Архівний експертний вміст: стаття зберігає історичні позначення, таблиці та заяви про склад і механічні властивості сталі, але не є дійсним стандартом, специфікацією матеріалу, сертифікатом, розрахунком конструкції або інструкцією з термічної обробки та випробувань. Розрахункові значення залежать від точно визначеного типу та партії сталі, умов виробництва, товщини, температури, зварюваності, міцності, втоми та застосовуваного стандарту. Матеріал підшипника повинен мати простежувану документацію та бути обраний і перевірений відповідальним експертом.
Savo Kusić сьогодні зосереджується на дерев’яних вікнах, дерево-алюмінієвих вікнах, вікнах на замовлення, дверях та запитах на пропозиції. Ця стаття залишається як історичний архів і не є пропозицією щодо виготовлення арматури, проектування або випробування сталевих конструкцій.
Склад та історичні ознаки конструкційної сталі
Шляхом плавлення залізної руди, змішаної з паливом, і з додаванням домішок - зазвичай вапняку - а також шляхом введення нагрітого повітря під тиском у доменну піч, отримують чавун. Чавун містить понад 1,7% вуглецю; його не можна кувати, прокатувати, точити чи пресувати - отже, йому не можна формувати різними способами. Коване залізо виробляють із чавуну шляхом продування повітря в базовому конвертері або із залізного брухту та чавуну в печі (піч Сіменса-Мартіна). З нього можна створювати різні форми шляхом прокатки, пресування та кування. Усе коване залізо називається сталлю.
Історичні таблиці: Старі марки сталі, стандарти, допустимі значення та процедури згинання в наведених таблицях не можна використовувати для джерела, ідентифікації або розміру сучасного матеріалу. Лише етикетка та документація поставленої партії є дійсними з перевіркою еквівалентності відповідно до узгодженого та застосовного стандарту.
Хімічний склад конструкційної сталі
Технічне залізо — це не чисте залізо, а сплав основних елементів заліза і вуглецю, найчастіше з добавками марганцю, кремнію, фосфору, сумбору і міді, рідше — алюмінію, хрому, нікелю, молібдену та ін. Найважливішою домішкою є вуглець. Межа текучості та межа міцності розплавленої сталі зростають зі збільшенням вмісту вуглецю, поки не буде досягнуто приблизно 0,9% вуглецю; подовження при розриві зменшується зі збільшенням вмісту вуглецю. Зі сталлю з високим вмістом вуглецю слід поводитись обережніше під час випрямлення, згинання, викривлення тощо.
Конструкційні сталі St 37.12, як правило, містять 0,08-0,15% вуглець, потім приблизно 0,5% марганець, до 0,3% кремній. Вміст фосфору і сірки має бути низьким; це становить 0,09% та 0,05% відповідно. Як правило, понад 0,2%.
Під час оцінки результатів хімічних аналізів слід звернути увагу на те, чи це аналізи розплавів чи аналізи прокату; для останнього важливо, чи дані зразків стосуються зразків, що походять із усієї секції, чи зразків, взятих із певного місця (з керна, з краю, з одного кінця).
Конструкція сталі, загартування, відпустка та відпал
Спостереження за структурою проводиться на плоских, ретельно оброблених, відшліфованих і відполірованих поверхнях, які, як правило, роз’їдаються кислотами. У деяких випадках (наприклад, на перегрітій сталі) зерна сталі можна розпізнати неозброєним оком на підготовлених зразках.
Зображення 1 показує структуру повільно охолодженої сталі з вмістом вуглецю приблизно 0,1%, а зображення 2 показує структуру повільно охолодженої сталі з вмістом вуглецю приблизно 0,3%. Легкі зерна не містять вуглецю і складаються в основному з чистого заліза (звідси назва фериту); при великому збільшенні темні ділянки виглядають смугастими (перліт). Під мікроскопом можна розпізнати, що темні плями складаються з більш твердих і м’яких шарів; більш тверді шари - це карбід заліза (Fe3C), званий цементитом, який вбудований у більш м’який ферит. Локали - кристали, що утворюються при високій температурі, розпадаються при поступовому охолодженні. Раптове охолодження гарячої сталі запобігає розпаду кристалів. З іншого боку, якщо перед початком перетворення твердого розчину відбувається раптове охолодження, тоді розчин, який інакше може існувати лише при високих температурах, продовжуватиме підтримуватися при кімнатній температурі. У цьому випадку ми отримуємо не матеріал, вуглець якого розподілений у вигляді плям, а матеріал з рівномірно розподіленим вуглецем. Сталь у такому стані демонструє набагато вищу межу текучості та міцність на розрив, ніж повільно охолоджена сталь того самого хімічного складу, але вона також демонструє меншу оброблюваність; така сталь називається загартована сталь.
