Диаграмма растяжения для алюминия

В стадии упругой работы на растяжение — сжатие алюминиевые сплавы имеют большие относительные удлинения, чем стали (фиг. 1).

Модуль упругости сплавов (тангенс угла наклона прямой на диаграмме) почти в три раза меньше, чем модуль упругости стали. Сплавы АМц, АМг, АВ имеют Е=710000 кг/см2, модуль упругости дуралюмина в зависимости от марки находится в пределах 730000 -750000 кг/см2.

Таким образом, деформации элементов, выполненных из алюминиевых сплавов, при равных напряжениях будут почти в три раза больше, чем деформации стальных элементов. Поэтому, применяя алюминиевые сплавы в несущих конструкциях, необходимо предусматривать мероприятия по увеличению жесткости сооружения. Модуль сдвига алюминиевых сплавов находится в пределах 266000-280000 кг/см2. Коэффициент Пуассона — 0,32 — 0,36.

Особенностью диаграммы растяжения-сжатия этих сплавов является то, что на ней нет площадки текучести, которая имеется на диаграмме малоуглеродистых сталей. Однако пластические свойства алюминиевых сплавов на диаграмме проявляются: после исчерпания упругой стадии (предел пропорциональности) деформации нарастают быстрее, чем напряжения. После достижения предела прочности на образце появляется шейка, затем наступает разрыв.

В качестве предела текучести алюминиевых сплавов условно принимают напряжения, после снятия которых элемент будет иметь остаточные деформации 0,2%. Разгрузка образца из любой стадии напряженного состояния происходит по прямой, параллельной первоначальному участку диаграммы.

Нужно отметить, что показатели прочности алюминиевых сплавов в значительной степени зависят от характера термической я механической обработки детали. Так, например, дуралюмин Д16 в отожженном состоянии (Д16-М) имеет предел прочности 25 кг/мм2. После термического упрочнения (закалка и старение) Д16-Т имеет предел прочности — 49 кг/мм2.

Билет 10. 1)Механические св-ва арматуры

Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали (в несколько раз) достигают термическим упрочнением или холодным деформированием. При термическом упрочнении осуществляются закалка арматурной стали (нагревом до 800, 900 °С и быстрым охлаждением), затем частичный отпуск (нагревом до 300—400°С и постепенным охлаждением).

Высоколегированные и термически упрочненные арматурные стали переходят в пластическую область постепенно — без ярко выраженной площадки текучести. Для этих сталей устанавливают условный предел текучести — напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %, а также условный предел упругости — напряжение, при котором остаточные деформации равны 0,02 % и предел упругости.

Сущность упрочнения холодным деформированием арматурной стали состоит в следующем.

•   При искусственной вытяжке в холодном состоянии до напряжения, превышающего предел текучести, под влиянием структурных изменений кристаллической решетки (наклепа) арматурная сталь упрочняется.

•   При повторной вытяжке, поскольку пластические деформации уже выбраны, напряжение становится новым искусственно поднятым пределом текучести.

Вытяжка в холодном состоянии позволяет получать высокую прочность стержней большого диаметра. Многократное волочение (через несколько последовательно уменьшающихся в диаметре отверстий) в холодном состоянии позволяет получать высокопрочную проволоку. При этом временное сопротивление значительно увеличивается, а удлинения при разрыве становятся малыми — 4—6%. Чтобы получить структуру проволоки, необходимую для такого холодного волочения, производится патентирование — предварительная термообработка, нагрев до температуры порядка 800 °С с последующим специальным охлаждением. По такой технологии изготовляют высокопрочную проволоку классов В-Н, Вр-Н.

Пластические свойства арматурных сталей имеют большое значение для работы железобетонных конструкций под нагрузкой, механизации арматурных работ, удобства натяжения напрягаемой арматуры и др. Арматурная сталь обладает достаточной пластичностью, однако понижение ее пластических свойств может стать причиной хрупкого (внезапного) разрыва арматуры в конструкциях под нагрузкой, хрупкого излома напрягаемой арматуры в местах резкого перегиба или при закреплении в захватах и т. п. Пластические свойства арматурных сталей характеризуются относительным удлинением при испытании на разрыв образцов длиной, равной пяти диаметрам стержня, или 100 мм, а также оцениваются испытанием на загиб в холодном состоянии вокруг оправки толщиной 3—5 диаметров стержня.

Полное относительное удлинение после разрыва устанавливается по изменению первоначальной длины образца, включающей длину шейки разрыва, а относительное равномерное удлинение после разрыва — по изменению длины образца на участке, не включающем длину шейки разрыва. Минимально допустимое относительное удлинение и требования при испытании на холодный загиб установлены стандартами и техническими условиями.

Свариваемость арматурных сталей характеризуется надежным соединением, отсутствием трещин и. другиз пороков металла в швах и прилегающих зонах. Свариваемость имеет существенно важное значение для механизированного изготовления сварных сеток и каркасов, выполнения стыков стержневой арматуры, анкеров, различных закладных деталей и т. п. Хорошо свариваются горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные арматурные стали. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения — происходят отпуск и потеря закалки термически упрочненных сталей, отжиг и потеря наклепа проволоки, упрочненной вытяжкой.

Хладноломкостью, или склонностью к хрупкому разрушению под напряжением при отрицательных температурах (ниже минус 30 °С), обладают горячекатаные арматурные стали периодического профиля некоторых видов — из полуспокойной мартеновской и конвертерной стали и др. Арматурные стали из высокопрочной проволоки и термически упрочненные обладают более низким порогом хладноломкости.

