Архивный экспертный контент: статья сохраняет исторические обозначения, таблицы и заявления о составе и механических свойствах стали, но не является действующим стандартом, спецификацией материала, сертификатом, строительным расчетом или инструкцией по термообработке и испытаниям. Расчетные значения зависят от точно определенного типа и партии стали, условий производства, толщины, температуры, свариваемости, ударной вязкости, усталости и применимого стандарта. Материал подшипника должен иметь отслеживаемую документацию, быть выбран и проверен ответственным экспертом.
Саво Кусич сегодня фокусируется на деревянных окнах, дерево-алюминиевых окнах, окнах на заказ, дверях и запросах цен. Данная статья остается историческим архивом и не представляет собой предложение по изготовлению арматуры, проектированию или испытаниям стальных конструкций.
Состав и историческая маркировка строительной стали.
Путем плавления железных руд, смешанных с топливом, и с добавлением примесей – обычно известняка – а также путем введения нагретого воздуха под давлением в доменную печь получают чугун. Чугун содержит более 1,7% углерода; его нельзя выковать, прокатать, выточить или спрессовать – следовательно, ему нельзя придать различные формы. Кованое железо производят из чугуна путем продувки воздухом в основном конвертере или из чугунного лома и чугуна в печи (печи Сименса-Мартина). Из него можно создавать различные формы путем прокатки, прессования и ковки. Все кованое железо называется сталью.
Исторические таблицы: Старые марки стали, стандарты, допустимые значения и процедуры гибки в показанных таблицах не должны использоваться для поиска, идентификации или определения размеров современного материала. Действительны только этикетка и документация поставленной партии с проверкой эквивалентности в соответствии с согласованным и применимым стандартом.
Химический состав строительной стали
Техническое железо — это не чистое железо, а сплав основных элементов железа и углерода, обычно с добавкой марганца, кремния, фосфора, сумбора и меди, реже с алюминием, хромом, никелем, молибденом и т. д. Важнейшей примесью является углерод. Предел текучести и предел прочности расплавленной стали увеличиваются с увеличением содержания углерода, пока не достигают прибл.0,9%углерод; удлинение при разрыве уменьшается по мере увеличения содержания углерода. Со сталью с повышенным содержанием углерода необходимо обращаться более осторожно при правке, изгибе, короблении и т. д.
Конструкционные стали St 37.12 как правило содержат углерод 0,08-0,15%, затем около 0,5% марганца, вплоть до 0,3% кремния. Содержание фосфора и серы должно быть низким; это составляет 0,09% и 0,05% соответственно. Как правило, выше 0,2%.
При оценке результатов химических анализов необходимо обращать внимание на то, являются ли они анализами плавок или анализами проката; для последнего важно, относятся ли данные пробы к пробам, происходящим со всего участка, или к пробам, взятым из определенного места (из ядра, с края, с одного конца).
Стальная конструкция, закалка, отпуск и отжиг
Наблюдение за структурой проводится на плоских, тщательно обработанных, шлифованных и полированных поверхностях, которые, как правило, подвержены коррозии кислотами. В некоторых случаях (например, на перегретой стали) на подготовленных образцах стальные зерна можно распознать невооруженным глазом.
На рисунке 1 показана структура медленно охлажденной стали с содержанием углерода около 0,1%, а на рисунке 2 показана структура медленно охлажденной стали с содержанием углерода около 0,3%. Легкие зерна не содержат углерода и состоят преимущественно из чистого железа (отсюда и название феррит); при большом увеличении темные участки кажутся полосатыми (перлит). Под микроскопом можно распознать, что темные пятна состоят из более твердых и мягких слоев; более твердые слои представляют собой карбид железа (Fe3C), называемый цементитом, который внедрен в более мягкий феррит. Местные – кристаллы, образовавшиеся при высокой температуре, при постепенном охлаждении распадаются. Внезапное охлаждение горячей стали предотвращает распад кристаллов. Если, с другой стороны, резкое охлаждение будет произведено до того, как начнется превращение твердого раствора, то раствор, который в противном случае может существовать только при высоких температурах, будет продолжать поддерживаться при комнатной температуре. В этом случае мы получаем не материал, углерод которого распределен в виде пятен, а материал с равномерным распределением углерода. Сталь в этом состоянии демонстрирует гораздо более высокий предел текучести и более высокую прочность на разрыв, чем медленно охлажденная сталь того же химического состава, но также демонстрирует меньшую обрабатываемость; такая сталь называется закаленной сталью.