Цілком природно, що охолоджуючий ефект найбільше виражений на поверхнях, а слабшає всередину, що дуже важливо для використання сталі. Загартована сталь містить високі внутрішні напруги.
Лабораторні та термічні процедури: металографічне кислотне травлення, нагрівання, гарт і відпал потребують контрольованої лабораторії чи майстерні, визначеного матеріалу, відповідного обладнання та захисту. Неналежна термічна обробка може спричинити тріщини, деформації, втрату міцності та високі залишкові напруги.
Поведінка сталі під час випробування на розтяг
1. Звичайні конструкційні сталі в прокатаному стані
Випробовуючи на розтяг, в першу чергу можна визначити модуль пружності E як для повного, так і для пружного подовження. Модуль пружності сталі 200 ГПа.
Постійні подовження виникають при низьких напругах, але вони не мають особливого значення в конструкції. Звичайна сталь починає «текти» під навантаженнями, які для комерційної будівельної сталі St 37 та бетонної сталі I здебільшого перевищують 0,24 ГПа, а у великих перерізах це значення може знизитися до 0,18 ГПа. В результаті текучості виникають великі остаточні деформації та «межі текучості». Лінія діаграми подовження сталі (малюнок нижче) показує, що межа текучості перевищена (при навантаженні на розтяг ця межа також називається межею текучості).
Коли у залізобетонних балках межа розтягування арматури перевищена в зоні розтягування, у сталі виникають значні подовження, внаслідок чого в зоні розтягнення балки утворюються тріщини та вигини, що погіршує несучу здатність балки. На сталях з високим вмістом вуглецю, на загартованих сталях і загалом на кольорових металах характерна межа текучості, показана на малюнку вище, не відображається; постійне подовження зазвичай збільшується, і немає чіткої межі текучості. У таких випадках, як правило, межа текучості вважається рівною навантаженню, при якому відбувається постійне подовження 0,2%.
**Значення не є розрахунковими даними: ** модуль пружності, межа текучості, міцність і подовження в тексті перенесені з історичного джерела. Для розрахунку беруться характерні та розрахункові значення точного сучасного класу, товщини та стану доставки, а також відповідні часткові коефіцієнти, допуски та вимоги до міцності, зварюваності та втоми.
2. Холоднотягнуті сталі
У кожному сталевому стрижні, який випрямлений або зігнутий, відбувається локальна холоднотягнута сталь. При цьому сталь локально напружується за межею текучості; на кресленій частині ліміт малювання збільшується. Якщо простий сталевий стрижень навантажувати в розтягнутому стані до перевищення межі текучості, то при повторному навантаженні спостерігається збільшення межі текучості. Чим довший інтервал часу «паузи» між двома навантаженнями, тим більше зростатиме межа плинності.
Крім того, оскільки під час холодного розтягування діаметр також зменшується пропорційно подовженню прутка, тому сталь, яка була піддана значному розтягуванню перед випробуванням, демонструватиме значно вищу межу текучості та міцність на розтяг, ніж сталь, яка не була розтягнута; в той же час він демонструватиме меншу ударостійкість.
Холодне волочіння використовується у виробництві бетонних сталей IIb, IIIb, IVb (тор-сталь, сталеві будівельні сітки), а також у виробництві дроту для попередньо напруженої арматури та канатів підвісних мостів.
Холодна робота та армування: Історичні холоднотягнуті класи та описи не вказують на сучасний продукт. Згинання, випрямлення, повторне згинання, зварювання або нагрівання арматури може змінити властивості та дозволяється лише тоді, коли це дозволено документацією продукту, конструкцією та відповідним стандартом.
