Treść ekspercka archiwalna: artykuł zachowuje historyczne oznaczenia, tabele i twierdzenia dotyczące składu i właściwości mechanicznych stali, ale nie stanowi obowiązującej normy, specyfikacji materiałowej, certyfikatu, obliczeń konstrukcyjnych ani instrukcji obróbki cieplnej i testowania. Wartości projektowe zależą od dokładnie zidentyfikowanego rodzaju i partii stali, stanu produkcji, grubości, temperatury, spawalności, wytrzymałości, zmęczenia i obowiązującej normy. Materiał łożyska musi posiadać identyfikowalną dokumentację oraz zostać wybrany i sprawdzony przez odpowiedzialnego eksperta.
Savo Kusić koncentruje się dziś na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych, oknach na zamówienie, drzwiach i zapytaniach ofertowych. Artykuł ten pozostaje archiwum historycznym i nie stanowi oferty na wykonanie zbrojenia, projektowanie lub testowanie konstrukcji stalowych.
Skład i cechy historyczne stali konstrukcyjnej
W wyniku topienia rud żelaza zmieszanych z paliwami i dodatkiem zanieczyszczeń – najczęściej wapienia – oraz wprowadzenia do wielkiego pieca ogrzanego powietrza pod ciśnieniem otrzymuje się surówkę. Surówka zawiera ponad 1,7% węgla; nie można go kuć, walcować, rzeźbić ani prasować – nie można więc go kształtować na różne sposoby. Kute żelazo produkowane jest z surówki poprzez przedmuch powietrza w konwertorze podstawowym lub ze złomu i surówki w piecu (piec Siemens-Martin). Można z niego tworzyć różne formy poprzez walcowanie, prasowanie i kucie. Całe kute żelazo nazywa się stal.
Tabele historyczne: Stare gatunki stali, normy, dopuszczalne wartości i procedury gięcia podane w przedstawionych tabelach nie mogą być wykorzystywane do pozyskiwania, identyfikacji lub wymiarowania współczesnego materiału. Ważna jest wyłącznie etykieta i dokumentacja dostarczonej partii, po sprawdzeniu równoważności zgodnie z ustaloną i obowiązującą normą.
Skład chemiczny stali konstrukcyjnej
Żelazo techniczne nie jest czystym żelazem, lecz stopem podstawowych pierwiastków, żelaza i węgla, najczęściej z dodatkiem manganu, krzemu, fosforu, sumboru i miedzi, rzadziej z aluminium, chromem, niklem, molibdenem itp. Najważniejszą domieszką jest węgiel. Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie roztopionej stali rosną wraz ze wzrostem zawartości węgla, aż do osiągnięcia około 0,9% węgla; wydłużenie przy zerwaniu maleje wraz ze wzrostem zawartości węgla. Ze stalą o wysokiej zawartości węgla należy obchodzić się ostrożniej podczas prostowania, zginania, wyboczania itp.
Stale konstrukcyjne St 37.12 zawierają z reguły 0,08-0,15% węgiel, następnie około 0,5% manganu, aż do 0,3% krzemu. Zawartość fosforu i siarki musi być niska; wynosi odpowiednio 0,09% i 0,05%. Z reguły nad 0,2%.
Oceniając wyniki analiz chemicznych, należy zwrócić uwagę, czy są to analizy stopów, czy analizy wyrobów walcowanych; w tym drugim przypadku ważne jest, czy dane próbki dotyczą próbek pochodzących z całego przekroju, czy też próbek pobranych z konkretnego miejsca (z rdzenia, z krawędzi, z jednego końca).
Konstrukcja stalowa, hartowanie, odpuszczanie i wyżarzanie
Obserwacja konstrukcji odbywa się na płaskich, starannie obrobionych, szlifowanych i polerowanych powierzchniach, które z reguły ulegają korozji pod wpływem kwasów. W niektórych przypadkach (np. na przegrzanej stali) ziarna stali można rozpoznać gołym okiem na przygotowanych próbkach.
Zdjęcie 1 przedstawia strukturę wolno chłodzonej stali o zawartości węgla około 0,1%, a zdjęcie 2 przedstawia strukturę wolno chłodzonej stali o zawartości węgla około 0,3%. Ziarna lekkie nie zawierają węgla i składają się głównie z czystego żelaza (stąd nazwa ferryt); przy dużym powiększeniu ciemne obszary wyglądają na paski (perlit). Pod mikroskopem można rozpoznać, że ciemne plamy składają się z twardszych i bardziej miękkich warstw; twardsze warstwy to węglik żelaza (Fe3C), zwany cementytem, który jest osadzony w bardziej miękkim ferrycie. Miejscowe - kryształy powstałe w wysokiej temperaturze rozpadają się po stopniowym ochłodzeniu. Nagłe ochłodzenie gorącej stali zapobiega rozpadowi kryształów. Jeżeli natomiast przed rozpoczęciem przemiany roztworu stałego nastąpi nagłe ochłodzenie, wówczas roztwór, który w przeciwnym razie mógłby istnieć tylko w wysokich temperaturach, będzie nadal utrzymywany w temperaturze pokojowej. W tym przypadku nie otrzymujemy materiału, w którym węgiel jest rozprowadzany w postaci plam, ale materiał z równomiernie rozłożonym węglem. Stal w tym stanie wykazuje znacznie wyższą granicę plastyczności i wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż stal wolnochłodzona o tym samym składzie chemicznym, ale wykazuje również mniejszą skrawalność; taka stal nazywana jest stalą hartowaną.
