феррита и карбида железа Fe3C, называемого цементитом. Таким образом, структура охлаждённой до комнатной температуры стали, состоит из двух фаз: феррита и цементита, который образует самостоятельные зёрна и входит в феррит в виде пластинок. Величина зёрен оказывает значительное влияние на механические свойства стали. Чем меньше зёрна, тем выше качество стали.

Структура низколегированной стали аналогична малоуглеродистой стали. Введение добавок упрочняет ферритовую основу и прослойки между зёрнами. Углерода в стали должно быть не более 0,22 %.

Целью термической обработки является искусственное изменение структуры сплава для улучшения его прочности, деформационных и упругих свойств. Такое изменение возможно, так как под влиянием температуры изменяется структура, величина зерна и растворимость компонентов сплавов.

Простейшим видом термической обработки является нормализация, заключающаяся в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита. При этом происходит измельчение крупных зёрен феррита и образуется несколько зёрен аустенита. Например: при остывании стали от температуры 880С в крупном зерне аустенита цементиты разбивают зерно на несколько зёрен феррита. Величина зерна зависит от условий кристаллизации. При нагревании, энергия накопленная во время пластической деформации освобождается и при температуре 400С проявляется в виде интенсивного роста зёрен. Это явление называется рекристаллизацией. Точно так же при нагревании может получить рост зерна и аустенит. Такое явление наблюдается при высоких температурах (>900С) и называется перегревом.

При остывании или при медленном охлаждении процесс происходит в обратном направлении и сталь получает уравновешенную феррито – перлитную структуру. Процесс медленного остывания после нагрева называется отжигом.

При отжиге восстанавливается не только нормальная структура, но и снимаются все внутренние напряжения, которые появляются при нагреве. Поэтому отжиг применяется весьма часто и является простейшим видом термообработки.

При быстром остывании материала, имеющего фазовое превращение, нагретого до температуры на 2040С выше линии 723910С происходит закалка. Для проведения закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз. При быстром охлаждении углерода выделяется очень мало, и успевает произойти только первая часть фазового превращения, то есть замена пластин аустенита на решётку феррита. В результате получается структура феррита с включением в неё углерода, которая называется мартенситом. Такая структура очень прочная и упругая, но хрупкая и вредная для применения в металлоконструкциях.

Отпуск – нагрев до температуры, при которой происходит желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течении необходимого времени, а затем медленное охлаждение.

При более высокой температуре отпуска, но меньшей температуре образования перлита (700С) и ещё более медленном остывании, выделившийся цементит начинает собираться в более крупные группы, а так же равномерно упрочняет феррит и даёт прочную и пластичную структуру называемую сорбитом.

Указанные структуры могут получиться и без отпуска в зависимости от интенсивности остывания. Интенсивность остывания подбирается по появлению мелкоперлитной фазы. В результате сталь получает весьма мелкозернистую структуру с равномерным распределением перлита, то есть получается материал аналогичный низколегированной стали, но значительно более дешёвый, с высокими механическими свойствами (т=3036 кг/мм2; в=4550 кг/мм2).


4.Алюминиевые сплавы, их химический состав, механические и физические характеристики.

Область применения в строительстве. Коррозия стальных и алюминиевых строительных конструкций. Методы защиты.

Алюминиевые сплавы

Крайне легок g=2700кг/м3 (gст=7850кг/ м3)

Е=0,71*105 МПа (Ест=2,06*105 МПа)

I=0,265*105 МПа (Iст=0,78*105 МПа)

Весьма пластичен: ?=40-50% (?ст=21%)

=60…70 МПа , =20…30 МПа

Упрочнение алюминия производиться:

1.Легированием (увеличивает прочность, понижает пластичность, коррозийную стойкость); 5-7% - сплавы с содержанием легированных компонентов и технический Al с содержанием примесей до 1%;

2. наклёп (вытяжкой, холодной деформированием)

3. термической обработкой.

Al сплавы можно разделить на 2 вида:

а) Деформируемые (сброс давлением (прокаткой, вытяжкой, гибкой, прессованием))

б) Литейные (методом литья)

Деформированные сплавы применяют для производства листов прессованных профилей, труб, прутков, а так же для изготовления деталей ковкой и штамповкой.

Литейные сплавы в следствии низкой пластичности могут применятся только для опорных частей конструкций (Al8). Применяют в машиностроении.

