ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И РАБОТА МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ
Для строительных металлических конструкций используется в основном прокатная сталь и алюминиевые сплавы.
В опорных частях тяжелых конструкций при действии больших сжимающих усилий применяются отливки из литой углеродистой стали и серого чугуна. Для висячих и предварительно напряженных конструкций используются также тросы и пучки из высокопрочной проволоки и стержни из арматурной стали.
Сталь обладает почти идеальным комплексом свойств для использования в строительных конструкциях; сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств. Основные недостатки стали - относительно низкая коррозионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от коррозии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.
К достоинствам алюминиевых сплавов относятся малая плотность (почти в 3 раза меньше, чем у стали) при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии и сохранение высоких упругопластических свойств при низких температурах. Однако низкий модуль упругости приводит к повышенной деформативности алюминиевых конструкций и ухудшает их устойчивость, а падение прочностных свойств алюминиевых сплавов при температуре 3(Ю°С снижает огнестойкость.
Чугун хорошо работает на сжатие и обладает высокой коррозионной стойкостью, однако малая прочность при растяжении, хрупкость материала и плохая свариваемость привели к тому, что в настоящее время чугун практически не применяется для строительных конструкций. Чугунные конструкции можно встретить в зданиях и сооружениях, построенных в прошлом веке. В настоящее время из чугуна делаются тюбинги метро. Применяется он иногда в литых деталях опор тяжелых конструкций.
1.1. Требуемые свойства металлов и методы их оценки
Надежность и долговечность металлических конструкций во многом зависят от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.
Прочность характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения.
Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.
Пластичность - свойство материала сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.
Хрупкость - способность разрушаться при малых деформациях.
Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки.
Твердость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластичной деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.
Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов (прямоугольного или круглого сечения) на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением § и относительным удлинением £ , где 8 = F/A; £ = (д /о)100%; F - нагрузка; А - первоначальная площадь поперечного сечения образца; /о - первоначальная длина рабочей части образца; Д / - удлинение рабочей части образца.
Диаграммы растяжения различных металлов показаны на рис. 1.1,(2.
Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопротивление ё и и предел текучести ё у.
Временное сопротивление S и - это наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения).
Предел текучести ё у - напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести - металл "течет". Для металлов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести ё 02, т.е. такое напряжение, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2%.
Если металл подвергается действию циклически меняющихся напряжений (например, чередующихся растяжения и сжатия), то при достаточно большом числе циклов разрушение может произойти при напряжении меньше временного сопротивления и даже предела текучести. Это явление называется усталостью металла. Склонность металла к усталостному разрушению устанавливается на основании результатов вибрационных испытаний .
Мерой пластичности материала служит относительное остаточное удлинение при разрыве S. Перед разрушением в образце в месте разрыва образуется "шейка", поперечное сечение образца уменьшается, и в зоне шейки развиваются большие местные пластические деформации. Относительное удлинение при разрыве складывается из равномерного удлинения на всей длине образца о5равн и локального удлинения в зоне шейки <лок. Последнее зависит от размеров и формы образца, наличия местных дефектов и других случайных факторов, поэтому более показательной характеристикой пластичности является равномерное относительное удлинение равн. Мерой пластичности может служить также относительное сужение при разрыве
Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. - М.: Металлургия, 1974.
2 17
6, НИ/СМ
oU s/ 71?
1 So
6y 30 -
47 2
6 д Ю 12 11 16
Рис, 1.1. к определению механических характеристик металла
а - диаграммы растяжения металлов; б - образец для испытания на растяжение; в - к определению предела пропорциональности и предела упругости; I - алюминиевый сплав АМгб; 2 - низкоуглеродистая сталь; 3 - чугун; 4 - высокопрочная сталь 12ГН2МФАЮ
А-А.
-100%,
где Л и Ло - первоначальная и конечная после разрыва площади сечения образца.
Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е = = tg с</ , где d - угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости S е, т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.
Несколько ниже § е находится предел пропорциональности i> р - напряжение, до которого материал работает линейно по закону Гука
(1.1)
В известной степени ё и ё р являются условными напряжениями, значения которых зависят от точности определения. Обычно принимают, что предел пропорциональности соответствует напряжениям, при которых £ » tgoi- уменьшается в 1,5 раза, а предел упругости - на-