To naturalne, że efekt chłodzenia jest najbardziej wyraźny na powierzchniach, natomiast słabnie w kierunku wnętrza, co ma ogromne znaczenie w przypadku stosowania stali. Stal hartowana zawiera wysokie naprężenia wewnętrzne.
Procedury laboratoryjne i termiczne: trawienie kwasem metalograficznym, ogrzewanie, odpuszczanie i wyżarzanie wymagają kontrolowanego laboratorium lub warsztatu, zidentyfikowanego materiału, odpowiedniego sprzętu i ochrony. Niewłaściwa obróbka cieplna może powodować pęknięcia, odkształcenia, utratę wytrzymałości i wysokie naprężenia szczątkowe.
Zachowanie stali podczas próby rozciągania
1. Zwykłe stale konstrukcyjne w stanie walcowanym
Z próby rozciągania można w pierwszej kolejności wyznaczyć moduł sprężystości E zarówno dla wydłużenia całkowitego, jak i sprężystego. Moduł sprężystości stali wynosi 200 GPa.
Trwałe wydłużenia występują przy niskich napięciach, ale nie mają one szczególnego znaczenia w budownictwie. Zwykła stal zaczyna „płynąć” pod obciążeniami, które w przypadku stali konstrukcyjnej St 37 i stali betonowej przeważnie przekraczają 0,24 GPa, a na dużych przekrojach wartość ta może spaść do 0,18 GPa. W wyniku przepływu powstają duże trwałe odkształcenia i „linie plastyczności”. Linia na wykresie wydłużenia stali (zdjęcie poniżej) pokazuje, że granica plastyczności została przekroczona (przy obciążeniu rozciągającym granica ta nazywana jest także granicą plastyczności).
Kiedy w przypadku belek żelbetowych granica rozciągania zbrojenia zostanie przekroczona w strefie rozciąganej, w stali powstają znaczne wydłużenia, przez co w strefie rozciąganej belki powstają pęknięcia i zagięcia, co pogarsza nośność belki. Na stalach o dużej zawartości węgla, na stalach hartowanych i ogólnie na metalach nieżelaznych nie pojawia się charakterystyczna granica plastyczności pokazana na powyższym rysunku; trwałe wydłużenia na ogół wzrastają i nie ma wyraźnej granicy plastyczności. W takich przypadkach z reguły przyjmuje się, że granica plastyczności jest równa obciążeniu, przy którym następuje trwałe wydłużenie 0,2%.
Wartości nie są danymi projektowymi: moduł sprężystości, granica plastyczności, wytrzymałość i wydłużenie w tekście zostały przeniesione ze źródła historycznego. Do obliczeń uwzględniane są wartości charakterystyczne i projektowe współczesnej klasy, grubości i stanu dostawy, wraz z odpowiednimi współczynnikami częściowymi, tolerancjami i wymaganiami dotyczącymi wytrzymałości, spawalności i zmęczenia.
2. Stale ciągnione na zimno
W każdym prostowanym lub giętym pręcie stalowym występuje lokalnie stal ciągniona na zimno. W ten sposób stal jest poddawana miejscowym naprężeniom przekraczającym granicę plastyczności; na rysowanej części zwiększa się limit rysowania. Jeśli zwykły pręt stalowy jest obciążany rozciąganiem aż do przekroczenia granicy plastyczności, po ponownym obciążeniu obserwuje się wzrost wartości granicy plastyczności. Im dłuższy odstęp czasu „przerwy” pomiędzy dwoma obciążeniami, tym bardziej wzrośnie granica plastyczności.
Ponadto, ponieważ podczas rozciągania na zimno średnica również zmniejsza się proporcjonalnie do wydłużenia pręta, zatem stal poddana znacznemu rozciąganiu przed badaniem będzie wykazywać znacznie wyższą granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie niż stal nierozciągnięta; jednocześnie będzie wykazywał mniejszą odporność na uderzenia.
Ciągnienie na zimno stosowane jest do produkcji stali betonowych IIb, IIIb i IVb (stal tor, stalowa siatka konstrukcyjna), a także do produkcji drutów do zbrojenia sprężonego i lin mostów podwieszanych.
Praca na zimno i zbrojenie: Historyczne gatunki i opisy ciągnione na zimno nie wskazują na nowoczesny produkt. Gięcie, prostowanie, ponowne gięcie, spawanie lub podgrzewanie zbrojenia może zmienić właściwości i jest dozwolone tylko wtedy, gdy pozwala na to dokumentacja produktu, projekt i obowiązująca norma.
Zachowanie stali podczas prób ciśnieniowych
To, co powiedziano o elastyczności i granicy rozciągania roztopionej stali, odnosi się w odpowiednim sensie do obciążenia ściskającego. Wartości granicy plastyczności stali konstrukcyjnej (w przypadku ciśnienia nazywane są granicą plastyczności) uzyskane podczas próby ściskania i próby rozciągania nie różnią się zbytnio. Jednakże pod ciśnieniem wzrost obciążenia powyżej granicy zgniotu jest możliwy tylko w przypadku bardzo krótkich elementów.
Prawa wyboczenia dotyczą smukłych prętów. Jednocześnie w pierwszej kolejności należy uwzględnić odpowiednie założenia, czy dotyczą one sposobu podparcia i dociskania końcówek pręta, czy też odchyłek osi pręta od ustalonego położenia.
Elementy prasowane: sama wytrzymałość materiału nie określa nośności pręta. W obliczeniach elementu betonowego należy uwzględnić smukłość, początkową krzywiznę, naprężenia szczątkowe, wyboczenie lokalne i globalne, podpory, połączenia i niedoskonałości.
Zachowanie stali w próbie zginania
Jeśli chodzi o granicę plastyczności (obserwowaną z zewnątrz przez duże ugięcia podpór lub linie załomu), ważne jest, aby występowała ona podczas próby zginania przy nieco niższych, ale wyższych naprężeniach niż te uzyskane podczas badania wytrzymałości pręta na rozciąganie. Po przekroczeniu granicy plastyczności stali w strefach rozciągania podpór obciążenia można zwiększyć, jeśli podpory zostaną odpowiednio zabezpieczone przed wyboczeniem lub skręceniem.
Próba zginania: zdjęcie przedstawia procedurę laboratoryjną, a nie kryteria akceptacji produktu. Geometria próbki, podpory, prędkość, temperatura, kierunek walcowania i kryteria klasyfikacji muszą odpowiadać zastosowanej normie i dokładnemu typowi stali.
Wytrzymałość zmęczeniowa stali
Właściwości wytrzymałościowe określone podczas zwykłych testów rozciągania, ściskania lub zginania dostarczają szczegółowych informacji na temat zachowania stali pod obciążeniem statycznym. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę, że granica plastyczności podczas długotrwałego obciążenia statycznego będzie nieco niższa niż granica uzyskana podczas zwykłych testów aż do awarii. Jeśli po obciążeniach statycznych następują częste obciążenia (np. mosty, tory suwnicowe, pojazdy) lub jeśli w ogóle działają tylko częste obciążenia, wówczas dane o materiale można uzyskać jedynie na podstawie jego zachowania w warunkach najbardziej zbliżonych do warunków praktycznych. Dlatego stale na elementy konstrukcyjne, które będą głównie narażone na obciążenia ruchome, poddawane są częstym obciążeniom.
Najczęściej obciążenia stacjonarne i ruchome występują jednocześnie. Poniższe przykłady zarysowują istotę problemu. Pręty pokazane na zdjęciu1są wykonane z tego samego materiału i odlane z tego samego pręta. Dolny pręt jest powoli wyginany w wyniku stopniowego obciążenia; dlatego może być wygięty. Górny pręt jest wielokrotnie poddawany wielokrotnym obciążeniom, przy czym naprężenia są znacznie mniejsze niż te panujące w pierwszym pręcie. Po pewnym czasie górny pręt pękł, nie wykazując żadnych trwałych odkształceń w okolicy złamania. Zgodnie z tym zachowanie materiału w momencie zniszczenia zależy w dużym stopniu od sposobu przyłożenia obciążenia. Podany przykład, który odnosi się do obciążeń zginających, jest charakterystyczny także dla innych rodzajów obciążeń. Na zdjęciach2I3pokazano przykłady prób rozciągania; zdjęcie2odnosi się do prostego przykładu testu rozdzierania, a ryc3do jednokierunkowych testów napięcia zmiennego.
Jeśli chodzi o zastosowanie tych faktów, ważne jest, aby – poza zachowaniem wykazanym podczas zwykłej próby rozrywania – szczególnie ocenić wartość elementu konstrukcyjnego, który został nawiercony lub którego przekrój uległ innym zmianom. Wytrzymałość pręta wierconego na częste obciążenia jest znacznie mniejsza niż rezystancja pręta niewierconego, ponieważ na krawędziach otworu pojawiają się progi napięcia. Naprężenia na krawędzi otworu, jeśli są spowodowane częstymi obciążeniami, zawsze będą znacznie wyższe niż naprężenia średnie. W rezultacie nawiercane elementy konstrukcyjne poddawane częstym obciążeniom wykazują znacznie mniejszą wytrzymałość niż elementy niewiercone.
Końcowa uwaga na temat zmęczenia: pękanie zmęczeniowe może wystąpić przy naprężeniach niższych niż te, które powodują widoczne odkształcenie plastyczne. Otwory, detale spawane, nagłe zmiany przekroju, korozja i uszkodzenia zmieniają kategorię detali i ich żywotność. Konstrukcje poddawane wielokrotnym obciążeniom wymagają specjalnych obliczeń zmęczeniowych, planu kontroli i fachowej oceny każdego wykrytego pęknięcia.