Система или группа

Наименование

Условное обозначение и состояние Al

Al

Технический Алюминий

АД1

Al-Mn

Al - марганцовые сплавы

АМцМ

Al-Mg

Al – магниевые сплавы (магналии)

АМГ-2М

АМг2Н2

Al-Mg-Si

Сплавы повышающие пластичность и коррозийную стойкость

АД31Е*ЕАД31Е5

АД31Т1

АД31Т4

Al-Zn-Mg

Высокопрочные сплавы, свариваемые

1915,1915Т,1935Т




Алюминиевые деформированные сплавы для строительных конструкций
Al-Zn-Mg-Cu

Высокопрочные сплавы, не свариваемые

1925Т


М- отожженный алюминий Al (мягкий)

Н- нагартованный Al

Н2- полунагартованный

Т- закаленное и естественно состаленое

Т1- Закаленное и искусственно состаренное

Т4- Не полностью закаленное и естественно состаренное

Т5 - не полностью закаленное и искусственно состаренное

Al-Mn – повышает коррозионную стойкость, хорошо сваривается, относительно дешевы используются для сварных конструкций.

Al-Mg-Si- средние прочностные показатели, используются для сварных и клепаных конструкций, достаточно пластичны.

Al-Zn-Mg-Cu – не свариваются только в клепанных конструкций.

Пластичные свойства закаленных сплавов улучшают в результате отпуска. Для этого сплав нагреваю до температуры 290-340, выдерживают при этой температуре в течении 1-1,5 часа с последующим охлаждением со скоротью 30 в час.
Защита конструкций Al сплавов от коррозии

В отличии от стали, теряющей ежегодно 20-80г с каждого м2, поверхности Al теряет 2-4г/ м2

В Al – плотная окисная пленка (0,0001…0,01мм, а у стали 3*10-7мм).

Коррозии бывают 3 видов:

1) Поверхностной

2) Местная

3) Межкристаличная

Коррозия может иметь химическое прохождение, то есть возникают под воздействием внешней среды, или электрохимическим, вызываемой появлением электрического тока между сплавом и другим металлом при непосредственном соприкосновении или газовую среду способствующею контакту.

Межкристаллическая коррозия носит электрохимический характер

Методы защиты:

  1. Искусственное повышение окисной пленки до 0,003…0,025мм – анодное или химическое оксидирование.

  2. Защита протекторами (прокладками)

  3. Полирование (выравнивание красками и лаками)

Анодное оксидирование: состоит в создании окисной пленки толщина до 0,025мм. Al деталь соединенное с анодом и погруженная в раствор серной или H2ClO4 (хромовой) кислоты, катодом служат свинцовые пластины (на дне и стенках ванны). При прохождении тока на Al выделяется кислород которым растворяют старую пленку. После того изделие промывают в воде, а для цветного наполнения в водном растворе красителей (органических).

Химическое оксидирование: состоит в создании окисной пленки золотистого цвета на изделиях марки АД1М, АМцМ до 0,003мм 8-10минут. В водном растворе хромового ангидрида и фторосиликата натрия.

Защита протектами: применяется при контакте Al с другим металлом. Стальные элементы покрываются слоем чистого Al или Si или кадмия толщиной 20мк. В строительстве используются прокладки из резины, фольги, битумной или асфальтной обмазки и др., чтобы не было контакта Al с другим металлом.

Полирование: гладкая поверхность механическая, электрохимическая, химическая.

Коррозия стальных конструкций

Сплошная коррозия характерна для стали, алюминия, цинковых и алюминиевых защитных покрытий в любых средах, в которых коррозионная стойкость данного материала или металла покрытия недостаточно высока. Этот вид коррозии характеризуется относительно равномерным по всей поверхности постепенным проникновением в глубь металла, т.е. уменьшением толщины сечения элемента или толщины защитного металлического покрытия. После механического удаления продуктов коррозии до чистого металла поверхность конструкции оказывается шероховатой, но без очевидных язв, точек коррозии и трещин. Наиболее подверженными этому виду коррозии участками, как правило, являются узкие щели, зазоры, поверхности под головками болтов, гайками, другие участки скопления пыли и влаги.

Коррозия пятнами характерна для алюминия, алюминиевых и цинковых покрытий в средах, в которых их коррозионная стойкость близка к оптимальной и лишь случайные факторы могут вызвать местное нарушение состояния материала. Этот вид коррозии характеризуется небольшой глубиной проникновения коррозии. При его выявлении необходимо установить причины и источники временных местных повышений агрессивности среды за счет попадания на поверхность конструкции жидких сред (конденсата, атмосферной влаги при протечках и т.п.), локального накопления или отложения солей, пыли и т.д.

