Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Сучасне виробництво потребує великої кількості міцних сталевих виробів. При будівництві мостів, будинків, складних конструкцій використовують різні стали. Одним з найголовніших питань є розрахунок міцності металу і значення величини напруги сталевої арматури. Щоб конструкції служили довго і були безпечні необхідно точно знати межу плинності сталевого матеріалу, який піддається основного навантаження.
Основне визначення
У процесі використання на будь-яку споруду припадають різні навантаження у вигляді стиснень, розтягнень або ударів. Вони можуть діяти як відокремлено, так і спільно.
Сучасні конструктори прагнуть зменшити масу сталевих деталей для економії матеріалу, але при цьому не допустити критичного зниження несучої здатності всієї конструкції. Відбувається це зарахунок зменшення перетину сталевих арматур.
Залежно від призначення об'єктів, можуть змінюватися деякі вимоги до сталі, але є перелік стандартних та важливих показників. Їх величини розраховують на етапі проектування деталей і вузлів майбутньої споруди. Заготівля повинна володіти високою міцністю при відповідній пластичності.
В першу чергу при розрахунках міцності вироби зі сталі звертають увагу на межа плинності. Це значення характеризує поведінку деталей при впливах на них.
Межа плинності матеріалу - це величина критичної напруги, при якій матеріал продовжує самостійну деформацію без збільшення навантаження. Ця характеристика вимірюється в паскалях і дозволяє розраховувати максимально можлива напруга для пластичної стали.
Після проходження цієї межі в матеріалі відбуваються невідновні процеси спотворення кристалічної решітки. При подальшому збільшенні сили впливу на заготовку і подоланні майданчики плинності, деформація збільшується.
Межа плинності іноді плутають з межею пружності. Це схожі поняття, але межа пружності - це величина максимального опору металу і вона трохи нижче межі текучості.
Величина плинності приблизно на п'ять відсотків перевищує межу пружності.
Склад сталевих сплавів
Властивості металу залежать від сформованої кристалічної решітки, яка, в свою чергу, визначається вмістом вуглецю. Залежність типів решітки від кількості вуглецю добре простежується на структурної діаграмі. Якщо, наприклад, в решітці стали налічується до 0.06% вуглецю, то це класичний феррит, який має зернисту структуру. Такий матеріал неміцний, але текучий і має великий межа ударної в'язкості.
За структурою стали діляться на:
- феритної;
- перлітною-феритову;
- цементітних-феритної;
- цементітних-перлітову;
- перлитную.
Добавки вуглецю та міцність
Закон аддитивности підтверджується процентними змінами цементиту і фериту в сталі. Якщо кількість вуглецевої добавки становить близько 1, 2%, то межа плинності сталевого матеріалу збільшується і підвищується твердість, міцність і температуростойкость. При подальшому збільшенні вмісту вуглецю технічні параметри погіршуються. Сталь погано зварюється і неохоче піддається штампуванню. Найкращим чином при зварюванні поводяться сплави з невеликим вмістом вуглецю.
Марганець і кремній
У вигляді добавки, щоб збільшити ступінь розкислення, додатково додають марганець. Крім того, цей елемент зменшує шкідливий вплив сірки. Вміст марганцю зазвичай не більше 0.8% і він не впливає на технологічні властивості сплаву. Присутній як твердий компонент.
Кремній теж особливо не впливає на характеристики металу. Він необхідний для збільшення якості зварювання деталей. Зміст цього елемента не перевищує 0.38% і він додається під час процесу розкислення.
Сірка і фосфор
Сірка міститься в вигляді тендітних сульфітів. Підвищена кількість цього елемента впливає на механічні показники сплаву. Чим більше сірки, тим гірше пластичність, плинність і в'язкість сплаву. Якщо перевищено межу в 0.06%, то виріб сильніше піддається корозії і стає здатним до сильного стирання.
Наявність фосфору збільшує показник плинності, але при цьому зменшується пластичність і в'язкість. Загалом, підвищений вміст фосфору значно погіршує якість металу. Особливо шкідливо позначається на характеристиках спільне високий вміст фосфору і вуглецю. Допустимими межами вмісту фосфору вважаються значення від 0.025 до 0.044%.
Азот і кисень
Це неметалеві домішки, які знижують механічні властивості сплаву. Якщо вміст кисню більше ніж 0.03%, то метал швидше старіє, падають значення пластичності і в'язкості. Азотні добавки збільшують міцність, але в цьому випадку межа плинності зменшується. Підвищений вміст азоту робить сталь ламкою і сприяє швидкому старінню металевої конструкції.
Поведінка легуючих добавок
Для поліпшення всіх фізичних показників стали, в сплав додають спеціальні легуючі елементи. Такими добавками можуть бути вольфрам, молібден, нікель, хром, титан і ванадій. Спільне додавання в необхідних пропорціях, дає найприйнятніші результати.
Легування значно підвищує показник плинності, ударної в'язкості і перешкоджає деформації і розтріскування.
Перевірка сплаву
Перед запуском у виробництво для вивчення властивостей металевого сплаву, проводять випробування. На зразки металу впливають різними навантаженнями до повної втрати всіх властивостей.
Навантаження бувають:
- Статистичне навантаження.
- Перевірка на витривалість і втома стали.
- Розтягування елемента.
- Тестування на вигин і кручення.
- Спільна витривалість на вигин і розтягнення.
Для цих цілей застосовують спеціальні верстати і створюють умови, максимально наближені до режиму експлуатації майбутньої конструкції.
Проведення випробувань
Для проведення випробувань на циліндричний зразок перетином в двадцять міліметрів і розрахунковою довжиною в десять міліметрів застосовують навантаження на розтягнення. Сам зразок має довжину більше десяти міліметрів, щоб була можливість надійно його захопити, а на ньому відзначена довжина в десять міліметрів і саме вона називається розрахунковою. Силу розтягування збільшують і заміряють зростаюче подовження зразка. Для наочності дані наносять на графік. Він носить назву діаграми умовного розтягування.
При невеликому навантаженні зразок подовжується пропорційно. Коли сила розтягування досить збільшиться, то буде досягнута межа пропорційності. Після проходження цієї межі починається непропорційне подовження матеріалу при рівномірному зміні сили розтягування. Потім досягається межа, після проходження якого зразок не може повернутися до первісної довжині. При проходженні цього значення, зміна деталі, яка випробовується відбувається без збільшення сили розтягування. Наприклад, для сталевого прута Ст. 3 ця величина дорівнює 2450 кг на один квадратний сантиметр.
Невиражена точка плинності
Якщо при постійній силі впливу, матеріал здатний тривалий час самостійно деформуватися, то його називають ідеально пластичним.
При випробуваннях часто буває, що майданчик плинності нечітка визначена, тоді вводять визначення умовної межі текучості. Це означає, що сила, яка діє на метал, викликала деформацію або залишкове зміна близько 0.2%. Значення залишкового зміни залежить від пластичності металу.
Чим метал пластичнее, тим вище значення залишкової деформації. Типовими сплавами, в яких нечітко виражена така деформація, є мідь, латунь, алюміній, стали з малим вмістом вуглецю. Зразки цих сплавів називають ущільнюються.
Коли метал починає «текти» то, як показують досліди і дослідження, в ньому відбуваються сильні зміни в кристалічній решітці. На її поверхні з'являються лінії зсуву і шари кристалів значно зсуваються.
Після того як метал мимовільно розтягнувся, він переходить в наступний стан і знову набуває здатності опору. Потім сплав досягає своєї межі міцності і на деталі чітко проявляється найбільш слабка ділянка, на якому відбувається різке звуження зразка.
Площа поперечного перерізу стає менше і в цьому місці відбувається розрив і руйнування. Величина сили розтягування в цей момент падає разом зі значенням напруги і деталь рветься.
Високоміцні сплави витримують навантаження до 17500 кілограм на сантиметр квадратний. Межа міцності стали ст.3 знаходиться в межах 4-5 тис. Кілограмів на сантиметр квадратний.
характеристика пластичності
Пластичність матеріалу є важливим параметром, який повинен враховуватися при проектуванні конструкцій. Пластичність визначається двома показниками:
- залишковим подовженням;
- звуженням при розриві.
Залишковий подовження обчислюють шляхом заміру загальної довжини деталі після того, як вона розірвалася. Вона складається з суми довжин кожної половини зразка. Потім у відсотках визначають ставлення до первісної умовної довжині. Чим міцніше металевий сплав, тим менше значення відносного подовження.
Залишковий звуження - це відношення у відсотках самого вузького місця розриву до початкової площі перетину досліджуваного прута.
показник крихкості
Найкрихкішим металевим сплавом вважається інструментальна сталь і чавун. Крихкість - це властивість зворотне пластичності, і воно кілька умовно, оскільки сильно залежить від зовнішніх умов.
Такими умовами можуть бути:
- Температура навколишнього середовища. Чим нижче температура, тим тендітніші стає виріб.
- Швидкість зміни прикладеного зусилля.
- Вологість навколишнього середовища та інші параметри.
При зміні зовнішніх умов, один і той же матеріал поводиться по-різному. Якщо чавунну болванку затиснути з усіх боків, то вона не розбивається навіть при значних навантаженнях. А, наприклад, коли на сталевому пруті є проточки, то деталь ставати дуже крихкою.
Тому на практиці застосовують не поняття межі крихкості, а визначають стан зразка як крихке або досить пластичне.
міцність матеріалу
Це механічна властивість заготовки і характеризується здатністю витримувати навантаження повністю не руйнуючись. Для зразка створюють умови найбільш відображають майбутні умови експлуатації і застосовують різноманітні впливу, поступово збільшуючи навантаження. Підвищення сил впливу викликають в зразку пластичні деформації. У пластичних матеріалів деформація відбувається на одному, яскраво вираженому ділянці, який називається шийка. Тендітні матеріали можуть руйнуватися на кількох ділянках одночасно.
Сталь проходить випробування для точного з'ясування різних властивостей, щоб отримати відповідь про можливість її використання в тих чи інших умовах при будівництві і створенні складних конструкцій.
Значення плинності різних марок сталей занесені в спеціальні Стандарти і технічні умови. Передбачено чотири основні класи. Значення плинності виробів першого класу може доходити до 500 кг / см кв., Другий клас відповідає вимогам до навантаження до 3 тис. Кг / см кв., Третій - до 4 тис. Кг / см кв. і четвертий клас витримує до 6 тис. кг / см кв.