Поведінка сталі під час випробування тиском
Те, що було сказано про пружність і межу розтягування розплавленої сталі, у відповідному сенсі стосується навантаження тиском. Значення межі текучості конструкційної сталі (у випадку тиску це називається межею текучості), отримані при випробуванні на стиск і випробування на розтяг, не сильно відрізняються. Однак під тиском збільшення навантаження понад межу розчавлення можливе лише з дуже короткими елементами.
Для тонких вудилищ застосовуються закони прогину. При цьому, в першу чергу, слід враховувати відповідні припущення, чи стосуються вони способу опори та затискання кінців стрижня, чи відхилень осі стрижня від встановленого положення.
Пресовані елементи: сама по собі міцність матеріалу не визначає несучу здатність стрижня. Гнучкість, початкова кривизна, залишкові напруги, локальне та глобальне вигинання, опори, з’єднання та дефекти повинні бути включені в розрахунок бетонного елемента.
Поведінка сталі під час випробування на вигин
Щодо межі текучості (спостережуваної зовні за великими прогинами опор або за лініями текучості), важливо, що вона відбуватиметься під час випробування на згин при дещо нижчих, але вищих напругах, ніж ті, які отримані під час випробування міцності на розрив випробувального стрижня. Після перевищення межі текучості сталі в зонах розтягування опор навантаження можуть бути збільшені, якщо опори достатньо захищені від вигину або скручування.
Випробування на згинання: фото показує лабораторну процедуру, а не критерії прийнятності продукту. Геометрія зразка, опори, швидкість, температура, напрямок прокатки та критерії сортування повинні відповідати застосованому стандарту та точному типу сталі.
Втомна міцність сталі
Властивості міцності, визначені під час звичайних випробувань на розтяг, стиск або вигин, надають детальну інформацію про поведінку сталі під статичним навантаженням. При цьому слід враховувати, що межа текучості при довготривалому статичному навантаженні буде дещо нижчою за межу, отриману при звичайних випробуваннях до руйнування. Якщо статичні навантаження супроводжуються частими навантаженнями (наприклад, мости, кранові колії, транспортні засоби) або якщо взагалі діють лише часті навантаження, то дані про матеріал можна отримати лише на основі його поведінки в умовах, які найбільше відповідають практичним умовам. Тому сталі для будівельних елементів, які в основному будуть піддаватися рухомим навантаженням, перевіряються частим навантаженням.
Найчастіше стаціонарне і рухоме навантаження виникають одночасно. Наступні приклади окреслюють суть проблеми. Стрижні показані на малюнку1вони виготовлені з одного матеріалу і відлиті з одного прута. Нижня штанга повільно згинається шляхом поступового навантаження; отже, його можна було зігнути. Верхній стрижень неодноразово піддається багаторазовому навантаженню, при цьому напруги значно нижчі, ніж ті, що переважають у першому стрижні. Через деякий час верхній стрижень зламався, не виявивши жодної постійної деформації навколо зламу. Згідно з цим, поведінка матеріалу при руйнуванні значною мірою залежить від того, як прикладено навантаження. Наведений вище приклад, який відноситься до навантаження на вигин, характерний і для інших видів навантажень. На картинках2і3наведено приклади випробувань на розтяг; малюнок2відноситься до простого прикладу тесту на розрив, а рис3до випробувань на односпрямований змінний натяг.
Що стосується застосування цих фактів, важливо, що - крім поведінки, показаної під час звичайного випробування на розрив - слід особливо оцінити вартість елемента конструкції, який був просвердлений або чий поперечний переріз зазнав інших змін. Стійкість просвердленої штанги до частих навантажень значно нижче опору непробуреної штанги, так як на краях отвору виникають пороги напруги. Напруга на краю отвору, викликана частими навантаженнями, завжди буде значно вищою за середню напругу. Наслідком цього є те, що просвердлені елементи конструкції під частими навантаженнями демонструють набагато меншу міцність, ніж елементи без просвердлення.
Останнє зауваження щодо втоми: втомне розтріскування може виникнути при напруженнях, нижчих за ті, що викликають видиму пластичну деформацію. Отвори, зварні деталі, різкі зміни перерізу, корозія і пошкодження змінюють категорію деталей і термін служби. Конструкції, що піддаються повторним навантаженням, вимагають спеціального розрахунку на втому, плану огляду та експертної оцінки кожної виявленої тріщини.