Материалы для МК Их состав и свойства I

Материалы для МК. Их состав и свойства. I. Сталь - это сплав железа с углеродом (до 2%) и незначительным количеством примесей (которые не выводятся преднамеренно, а попадают из руды или образуются в процессе выплавки), а так же легирующих компонентов (которые вводят для улучшения свойств стали). В зависимости от содержания легирующих компонентов стали делятся на 4 группы: 1. Углеродистые – ЛК легирующих компонентов специально не вводятся: 2. Низколегированные - ЛK < 2, 5%; 3. Среднелегированные - ЛК (2, 5 - 10)%; 4. Высоколегированные - ЛK > 10%;

В строительстве применяются углеродистые, низколегированные и в незначительных количествах среднелегированные стали Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на: • Низкоуглеродистые - У < 0. 25%; • Среднеуглеродистые - У (0. 25 - 0. 6)%; • Высокоуглеродистые - У ( 0. 6 - 2)%.

• Низкоуглеродистая сталь применяется в строительстве , среднеуглеродистая – в станкостроении , высокоуглеродистая – инструментальная. • По способу выплавки стали подразделяются на мартеновские и конверторные. • Дл я оценки свойств и качества сталей основными техническими характеристиками являются их механические свойства и химический состав.

Механические свойства сталей характеризуют следующие основные показатели: σ (МПа) σ в σв(Run) Твердая сталь σт(Ryn) Мягкая сталь 0 2% (10 -12)% 25% ε, (%)

– 1. Предел текучести (σт характеризует напряжение, до достижения которого можно считать металл работающим упруго. (σт - является началом границы пластической стадии работы металла, его текучести, т. е. началом возрастания деформаций при неизменной нагрузке. – 2. Временное сопротивление σв. характеризует прочность стали. Условное напряжение разрыва растянутого образца (отношение разрушающей нагрузки к первоначальной площади сечения). – 3. Относительное удлинение ε. характеризует пластические свойства стали.

– 4. Ударная вязкость ак, характеризует склонность стали к хрупкому разрушению ( эта склонность зависит от структуры стали, ее чистоты и однородности). Сравнительной оценкой склонности стали к хрупкому разрушению служит ее сопротивляемость удару. За меру прочности стали при ударной нагрузке принимают работу, необходимую для разрушения стандартного образца с надрезом, отнесенную к поперечному сечению в 1 см 2. Это удельная работа называется ударной вязкостью aк. выраженной в Дж на 1 см 2: ак = Дж/см 2.

10 10 400 600 -5 Хрупкость характеризуется разрушением материала при малых деформациях в пределах его упругой работы. Разрушение это происходит путем отрыва без площадки текучести и пластической стадии. К условиям, способствующим появлению хрупкости относятся явления вызывающие наклеп, старение, неравномерность в распределении напряжений, температурные изменения.

Влияние температуры: • При нагреве стали до температуры: to=(200 -250) o. C - механические свойства малоуглеродистых сталей практически не меняются; to=(300 -330) o. C - синеломкость: сталь становится более хрупкой. • Отрицательная температура несколько повышает прочность стали, но способствует ее хрупкости. to≈ -10 ° - пластичность стали заметно уменьшается; стали to≈ -45° - для малоуглеродистой стали; становятся o ≈-60° - для низколегированной стали. t хрупкими

Химический состав стали; Работа стали в конструкциях существенно зависит от ее структуры, от условий ее кристаллизации. В процессе кристаллизации выделяется большое количество газов и неметаллический включений. Бурное выделение газов(кипение) способствует образованию мелких газовых пузырей, около которых могут находиться неметаллические включения и примеси, ухудшающие качество стали. Сталь полученная таким образом называется кипящей - КП. СП - спокойная сталь- выгодно отличается от кипящей тем, что ее остывание происходит спокойно, без бурного выделения газов, что достигается введением раскислителей. ПС- полуспокойная сталь- не полностью раскисленная сталь. Химический состав стали характеризуется процентным содержанием в ней различных компонентов и примесей:

ü Углерод (У) - повышает предел текучести, и временное сопротивление стали, уменьшает пластичность и свариваемость. ü Кремний (С) - повышает прочность, хорошо раскисляет сталь, но снижает пластичность и свариваемость. ü Марганец (Г) - повышает прочность, обладает свойствами раскисли геля, снижает пластичность и вредное влияние серы. ü Медь (Д) - несколько повышает прочность стали, увеличивает стойкость ее против коррозии. ü Алюминий (Ю) - хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, улучшает ударную вязкость. ü Азот (А) - в несвязанном состоянии увеличивает хрупкость стали , способствует старению. В химически связанном состоянии, образуя нитриды, становится легирующим элементом, улучшает структуру и механические свойства стали.

