Виробництво прокату на увазі виготовлення величезної кількості різновидів конструкційних сталей. Споруди під час експлуатації зазнають складні навантаження на розтяг, стиск, удари, вигин або діючі одночасно і в комплексі. Для важких і складних умов роботи конструкцій, механізмів і споруд потрібно забезпечити довговічність, безпеку і надійність роботи, в зв'язку з чим до металу, як до основного конструкционному матеріалу, пред'являються підвищені вимоги.
Головним в розрахунку конструкцій є прагнення зменшити перетин сталевих конструкцій сучасних вузлів для зниження їх маси та економного витрачання матеріалу без зменшення несучої спроможності споруди. Залежно від умов роботи, вимоги до сталей змінюються, але існують стандартні, які є важливими і застосовуються в процесі розрахункових робіт. Конструкційна сталь повинна відповідати високим міцності при достатній пластичності матеріалу.
Межа плинності - важлива умовна фізична величина, безпосередньо використовувана в розрахункових формулах. Застосування цього показника в якості основи при розрахунку конструкції на міцність є обгрунтованим, так як при експлуатації в спорудженні з'являються незворотні зміни лінійних розмірів, що призводить до руйнування форми вироби і виходу його з ладу. Підвищення цієї характеристики дає можливість зменшити розрахункові перетину матеріалу і вага металевих конструкцій і дозволяє підвищити робочі навантаження.
Межею плинності металів називають характеристику стали, яка ніколи критичне напруження, після якого триває деформація матеріалу без підвищення навантаження. Це важливий показник вимірюється в паскалях (Па) або мегапаскалей (МПа), і дозволяють розраховувати межа допустимих напружень для пластичних сталей.
Після того як матеріал подолає межу плинності, в ньому відбуваються незворотні деформації, змінюється структура кристалічної решітки, відбуваються пластичні зміни. Якщо розтяжне значення сили збільшується, то після проходження майданчики плинності продовжують збільшуватися деформації сталей.
Часто поняття плинності сталей називають напругою, при якому починається незворотна деформація, не визначаючи відмінності з межею пружності. Але в реальних умовах значення показника границі плинності перевищує межу пружності на величину близько 5%.
Загальні відомості і характеристики сталей
Сталь відносять до кування деформованого сплаву на основі заліза з вуглецем і добавками інших елементів. Виплавляють матеріал з чавунних сумішей з металевим ломом в мартенівських, електричних та кисневих конверторних печах.
Рівноважний стан в структурі сталей
Сформована кристалічна решітка металу залежить від кількості міститься в них вуглецю і визначається по структурної діаграмі відповідно до процесів в цьому сплаві. Наприклад, решітка стали, в якій міститься до 0, 06% вуглецю, має зернисту структуру і є ферритом в чистому вигляді. Міцність таких металів невелика, але матеріал володіє високою межею ударної в'язкості і плинності. Структури сталей в стані рівноваги підрозділяються:
- феритної;
- перлітною-феритної;
- цементітних-феритної;
- цементітних-перлитная;
- перлитная;
Вплив вміст вуглецю на властивості сталей
Зміни головних складових цементиту і фериту визначаються властивостями першого по закону адитивності. Збільшення процентної добавки вуглецю до 1, 2% дозволяє підвищити міцність, твердість, поріг хладоемкості на 20ºС і межа плинності. Підвищення вмісту вуглецю змінює фізичні властивості матеріалу, що іноді призводить до поганої роботи або таких як здатність до зварювання, деформації при штампування. Відмінним зварюванням в конструкціях мають низьковуглецеві сплави.
Добавки марганцю і кремнію
Марганець вводять до складу сплаву в якості технологічної добавки для збільшення ступеня розкислення і зменшення шкідливого впливу сірчаних домішок. У сталях він присутній у вигляді твердих складових в кількості не більше 0, 8% і не робить істотного впливу на властивості металу.
Кремній діє в складі сплаву аналогічним чином, додається при процесі розкислення в кількості не більше 0, 38%. Для можливості з'єднання деталей зварюванням вміст кремнію не повинно бути більше 0, 24%. На властивості сталей кремній в складі сплаву не впливає.
Домішки сірки і фосфору
Межею вмісту сірки в металі є поріг в 0, 06%, вона міститься у вигляді тендітних сульфітів. Підвищений вміст домішки істотно погіршує механічні та фізичні властивості сталей. Це виражається в зменшенні пластичності, межі текучості, ударної в'язкості, опору стирання і корозії.
Зміст фосфору також погіршує якісні показники металевих сплавів, межа плинності після збільшення фосфору в складі підвищується, але знижується в'язкість і пластичність. Стандартний вміст домішки в сплаві регламентується інтервалом від 0, 025 до 0, 044%. Найбільш сильно фосфор погіршує властивості сталей при одночасному високому показнику добавок вуглецю.
Азот і кисень в сплаві
Ці речовини забруднюють сталь неметаллическими домішками і погіршують її механічні та фізичні показники. Зокрема, це відноситься до порогу в'язкості і витривалості, пластичності і крихкості. Зміст в сплаві кисню в розмірі більше, ніж 0, 03% викликає швидке старіння металу, азот збільшує ламкість і підвищує згодом деформаційне старіння. Зміст азоту збільшує міцність, тим самим знижуючи межа плинності.
Легуючі добавки в складі сплавів
До легованим відносять стали, в які спеціально вводяться в певних поєднаннях елементи для підвищення якісних характеристик. Комплексне легування дає найкращі результати. Як добавки застосовують хром, нікель, молібден, вольфрам, ванадій, титан і інші.
Легуванням підвищують межу текучості і інші технологічні властивості, такі як ударна в'язкість, звуження і можливість прожарювання, зниження порога деформації і розтріскування.
випробування сталей
Щоб повністю вивчити властивості матеріалу і визначення межі текучості, пластичних деформацій і міцності проводять випробування зразків металу до повного руйнування. Випробування проводять при дії навантажень такого вигляду:
статичним навантаженням;- циклічної категорії (на витривалість або втома);
- розтягнення;
- вигин;
- кручення;
- рідше на поєднуються навантаження, наприклад, вигин і розтягнення.
Визначення меж випробувальних навантажень виробляють в стандартних умовах, із застосуванням спеціальних машин, які описані в правилах Державних стандартів.
Випробування зразка для визначення межі текучості
Для цього беруть зразок циліндричної форми розміром 20 мм, розрахунковою довжиною 10 мм і застосовують до нього навантаження розтягуванням. Поняття розрахункової довжини позначає відстань між ризиками, нанесеними на більш довгому зразку для можливості захоплення. Для проведення випробування визначають залежність між збільшенням сили, що розтягує і подовженням випробувального зразка.
Всі свідчення випробування автоматично відображаються у вигляді діаграми для наочного порівняння. Її називають діаграмою умовного розтягування або умовного напруги, графік залежить від початкового перетину зразка і початкової його довжини. Спочатку збільшення сили призводить до пропорційного подовженню зразка. Такий стан діє до межі пропорційності.
Після досягнення цього порогу графік стає криволінійним і позначає непропорційне збільшення довжини при рівномірному підвищенні навантаження. Далі йде визначення межі текучості. До тих пір, поки напруги в зразку не перевершують цей показник, то матеріал з припиненням навантаження може повернутися в первісний стан щодо розмірів і форми. На практиці випробувального процесу різниця між цими межами невелика і не варте особливої уваги.
межа плинності
Якщо продовжувати збільшувати навантаження, то настає такий момент випробування, коли зміна форми і розмірів триває без збільшення сили. На діаграмі це показується горизонтальної прямої (майданчиком) плинності. Фіксується максимальна напруга, при якому збільшується деформація, після припинення нарощування навантаження. Цей показник називається межею плинності. Для сталі Ст. 3 межа плинності від 2450 кг на квадратний сантиметр.
Умовний межа плинності
Багато метали при випробуванні дають діаграму, на якій майданчик плинності відсутня або погано виражена, для них застосовується поняття умовної межі текучості. Це поняття визначає напругу, яка викликає залишкове зміна або деформацію в межі 0, 2%. Металами, до яких застосовується поняття умовної межі текучості, служать леговані і високовуглецеві стали, бронза, дюралюміній і інші. Чим пластичнее сталь, тим більше показання залишкових деформацій. До них відносять алюміній, латунь, мідь і низьковуглецевих сталі.
Випробування сталевих зразків показує, що плинність металу викликає значні зрушення кристалів в решітці, і характеризується появою на поверхні ліній, спрямовані до центральної осі циліндра.
Межа міцності
Після зміни на деяку величину відбувається перехід зразка в нову фазу, коли після подолання межі текучості, метал знову може чинити опір розтягуванню. Це характеризується зміцненням, і лінія діаграми знову піднімається, хоча підвищення відбувається в більш пологом прояві. З'являється тимчасовий опір постійному навантаженні.
Після досягнення максимального напруження (межі міцності) на зразку з'являється ділянку різкого звуження, так званої шийки, яка характеризується зменшенням площі поперечного перерізу, і зразок рветься в найтоншому місці. При цьому значення напруги різко падає, зменшується і величина сили.
Сталь Ст.3 характеризується межею міцності 4000-5000 кг / см2. Для високоміцних металів такий показник досягає межі 17500 кг / см3 цей.
пластичність матеріалу
Характеризується двома показниками:
- залишкове відносне подовження;
- залишкове звуження при розриві.
Для визначення першого показника вимірюють загальну довжину розтягнутого зразка після розриву. Щоб це зробити, складають дві половинки один з одним. Вимірявши довжину, вираховують процентне відношення до первісної довжині. Міцні сплави менш схильні до пластичності і показник відносного подовження знижується до 63 ета11%.
Друга характеристика розраховується після вимірювання найбільш вузької частини розриву і вираховується у відсотковому відношенні до первісної площі зрізу зразка.
крихкість сталей
Властивістю, протилежною пластичності, є показник крихкості матеріалу. Крихкими металами вважають чавун, інструментальну сталь. Розподіл сталей на тендітні і пластичні проводиться умовно, так як для визначення цього показника має значення умови роботи або випробування, швидкість підвищення навантаження, температура навколишнього середовища.
Деякі матеріали в різних умовах ведуть себе зовсім не як тендітні. Наприклад, чавун, розташований так, що затиснутий з усіх боків, не руйнується навіть при великих навантаженнях і виникають всередині напружених. Сталь з проточками характеризується підвищеною крихкістю. Звідси висновок, що набагато доцільніше випробовувати не межі крихкості, а визначати стан матеріалу, як пластичне або крихке.
Випробування сталей для визначення фізичних і технічних властивостей робляться з метою отримати достовірні дані для твору робіт при будівництві і створення конструкцій в господарстві.