Марки сталей

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

ІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ І ТЕХНОЛОГІЇ В УПРАВЛІННІ ЗЕД

для студентів Інституту економіки і менеджменту

спеціальності 8.03060104 «Менеджмент ЗЕД»

Редактор:

Комп’ютерне верстання:

[1] Абревіатура від World Wide Web (Світова павутина)

[2] Організація, що проводить дослідження розвитку мережі. Офіційний сайт www.nua.com

Сталі з однаковим хімічним складом і механічними характеристиками становлять марку. Для позначення марок застосовують літерно-цифрову систему.

В позначенні марок маловуглецевих сталей вказують:

1) групу постачання (Б або В, група А не позначається);

2) умовний порядковий номер сталі (від СтО до Ст5; в інженерних конструкціях використовується сталь Ст3, яка має достатньо високу межу текучості, пластична, добре зварюється);

3) ступінь розкислювання (сп, пс, кп);

4) категорію сталі за ударною в’язкістю (від 2 до 6; 1 категорія не вказується).

5) групу міцності. Деякі марки сталей поділяють на дві групи міцності. Друга група міцності має межу текучості на 30 МПа вищу від першої.

Наприклад: ВСт3сп5 (“В” – група постачання; “Ст3” – умовний порядковий номер сталі; “сп” – ступінь розкислювання (спокійна сталь); “5” – категорія сталі за ударною в’язкістю); ВСт3пс6-2 (“В” – група постачання; “Ст3” – умовний порядковий номер сталі; “пс” – ступінь розкислювання; “6” – категорія сталі за ударною в’язкістю; “2” – друга група міцності).

Позначення марок низьколегованих сталей наступне. Перші цифри – середня кількість вуглецю в сотих частках процента. Далі йдуть літери, які позначають наявність легуючих елементів: Ю (алюміній) – розкислює сталь, підвищує ударну в’язкість; С (кремній) – розкислює сталь, але погіршує здатність до зварювання; Г (марганець) – підвищує міцність; Д (мідь) – підвищує корозійну стійкість; А (азот) – в хімічно зв’язаному стані з легуючими елементами (нітриди) покращує механічні властивості; Н (нікель), Х (хром), Ф (ванадій), В (вольфрам), М (молібден), Т (титан), Р (бор) - підвищують міцність.

Цифра, що стоїть після літери – кількість легуючого елемента у процентах (цифру 1 не проставляють). Якщо легуючого компонента міститься менш ніж 0,3%, то він не вводиться у позначення марки.

Наприклад: 10ХСНД – низьколегована сталь з вмістом вуглецю 0,1% та легуючими додатками хрому, кремнію, нікелю та міді у кількості 0,3%…1% (літера без цифри означає вміст елемента в межах 0,3…1%); 15Г2СФ – низьколегована сталь з вмістом вуглецю 0,15% та легуючими додатками марганця (2%), кремнію та ванадію (по 0,3…1%).

В практиці цілий ряд різних марок сталі мають однакову міцність. А тому ті марки сталі, які мають однакову міцність, об’єднуються в окремі класи. Позначення класів наступне: С235, С245, С255 і т.д. Літера “С” є скороченням слова “сталь”, а число означає найбільшу межу текучості () сталей даного класу в МПа (наприклад, для сталі С235 ). Таке об’єднання сталей в класи є зручним для виконання можливої взаємозаміни марок сталі.

2.4.Вибір сталей для МК

Залежно від умов експлуатації та виду конструкції до сталей пред’являються певні вимоги. Клас сталі для МК визначають на основі варіантного проектування та техніко-економічного аналізу.

В СНиП ІІ-23-81* “Стальные конструкции” всі конструкції поділені на 4 групи залежно від виду конструкцій та їх відповідальності. Кожна група в свою чергу розділена за кліматичними районами будівництва на три температурні інтервали. Цим враховуються різні умови експлуатації. Для кожної групи та інтервалу рекомендовані певні класи сталі.

2.5.Основні фізико-механічні властивості будівельних сталей

Основні механічні властивості сталей наступні:

міцність – здатність чинити опір зовнішнім впливам;

пружність – здатність відновлювати свою початкову форму після зняття навантаження;

пластичність – властивість не повертатися в початковий стан після зняття навантаження (поява залишкових деформацій);

крихкість – руйнування при малих деформаціях.

Основними механічними характеристиками сталей є наступні:

межа міцності (або тимчасовий опір) - s_u, МПа;

межа текучості - s_у, МПа;

відносне подовження при розриві e, %.

Фізичні характеристики сталей, які використовуються при розрахунках конструкцій:

модуль пружності Е = 2,06 ·10⁵ МПа;

коефіцієнт температурного розширення α = 0,000012 град.^-1;

коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуассона) n = 0,3;

густина r = 7850 кг/м³.

2.6.Алюмінієві сплави

Алюміній – найбільш розповсюджений на землі метал, він складає приблизно 8,1% земної кори. Його отримують з бокситів з вмістом глинозему 40…60%, а також з нефелінів та алунітів з вмістом глинозему 22…32%.

У зв’язку з високою температурою плавлення глинозему (2040°С) і порівняно низькою температурою плавлення алюмінію (657°С) існує єдиний спосіб отримання алюмінію – за допомогою електролізу глинозему. Таким чином отримують чистий алюміній. Однак внаслідок незначної міцності та швидкого окислення чистий алюміній в промисловості не використовується. Використовуються алюмінієві сплави, в яких вміст алюмінію складає 90…95%, а інше – спеціальні додатки, які підвищують міцність і уповільнюють окислення алюмінієвих сплавів.

Основні фізико-механічні характеристики алюмінієвих сплавів:

- густина r = 2700 кг/м³;

- модуль пружності Е = 7,1·10⁴ МПа;

- коефіцієнт температурного розширення α = 0,000023 град.^-1;

- коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуассона) n = 0,3.

Алюмінієві сплави стійкі проти корозії, антимагнітні, добре працюють при низьких температурах. Але їх вартість істотно вища від вартості сталі (в 4…8 разів).

Маркування сплавів проводиться за легуючими елементами (однак позначення інше, ніж для сталей), наприклад: Al+Mg (алюмінієво-магнієві AМг), Al+Mn (алюмінієво-марганцеві AМц) - не піддаються термообробці, а тому м’які, маломіцні, і використовуються для огороджувальних конструкцій та декоративних елементів; Al+Mg+Si - силуміни (АД); Al+Mg+Si+Cu - авіаль (АВ); Al+Mg+Cu - дюралюміни (Д1; Д16 і т.ін.); Al+Mg+Cu+Zn+X - В94 (1915), В95 (1925) – багатокомпонентні високоміцні сплави.

Зміцнення сплавів, крім легування, проводиться термообробкою (закалюванням і старінням) та нагартовкою (наклепом і витяжкою).

Наявність зміцнення вводиться в позначення сплавів: відпалені сплави – додатково літера М; закалені та природньо зістарені – Т; закалені та штучно зістарені – Т1; нагартовані – Н; напівнагартовані – П.

Штучне старіння проводиться при t =160…180°С протягом декількох годин (при природньому старінні –декілька діб). Закалювання – нагрівання до t»500°С і різке охолодження. Відпалювання – нагрівання до t =250…430°С і повільне охолодження не швидше, ніж на 30° за годину.

Алюмінієві сплави 1915Т та 1925Т близькі за міцністю до сталей, інші - менш міцні.

Алюмінієві сплави вигідно використовувати в конструкціях, де їх переваги особливо відчутні:

1) в конструкціях для важкодоступних районів з низькою температурою;

2) в конструкціях, які поєднують огороджувальні та несучі функції (панелі покриття і стіни);

3) в конструкціях великих прольотів (арках, куполах, складках, структурах, мембранах), де досить істотні навантаження від власної ваги;

4) в несучих конструкціях покриття будівель в умовах морського клімату або при наявності агресивного середовища (алюмінієві сплави мають підвищену корозійну стійкість);

5) в конструкціях зовнішнього та внутрішнього оздоблення будівель.

2.7. Робота сталі на розтяг. Діаграма розтягу сталі

Основні механічні характеристики сталі одержують дослідним шляхом за допомогою випробувань на розтяг стандартних круглих або плоских зразків сталі в спеціальних розривних машинах. При цьому залежність між напруженнями та подовженнями зразка зображається в вигляді діаграми розтягу (рис.2.2). По осі ординат відкладають значення напружень s, по осі абсцис – відносне подовження e:

,

де N – навантаження; А – площа поперечного перерізу зразка до навантаження; l₀ – довжина зразка до випробування; Dl – приріст довжини зразка під дією напружень s.

Рис.2.2. Діаграма розтягу сталі

На прямолінійній ділянці діаграми (від т.0 до т.1) сталь працює пружно, і між відносним подовженням e та напруженням s існує лінійна залежність, яка описується законом Гука:

s = e Е.

Напруження в т.1 називається межею пропорційності s_el.

Вище т.1 лінійна залежність порушується і на діаграмі з’являється криволінійна ділянка. Від т.1 до т.2 матеріал ще продовжує працювати пружно, тобто деформації повністю зникають після розвантаження. Вище т.2 матеріал починає працювати пластично, і після розвантаження зберігаються залишкові деформації. Напруження в т.2 називається межею пружності s_е .

При досягненні діаграмою точки 3 деформації починають різко зростати, утворюючи на діаграмі горизонтальну ділянку, яку називають ділянкою текучості. На цій ділянці матеріал подовжується без прирощення навантаження, тобто починає немов би текти. Ділянці текучості відповідає напруження, яке називається межею текучості s_у .

Межа текучостіs_у – це напруження, від дії якого суттєво зростають деформації при постійному навантаженні на зразок.

Не всі пластичні матеріали мають чітко визначену ділянку текучості: чим жорсткіша сталь, тим ця ділянка менша, а іноді її зовсім немає. Алюмінієві сплави також не мають ділянки текучості. У зв’язку з цим, для високоміцних сталей та алюмінієвих сплавів без ділянки текучості за межу текучості умовно приймають напруження s_0,2, при якому залишкове відносне подовження чисельно становить не більше 0,2% (рис.2.3).

Рис.2.3. Діаграма розтягу високоміцної сталі

В точці 4 матеріал знову починає сприймати навантаження (самозміцнюватись), крива полого піднімається до т.5, де напруження досягає свого найбільшого значення – межі міцності (або тимчасового опору) s _u.

Межа міцностіs _u являє собою напруження, що відповідає максимальному навантаженню.

Далі деформації в зразку швидко збільшуються, утворюється так звана шийка, площа перерізу в цьому місці різко зменшується, і розрив зразка відбувається вже при меншому навантаженні (т.6).

В практичних розрахунках користуються ідеалізованою (спрощеною) діаграмою розтягу, характерною для ідеального пружно-пластичного матеріалу –діаграмою Прандтля (рис.2.4.).

Рис. 2.4. Діаграма Прандтля

У відповідності з цією діаграмою на відрізку 0-1, тобто до межі текучості, матеріал працює пружно, а далі абсолютно пластично. Цю діаграму використовують для тих конструкцій, у яких несуча здатність обмежується межею текучості (а їх абсолютна більшість).

2.8.Крихкість сталі

Стальні конструкції можуть руйнуватися в’язко або крихко.

Під в’язким (пластичним) руйнуванням конструкцій розуміють повільне руйнування внаслідок розвитку значних пластичних деформацій в матеріалі при досягненні ним межі текучості. При цьому не порушується суцільність перерізу елементів, тобто не відбувається механічних пошкоджень матеріалу (матеріал не розривається). Але наявність значних пластичних деформацій (прогинів, кутів повертання) робить подальшу експлуатацію конструкцій неможливою, і такий стан конструкції вважається руйнуванням. Таке руйнування характерне при роботі сталі на розтяг. Зображена вище діаграма роботи сталі на розтяг є діаграмою в’язкого руйнування, при якому сталь досягає межі текучості.

Під крихким руйнуванням розуміють раптове руйнування, яке відбувається при малих деформаціях в межах пружної роботи матеріалу, що дуже небезпечно. При цьому відбувається розрив матеріалу.

Діаграма крихкого руйнування показана на рис.2.5, при цьому сталь руйнується, не досягаючи межі текучості.

Рис.2.5. Діаграма крихкого руйнування

За показник, який характеризує схильність сталі до крихкого руйнування, приймають значення ударної в’язкості, тобто здатність чинити опір удару.

Для її визначення із сталі виготовляють зразки з надрізом з однієї сторони, які піддаються удару на маятниковому копрі (ударний згин, рис.2.6.).

Під час експерименту заміряють кути відхилення маятника до удару і після руйнування зразка. Різниця потенціальних енергій маятника – це робота, затрачена на руйнування зразка.

Ударною в’язкістю називається робота, затрачена на злам зразка, віднесена до площі його перерізу. Вимірюється в Дж/см².

Рис. 2.6. До визначення ударної в’язкості

Для сталі Cт3 ударна в’язкість при нормальній температурі – 70…100 Дж/см².

Чим більша ударна в’язкість, тим якісніша сталь, і тим краще вона працює в умовах динамічних навантажень. Ударна в’язкість сталей різко знижується при пониженні температури (див. графік, рис.2.7.). Ударна в’язкість алюмінієвих сплавів практично не змінюється при зміні температури.

Рис.2.7. Залежність ударної в’язкості від температури

Одна і та ж сталь залежно від різних умов може руйнуватися в’язко або крихко. Основними факторами, які впливають на роботу сталі і сприяють крихкому руйнуванню, є наступні: наклеп, старіння, нерівномірність розподілення напружень (концентрація напружень), стомленість сталі, вплив температури.

Дата добавления: 2014-01-04