Никель (Н), Хром(Х), Ванадий(Ф), Вольфрам(В), Молибден(М), Титан(Т), Бор(Р) Являются легирующими компонентами , улучшающими те или иные механические свойства стали.

Подразделение сталей: Низкоуглеродистые и низколегированные стали подразделяются на стали с обозначениями: ― Низкоуглеродистые: С 235; С 245; С 255; С 275; С 285; ― Низколегированные: С 345; С 345 К; С 375; С 390 К; С 440; С 590 К. Эти стали применяются для конструкций из листового и фасонного проката, (для фасонного от С 235 до С 275). Низкоуглеродистые и низколегированные марки стали ВСт. ЗКп, ВСт. ЗПС, ВСт. ЗСП. , 09 Г 2 С, 16 Г 2 АФ - применяются только для конструкций из труб. С - сталь, указывает на принадлежность стали к строительным конструкциям; 235, 245. . . - соответствуют значению предела текучести Rуn(МПа) для наименьшей толщины проката.

К - эта литера указывает химическую модификацию состава стали. Т - эта литера указывает на термическую обработку стали, например С 245 Т. Д- эта литера указывает на повышенное содержание меди, например С 345 Д. Уровень обеспеченности для нормативных механических характеристик (Ryn , Run) – 0, 95(95%). За толщину фасонного проката следует принимать толщину полки. Основной строительной сталью является сталь - Ст. З Поставка стали по ГОСТ 380 -71 предусматривает группы А, Б, В. • Группа А - гарантия механических свойств; • Группа Б - гарантия химического состава; • Группа В - гарантия механических свойств и химического состава; Для сталей предусмотрено 15 категорий.

Для ориентировочной характеристики химического состава низколегированных сталей принята следующая система обозначений: → Первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; → Буквами обозначаются условные наименования легирующих компонентов; → Цифры после букв указывают примерный процент содержания этих элементов (в целых числах), превышающих 1%; → Содержание компонентов менее 0. 3% не отмечается. Например: 09 Г 2 С 0. 09% - углерода: Г- марганец; 2 - 2% марганца; С - кремний от 0, 3 до 1 %; 16 Г 2 АФ 0, 16%-углерода; Г 2 -2% марганца ; АФ – азот, ванадий от 0, 3 до 1%

Выбор стали: • В зависимости от условий эксплуатации , ответственности конструкций и климатических условий все стальные конструкции подразделяются на 4 группы. • К первой группе относятся конструкции работающие в особо тяжелых условиях. • К каждой последующей группе относятся конструкции работающие во все более легком режиме эксплуатации(см. СНи. П II-23 -81* стр. 61 таб. 50*)

II. Алюминиевые сплавы: Достоинства АС: 1. Относительно высокая прочность при малой плотности самого материала (ро = 2700 кг/м 3); 2. Высокая технологичность при обработке прессованием, прокаткой или ковкой, позволяющая изготавливать изделия сложной формы: 3. Высокая стойкость против коррозии; 4. Высокие механические характеристики при отрицательных температурах; 5. Отсутствие искрообразования при ударных воздействиях;

Недостатки АС: 1. Относительно небольшой модуль упругости (для стали - Еs = 2. 1 * 1 0⁵МПа; EAS 0, 7 *10⁵ МПа) 2. Высокий коэффициент температурного расширения (для стали - (αs = 1, 2 * 10⁻⁶ ; для алюминия αAS = 2, 3 *10⁻⁶) 3. Относительная сложность выполнения соединений; 4. Дефицитность; 5. Высокая стоимость; 6. Относительная малая огнестойкость (при 1° > 200°С начинается ползучесть).