Язвенная коррозия характерна в основном для углеродистой и низколегированной стали (в меньшей степени - для алюминия, алюминиевых и цинковых покрытий) при эксплуатации конструкций в жидких средах и грунтах. Язвенная коррозия характеризуется появлением на поверхности конструкции отдельных или множественных повреждений, глубина и поперечные размеры которых (от долей миллиметра до нескольких миллиметров) соизмеримы. Язвенная коррозия листовых конструкции, а также элементов конструкций из тонкостенных труб и прямоугольных элементов замкнутого сечения со временем переходит в сквозную с образованием отверстий в стенках толщиной до нескольких миллиметров. Язвы являются острыми концентраторами напряжений и могут оказаться инициаторами зарождения усталостных трещин и хрупких разрушений. Для оценки скорости язвенной коррозии и прогнозирования ее развития в последующий период определяют средние скорости проникновения коррозии в наиболее глубоких язвах и количество язв на единицу поверхности. Эти данные в дальнейшем следует использовать при расчете несущей способности элементов конструкций.

Точечная (питтинговая) коррозия характерна для алюминиевых сплавов, в том числе анодированных, и нержавеющей стали. При обнаружении питтинговой коррозии необходимо выявить источники хлоридов-возбудителей процесса и возможности исключения их воздействия на металл.

Питтинговая коррозия представляет собой разрушение в виде отдельных мелких (не более 1…2 мм в диаметре) и глубоких (глубина больше поперечных размеров) язв. О скорости проникновения коррозии судят по тем же характеристикам, что и при язвенной коррозии. Глубину наиболее крупных питтингов можно измерить индикаторами часового типа со щупами в виде тонких прочных иголок, менее крупных питтингов - под оптическим микроскопом после отбора проб для лабораторного анализа.

Межкристаллитная коррозия. Характерна для нержавеющей стали и упрочненных алюминиевых сплавов, особенно на участках сварки, и характеризуется относительно равномерным распределением множественных трещин на больших участках поверхности конструкций. Глубина трещин обычно меньше, чем их размеры на поверхности. На каждом участке развития этого вида коррозии трещины практически одновременно зарождаются от многих источников, связь которых с внутренними или рабочими напряжениями не является обязательной. Под оптическим микроскопом на поперечных шлифах, изготавливаемых из отобранных проб, видно, что трещины распространяются только по границам зерен металла. Отдельные зерна и блоки могут выкрашиваться, в результате чего образуются язвы и поверхностное шелушение. Основной характеристикой межкристаллитной коррозии является средняя скорость проникновения коррозионных трещин в глубь металла, устанавливаемая в соответствии с ГОСТ 9.021-74* и ГОСТ 6032-84.

Коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, расслаивающая коррозия, контактная (гальваническая) коррозия, щелевая коррозия и.т.д.
5.Работа металла при однократном статическом растяжении и сжатии.

Диаграммы и стадии работы материала. Основные показатели механических свойств стали и алюминиевых сплавов. + распечатка

1. Работа металла при однократном статическом растяжении и сжатии

Сталь состоит из феррита и перлита (феррито-цементитные прослойки):

-прочность феррита 25 кН/см2, относительное удлинение 50%;

-цементитные прослойки феррита имеют прочность вр=80100 кН/см2, относительное удлинение 1%.

Ферритные прослойки имеют промежуточные значения между ферритными и цементитными прослойками.

Эти две составляющие (феррит + перлит) определяют работу стали под нагрузкой.

плоскость сдвига
Работа монокристалла железа.

В монокристалле легче сдвинуть одну часть кристалла по другой, чем оторвать. Этот факт установлен как теоретически, так и экспериментально, поэтому пластические деформации в зёрнах железа протекают путём сдвига.






Пластическое течение поликристалла железа происходит под воздействием касательных напряжений, путём сдвига по отдельным зёрнам кристалла. Хаотичное ориентирование громадного количества зёрен приводит к тому, что в упругой стадии такой материал работает как изотропный. При переходе в пластическое состояние при хаотичном расположении зёрен всегда находятся плоскости, по которым действует наибольшее касательное напряжение и большинство зёрен расположенных благоприятно для сдвига.

На плоскости интенсивного пластического течения поверхности изделий (образцов) видны линии текучести, называемые линиями Чернова-Людерса. Большое препятствие образования сдвигов в зёрнах феррита создают более прочные зёрна перлитов стали, поэтому прочность стали значительно больше прочности железа.



Остаточные

деформации

Возвратно-упругие деформации

Полные

Деформации

Стадия

самоупрочнения

Стадия

образования

шейки и разрыв

разрыв.



в

т

п.ц.

Рис. 4.2. Работа стали при растяжении (диаграмма растяжения): в – предел прочности;

Т – предел текучести.
Основные показатели: прочность, упругость, пластичность.

6.Явление хрупкости в сталях; наклеп, старение, неравномерное распределение напряжений,температурные воздействия, усталость материала. Ударная вязкость.