Естественно, что охлаждающий эффект наиболее выражен на поверхностях, тогда как к внутренней части он ослабевает, что имеет большое значение при использовании стали. Закаленная сталь содержит высокие внутренние напряжения.
Лабораторные и термические процедуры: металлографическое кислотное травление, нагрев, отпуск и отжиг требуют контролируемой лаборатории или мастерской, определенного материала, соответствующего оборудования и защиты. Неправильная термообработка может привести к появлению трещин, деформаций, потере ударной вязкости и высоким остаточным напряжениям.
Поведение стали при испытаниях на растяжение
1. Стали обыкновенные конструкционные в прокатном состоянии
По результатам испытания на растяжение в первую очередь можно определить модуль упругости Е как для общего, так и для упругого удлинения. Модуль упругости стали 200 ГПа.
Остаточные удлинения возникают при малых напряжениях, но особого значения в строительстве они не имеют. Обычная сталь начинает «поддаваться» под нагрузками, что для коммерческой строительной стали Ст.37и бетонную сталь я в основном превосходю0,24ГПа, а на больших участках это значение может быть снижено до0,18ГПа. В результате течения возникают большие остаточные деформации и «линии текучести». Линия диаграммы удлинения стали (рисунок ниже) показывает превышение предела текучести (при растягивающей нагрузке этот предел еще называют пределом текучести).
При превышении предела растяжения арматуры в растянутой зоне в случае железобетонных балок в стали возникают значительные удлинения, в результате чего в растянутой зоне балки создаются трещины и изгибы, что ухудшает несущую способность балки. На сталях с повышенным содержанием углерода, на закаленных сталях и вообще на цветных металлах характерный предел текучести, показанный на рисунке выше, не проявляется; Постоянное удлинение обычно увеличивается, и четко выраженного предела текучести нет. В таких случаях, как правило, предел текучести принимают равным нагрузке, при которой возникает остаточное удлинение 0,2%.
Значения не являются расчетными данными: модуль упругости, предел текучести, прочность и относительное удлинение в тексте перенесены из исторического источника. Для расчета берутся характеристические и расчетные значения точного современного класса, толщины и состояния поставки, а также соответствующие частные коэффициенты, допуски и требования к ударной вязкости, свариваемости и усталости.
2. Холоднотянутая сталь
В каждом выпрямленном или согнутом стальном стержне содержится локально холоднотянутая сталь. При этом сталь подвергается локальному напряжению, превышающему предел текучести; на вытянутой детали предел прорисовки увеличивается. Если простой стальной стержень нагружать на растяжение до превышения предела текучести, то при повторном нагружении наблюдается увеличение значения предела текучести. Чем длиннее временной интервал «паузы» между двумя нагрузками, тем больше увеличится предел текучести.
Кроме того, поскольку при холодном растяжении диаметр также уменьшается пропорционально удлинению прутка, сталь, подвергшаяся перед испытанием значительному растяжению, покажет значительно более высокий предел текучести и предел прочности, чем сталь, не подвергавшаяся растяжению; в то же время он будет демонстрировать меньшую ударопрочность.
Холодное волочение применяют при производстве бетонных сталей IIб, IIIб, IVб (торсталь, стальная строительная сетка), а также при производстве проволоки для предварительно напряженной арматуры и канатов подвесных мостов.
Холодная обработка и армирование: Исторические оценки и описания холодной вытяжки не являются показателем современного продукта. Изгиб, выпрямление, повторный изгиб, сварка или нагрев арматуры могут изменить свойства и допускается только в том случае, если это разрешено документацией на изделие, конструкцией и действующим стандартом.
Поведение стали при испытаниях давлением
То, что было сказано об упругости и пределе растяжения расплавленной стали, в соответствующем смысле применимо и к сжимающей нагрузке. Значения предела текучести конструкционной стали (в случае давления его называют пределом текучести), полученные при испытании на сжатие и при испытании на растяжение, существенно не различаются. Однако под давлением увеличение нагрузки сверх предела смятия возможно только при очень коротких элементах.
Законы изгиба применимы к тонким стержням. При этом в первую очередь следует учитывать соответствующие допущения, относятся ли они к способу опирания и защемления концов стержня или к отклонениям оси стержня от установленного положения.
Прессованные элементы: прочность материала сама по себе не определяет несущую способность стержня. Гибкость, начальная кривизна, остаточные напряжения, местное и общее выпучивание, опоры, стыки и дефекты должны быть включены в расчет бетонного элемента.
Поведение стали при испытании на изгиб
Что касается точки текучести (наблюдаемой снаружи по большим прогибам опор или по линиям текучести), важно, чтобы она возникала во время испытания на изгиб при немного меньших, но более высоких напряжениях, чем те, которые получены при испытании прочности на растяжение испытательного стержня. После превышения предела текучести стали в зонах растяжения опор нагрузки могут быть увеличены, если опоры достаточно защищены от продольного изгиба или скручивания.
Испытание на изгиб: на фотографии показана лабораторная процедура, а не критерии приемки продукта. Геометрия образца, опоры, скорость, температура, направление прокатки и критерии сортности должны соответствовать применяемому стандарту и конкретному типу стали.
Усталостная прочность стали
Прочностные характеристики, определенные в ходе обычных испытаний на растяжение, сжатие или изгиб, предоставляют подробную информацию о поведении стали при статической нагрузке. При этом следует учитывать, что предел текучести при длительном статическом нагружении будет несколько ниже предела, полученного при обычных испытаниях до разрушения. Если за статическими нагрузками следуют частые нагрузки (например, мосты, подкрановые пути, транспортные средства) или если вообще действуют только частые нагрузки, то данные о материале можно получить только на основании его поведения в условиях, наиболее соответствующих практическим условиям. Поэтому стали для строительных элементов, которые в основном будут подвергаться движущимся нагрузкам, испытываются частыми нагрузками.
Чаще всего стационарные и движущиеся нагрузки возникают одновременно. Следующие примеры отражают суть проблемы. Стержни изображены на картинке1они сделаны из одного и того же материала и отлиты из одного бруска. Нижний стержень медленно сгибается путем постепенной нагрузки; следовательно, он мог погнуться. Верхний стержень неоднократно подвергается повторяющимся нагрузкам, при этом напряжения значительно меньшие, чем те, которые преобладают в первом стержне. Через некоторое время верхний стержень сломался, не обнаружив какой-либо постоянной деформации вокруг перелома. Согласно этому поведение материала при разрушении существенно зависит от способа приложения нагрузки. Приведенный пример, относящийся к изгибающим нагрузкам, характерен и для других видов нагрузок. На фотографиях2и3показаны примеры испытаний на растяжение; картина2относится к простому примеру испытания на разрыв, а рис.3к однонаправленным испытаниям на переменное растяжение.
Что касается применения этих фактов, важно, чтобы, помимо поведения, показанного во время обычного испытания на разрыв, была особенно оценена ценность строительного элемента, который был просверлен или поперечное сечение которого претерпело другие изменения. Устойчивость просверленного стержня к частым нагрузкам значительно ниже сопротивления непросверленного стержня, так как на краях отверстия появляются пороги напряжения. Напряжение на краю отверстия, если оно вызвано частыми нагрузками, всегда будет значительно выше среднего напряжения. В результате элементы конструкции с отверстиями при частых нагрузках демонстрируют гораздо меньшую прочность, чем элементы без отверстий.
И последнее замечание об усталости: усталостное растрескивание может возникнуть при напряжениях ниже тех, которые вызывают видимую пластическую деформацию. Отверстия, сварные детали, резкие изменения сечения, коррозия и повреждения меняют категорию деталей и срок их службы. Конструкции, подвергающиеся многократному нагружению, требуют специального усталостного расчета, плана обследования и экспертной оценки каждой обнаруженной трещины.