Алюминиевые сплавы поставляют в различных состояниях термической обработки и нагартовки: М - отожженный (мягкий); П - полунагартованный; Н - нагартованный; Т - закаленный и естественно состаренный; Т 1 - закаленный и искусственно состаренный; Термическая обработка повышает прочностные характеристики сплавов в 1. 3 - 1. 5 раза. При сварке конструкций из термически обработанных сплавов происходит некоторое разупрочнение материала в зоне термического влияния. Термически не упрочняются сплавы марок АМг и АМц. Чтобы повысить коррозионную стойкость, алюминиевые сплавы могут быть покрыты тонким слоем чистого алюминия.

Алюминиевые сплавы для строительных конструкций Система сплава Наименование Марка и состояние поставки Термически неупрочняемые. Аl Al-Mn Аl-Мg Технический алюминий Алюминиевро. Mapгaнцовый сплав Алюминиево-магниевые сплавы АД 1 М АМц. М АМг 2 П Термически упрочняемые. Аl - Мg - Si Сплавы повышенной пластичности и коррозионной АД 31 Т 1 стойкости Аl - Мn - Мg - Zn - Тi Многокомпонентные сплавы 1 -925 Г 19151 Т

Диаграммы работы алюминиевых сплавов σ (МПа) 500 400 300 СТАЛЬ C 235 200 СПЛАВ 1915 Т 100 ТЕХНИЧЕСКИЙ АЛЛЮМИНИЙ АД 1 М 0 4 8 12 16 20 24 ε, %

Сортамент: В строительстве применяют сталь в виде прокатных изделий, получаемых с металлургических заводов и имеющих различную форму поперечного сечения. Различают сталь: 1. Профильную: - Сортовую (круглая, квадратная, полоса); - Фасонную ( Уголок, двутавр, швеллер). 2. Листовую Каталог прокатных профилей с указанием их формы, размеров и геометрических характеристик, массы, называют сортаментом.

Расчет элементов стальных конструкций. σ (МПа) σ в σв(Run) Твердая сталь σт(Ryn) Мягкая сталь 0 2% (10 -12)% 25% ε, (%)

Ryn- нормативное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу, принимаемое равным значению min предела текучести ( σт) по ГОСТ и техническим условиям на сталь. Run- нормативное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу, принимаемое равным значению min временного сопротивления (σв) по ГОСТ и техническим условиям на сталь. Значение расчетных сопротивлений получают делением нормативных сопротивлений [МПа] на коэффициент надежности по материалу.

Расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу по σт min Расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу по σв min ―Ym- коэффициент надежности по материалу, учитывает возможные изменения физико-механических свойств материалов; Ym=(1, 025 -1, 05).

• Значение - см. таб. 51*стр 17 Справочник. Уровень гарантированной обеспеченности характеризуется (Run, Ryn) – 0, 95 (95%) -Нормативное сопротивление стали сдвигу -Расчетное сопротивление стали сдвигу.

При расчете конструкций и соединений следует учитывать следующие коэффициенты: Yи =1, 3 - коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность по σв. Учитывает недостаточную изученность действительной работы конструкции. Yп -коэффициент надежности по назначению, вводиться для сооружений повышенной степени ответственности и капитальности, Yn ≥ 1; Yс =(0, 7÷ 1, 1 )коэффициент условий работы, учитывает возможные отклонения от нормальных условий эксплуатации (см. табл. 6* стр. 8 СНи. П II — 23 - 81*). Yb =(0, 85 -1)коэффициент условий работы болтовых соединений (см. табл. 35* стр. 40 СНи. П).

Расчет стальных конструкций производится по 2 -м группам предельных состояний. ü I группа п. с. - по непригодности к эксплуатации. ü Цель расчета : расчет по I группе П. С. Должен обеспечивать конструкцию от хрупкого , вязкого, усталостного или иного вида разрушения, от потери устойчивости , резонансных колебаний и т. д. ü Расчет по I группе П. С. ведется на действие расчетных нагрузок.

ü II группа п. с. – по пригодности к нормальной эксплуатации. ü Цель расчета: Расчет по II группе П. С. Должен обеспечивать конструкцию от чрезмерных перемещений (прогибов , углов поворота , перекоса , колебаний , осадок и т. д. ) , т. е. уберегает от состояния , затрудняющего нормальную эксплуатацию или снижающего долговечность конструкции. ü Расчет по II группе П. С. ведется на действие нормативных нагрузок.