  1. Явление хрупкости в сталях.

Хрупкость хар-ся разрушением материалов при небольших деформациях при значениях напр-ий ниже предела прочности.

Ударная вязкость. Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре, образцы сечением 1010 мм, длина 60 мм. Склонность металла к хрупкому разрушению и чувствительности к концентрации напряжений проверяется испытанием на ударную вязкость. Ударная вязкость измеряется удельной работой, затрачиваемой на разрушение образца.

В надрезанном образце напряжения распределяются неравномерно, с пиком у корня надреза. Ударное действие на образец увеличивает возможность перехода металла образца в хрупкое состояние. Температура при которой происходит спад ударной вязкости (ниже 30 Дж/см2) принимается за порог хладноломкости. Браковочное значение ударной вязкости устанавливается ГОСТ. Чем ниже ударная вязкость, тем более хрупкий материал.



Рис. 4.4. Образец для испытания на ударную вязкость

Работа стали при повторных нагрузках. Например, стальная подкрановая балка за смену испытывает несколько циклов нагрузки от работы крана. При работе материала в упругой стадии, повторное нагружение не отражается на работе материала, так как упругие деформации возвратимы.

При работе материала в упруго – пластической стадии повторная нагрузка ведёт к увеличению пластических деформаций. При достаточно большом перерыве упругие свойства материала восстанавливаются и достигают пределов предыдущего цикла. При этом упругие свойства материала повышаются. Это повышение упругих свойств называется наклёпом.

Наклёп связан со старением и искажением атомной решётки кристаллов с закреплением её в новом деформированном состоянии. При этом металл становится жёстким в результате уменьшения полных остаточных деформаций. При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости металла, выражающееся в снижении его прочности.


Рис.1.2. Диаграммы деформирования стали при повторном нагружении: а – в пределах упругих деформаций; б – с перерывом (после «отдыха»); в – без перерыва


Рис.4.5. Графики повторных нагружений

У стали с увеличением числа нагружений прочность снижается, приближаясь к некоторой величине вб, при котором разрушение не происходит. Эта величина называется пределом усталостной прочности или выносливостью. При величине 2 млн. циклов усталостная прочность мало отличается от ее предела, поэтому испытания на выносливость применительно к стальным конструкциям проводятся базе 2106 циклов. Помимо числа циклов, усталостная прочность зависит от вида нагружения, который характеризуется коэффициентом асимметрии .

На вибрационную прочность влияют концентраторы напряжений (отверстия, выточки, щели и т. д.) – факторы, вызывающие искривление силового потока. При наличии концентраторов разрушение происходит путём хрупкого излома.

Повысить сопротивление усталостному разрушению конструкций можно рядом мероприятий: при отсутствии или незначительной концентрации напряжений в конструкции возможна замена малоуглеродистой стали на сталь повышенной прочности; в конструкции со значительной концентрацией напряжений необходимо сглаживание силового потока, предварительная вытяжка конструкций (например, обкатка подкрановых балок с допустимой нагрузкой), создание напряжений сжатия на поверхности металла (например, дробеструйная обработка), зачистка поверхности сварных швов.

Старение стали. С изменением температуры меняется растворимость входящих в сплав компонентов (азот, углерод и др.). При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все-таки углерод имеет стремление выделиться при благоприятных обстоятельствах.

При выделении он образует цементит, который в твёрдой среде феррита располагается между зёрнами, укрепляя прослойки между ними. Таким образом, происходит упрочнение, отличающееся от различных видов термической обработки, получается неравномерным только по границам зёрен. Укреплённые прослойки повышают предел прочности и предел текучести, а так же уменьшают пластичность и ударную вязкость.

Рассматриваемое явление называется старением стали, так как выделение компонентов (углерод, азот и др.) и изменение прочности происходят в течении достаточно длительного времени. Выделению компонентов способствуют: механические воздействия (колебания и пластические деформации, которые приводят к изменению формы зёрен).Это явление называется механическим старением. Изменения температуры, приводящие к изменению растворимости компонентов и их выделению, приводит к физико-химическому или дисперсионному старению.

Невысоким отпуском (нагревом до 150С) можно резко усилить процесс старения. Такой процесс называется искусственным старением. От совместного действия обеих причин интенсивность старения повышается.

Наибольшему старению подвержены кипящие стали, особенно крупнозернистые и весьма часто, загрязнённые посторонними примесями. Поскольку при старении увеличивается хрупкость, механические характеристики материала не используются при работе стальных конструкций

7.Основы метода расчета конструкций по предельным состояниям. Нормативные и расчетные нагрузки, их классификация.
  1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации