Рис. 1.2. Типы образцов для испытаний на ударную вязкость
а - тип I с и-образным надрезом (образец Менаже); б - тип II с V-образным надрезом (образец Шарпи); в - образец с треищной ( >;« - схема испытаний; 1 - трещина; 2 - образец
Г0,25
пряжениям, при которых относительная деформация составляет 0,05% (см. рис. 1.1,б).
Склонность металла к хрупкому разрушению оценивается по результатам испытания на ударную вязкость на специальных маятниковых копрах (рис. 1.2). Под действием удара молота копра образец разрушается. Ударная вязкость КС определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения, и измеряется в Дж/см .
Для сопоставимости результатов испытания проводятся на стандартных образцах при определенных температурах. Для тонкого металла используют образцы толщиной 5 мм. Один и тот же материал может разрушаться как вязко, т.е. с развитием значительных пластических деформаций, так и хрупко, в зависимости от целого ряда факторов (см. п. 1.2.1). Для ужесточения условий испытаний и повышения конценцтрации напряжений в образцах делают надрез (U- или V-образный) или трещину. В местах надреза на-
пряжения резко повышаются (возникает концентрация напряжений), что способствует переходу металла в хрупкое состояние.
Таким образом, ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим состояние металла (хрупкое или вязкое), сопротивление динамическим (ударным) воздействиям и чувствительность к концентрации напряжений и служит для сравнительной оценки качества материала.
В сечении разрушенного образца можно выделить две зоны: первая зона с волокнистой структурой характеризует пластическую составляющую, вторая зона - с кристаллическим изломом - хрупкую. Чем более пластичен материал, тем больше пластическая составляюшдя. Качественной характеристикой состояния материала служит процент волокнистости в изломе В, %.
Помимо испытаний на ударную вязкость для оценки склонности металла к хрупкому разрушению используются и другие методы .
Ползучесть в металлах, применяемых в строительных конструкциях, проявляется в основном при высоких температурах, а также для термообрабо-танных высокопрочных сталей. Оценка степени ползучести производится по результатам длительных испытаний образцов на растяжение.
Основной способ соединения элементов металлических конструкций - сварка, поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к металлам строительных конструкций, является свариваемость. Оценка свариваемости производится по химическому составу (углеродному эквиваленту), а также путем применения специальных технологических проб.
Долговечность металлических конструкций определяется в первую очередь коррозионной стойкостью металла. Сопротивляемость металла коррозионным повреждениям зависит от химического состава и проверяется путем длительной выдержки образцов в агрессивной среде. Мерой коррозионной стойкости служит скорость коррозии по толщине металла в мм/год.
с течением времени свойства стали несколько меняются: увеличиваются предел текучести и временное сопротивление, снижается пластичность, сталь становится более хрупкой. Это явление называется старением стали (см. п. 1.3). Склонность стали к старению оценивается по результатам испытания на ударную вязкость искусственно состаренных образцов (после механического старения).
При изготовлении и монтаже металлических конструкций широко используются такие операции, как гибка, резка, строжка, сверление отверстий и т.д., связанные с процессами упругопластического изгиба, скалывания, обработки резанием, термическим воздействием. Для качественного выполнения этих операций металл должен иметь соответствующие технологические свойства. Так, повышенная твердость затрудняет сверление и механическую резку, недостаточная вязкость приводит к возникновению в гнутых деталях трещин, термическое воздействие ускоряет процесс старения металла и способствует его переходу в хрупкое состояние.
Тылкин М.А., Большаков В.Н., Одесский П.Д. Структура и свойства строительной стали. - М.: Металлургия, 1983.
Технология металлов и сварка / Под ред. П.И. Полухина. - М.: Высшая школа, 1977.
t5t*1S0MM
Рис. 1.3. Образец для испытаний на холодный изгиб
/ - оправка; 2 - образец
Оценка технологаческих свойств металла производится по химическому составу. В зависимости от содержания отдельных элементов устанавливается режим огневой резки и сварки.
Влияние пластических деформаций и термического воздействия на охрупчивание металла определяется по результатам испытаний на ударную вязкость после искусственного
старения. Для этого образец подвергается растяжению до остаточного удлинения 10% и последующему отпуску в печи при температуре 250°С.
Для предотвращения возникновения трещин при изготовлении гнутых деталей проводятся испытания на холодный изгиб. Плоский образец (рис. 1.3) загибается вокруг оправки определенного диаметра на 180°, при этом на внешней стороне образца не должны появляться трещины. Испытание дает качественную оценку вязкости металла.
Расчет конструкций на прочность для обеспечения их надежности основывается на минимальных значениях прочностных характеристик. Оборудование же для механической обработки металла (сверление, строжка, механическая резка и т.д.) с учетом возможного разброса свойств должно быть рассчитано на максимальные значения характеристик. Для сокращения затрат на увеличение мощности оборудования и повышения скорости обработки целесообразно ограничить верхние границы прочностных характеристик и прежде всего временного сопротивления.
Значения показателей основных свойств металлов устанавливаются в государственных стандартах (ГОСТах) и технических условиях (ТУ). В необходимых случаях при заказе металла оговариваются дополнительные требования по тем или иным свойствам.
Из физических характеристик металлов с точки зрения работы строительных конструкций наиболее важными являются плотность, модуль упругости при растяжении, модуль упругости при сдвиге, коэффициент поперечной деформации и коэффициент линейного расширения. Значения этих характеристик приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Физические характеристики материалов, применяемых для металлических конструкций
Характеристики
Условные обозначения
Прокатная сталь
Алюминиевые сплавы
Чугун
Объемный вес
/, кН/см
7,85-10-
2,7 10"
7,2-10"
(плотность)
( уэ, кг/м)
(7,85-Ю)
(2,7-Ю)
(7,210)
Коэффициент линейного расши-
оо, см*
0,1210-
0,23 •10"
рения
Модуль упругости
Е, кН/см
2,06 •10
0,71-10
0,83 10 - МО"
Модуль сдвига
G, кН/см
0,81 •10
0,27-10
Коэффициент поперечной деформации (при упругой работе материала)