Реологические свойства арматурной стали характеризуются ползучестью и релаксацией. Ползучесть арматурной стали нарастает с повышением напряжений и ростом температуры. Релаксация, или уменьшение напряжений, наблюдается в арматурных стержнях при неизменной длине — отсутствии деформаций. Релаксация зависит от механических свойств и химического состава арматурной стали, технологии изготовления и условий применения и др. Значительной релаксацией обладают упрочненная вытяжкой проволока, термически упрочненная арматура, а также высоколегированная стержневая арматура. Релаксация горячекатаных низколегированных арматурных сталей незначительна. Как показывают опыты, наиболее интенсивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время. Релаксация арматурной стали оказывает большое влияние на работу предварительно напряженных конструкций, так как приводит к частичной потере искусственно созданного предварительного напряжения.

Усталостное разрушение арматурной стали наблюдается при действии многократно повторяющейся нагрузки, оно носит хрупкий характер. С увеличением числа циклов предел выносливости уменьшается. Термически упрочненные арматурные стали имеют пониженный предел выносливости.

Динамическая прочность арматурной стали наблюдается при нагрузках большой интенсивности, действующих на сооружение за весьма короткий промежуток времени. В условиях высокой скорости деформирования арматурные стали работают упруго при напряжениях, превышающих физический предел текучести, при этом происходит запаздывание пластических деформаций. Превышение динамического предела текучести над статическим пределом текучести связано с временем запаздывания. В меньшей степени динамическое упрочнение проявляется на условном пределе текучести сталей легированных и термически упрочненных (не имеющих явно выраженной площадки текучести) и практически совсем не отражается на пределе прочности аи всех видов арматурных сталей, в том числе высокопрочной проволоки и изделий из нее.

Высокотемпературный нагрев арматурных сталей приводит к изменению структуры металла и снижению прочности. Так, при нагреве до 400 °С предел текучести горячекатаной арматуры класса A-III уменьшается на 30 %, классов А-Н и A-I — на 40 %, модуль упругости уменьшается на 15 %. Заметное проявление ползучести арматуры в конструкциях под нагрузкой наблюдается при температуре свыше 350 °С. При нагреве происходит отжиг и потеря наклепа арматуры, упрочненной холодным деформированием, поэтому временное сопротивление у высокопрочной арматурной проволоки снижается интенсивнее, чем у горячекатаной арматуры. После нагрева и последующего охлаждения прочность горячекатаной арматурной стали восстанавливается полностью, а прочность высокопрочной арматурной проволоки — лишь частично.

Диаграмма растяжения стали

Рассмотрим диаграмму растяжения, которая показывает зависимость между растягивающей силой F, действующей на образец, и вызываемой ею деформацией Δl (рис. 1)

На диаграмме можно указать пять характерных точек:

Рис.1Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали.

 Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональность между нагрузкой F и удлинением Δl. (Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название закона Гука).

Величина силы Fпц (точка А), до которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.

Если испытуемый образец нагрузить растягивающей силой, не превышающей величину ординаты точки B (силы Fy), а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении. Следовательно, в этом случае в образце возникают только упругие деформации.

В случае, если растягивающее усилие выше Fy, при разгрузке образца деформации полностью не исчезают и на диаграмме линия разгрузки будет представлять собой прямую B’О’, уже не совпадающую с линией нагружения, а параллельную ей. В этом случае деформация образца состоит из упругой ΔlупрB’ и остаточной (пластической) ΔlостB’ деформации.

Таким образом, характерной особенностью точки B является то, что при превышении нагрузки Fy образец испытывает остаточные деформации при разгружении.

Выше точки В диаграмма растяжения значительно отходит от прямой (деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма имеет криволинейный вид), а при нагрузке, соответствующей Fт (точка С), переходит в горизонтальный участок. В этой стадии испытания в материале образца по всему его объему распространяются пластические деформации. Образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки.

Свойство материала деформироваться при практически постоянной нагрузке называется текучестью. Участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.

В процессе текучести на отшлифованной поверхности образца можно наблюдать появление линий (полос скольжения), наклоненных примерно под углом 45° к оси образца (рис. 2а). Эти линии являются следами взаимных сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями.

Рис. 2Образование линий сдвига (а) и местного сужения—шейки (б)

Линии сдвига называются линиями Чернова по имени знаменитого русского металлурга Д. К. Чернова (1839 — 1921), впервые обнаружившего их.

Удлинившись на некоторую величину при постоянном значении силы, т.е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочняться), и диаграмма поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше. В точке D усилие достигает максимального значения Fmax.

Наличие участка упрочнения (от конца площадки текучести до наивысшей точки диаграммы растяжения) объясняется микроструктурными изменениями материала: когда нагрузка на образец возрастает, микроскопические дефекты (линейные и точечные) группируются так, что развитие сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями, затрудняется, а потому сопротивление материала сдвигу начинает возрастать и приближаться к его сопротивлению отрыву.

При достижении усилия Fmax на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка (рис. 2б), быстрое уменьшение площади сечения которой вызывает падение нагрузки, и в момент, соответствующий точке К диаграммы, происходит разрыв образца по наименьшему сечению шейки.

До точки D диаграммы, соответствующей Fmax, каждая единица длины образца удлинилась примерно одинаково; точно так же во всех сечениях одинаково уменьшались поперечные размеры образца. С момента образования шейки вся деформация образца локализуется на малой длине (lш~ 2d0) в области шейки, а остальная часть образца практически не деформируется.

Абсциссы диаграммы растягивания OE, OF и FE, характеризующие способность образца деформироваться до наступления разрушения, соответствуют полному абсолютному удлинению образца Δlполн, остаточному абсолютному удлинению Δlост и абсолютному упругому удлинению образца Δlупр.

Для определения упругой деформации в момент разрыва необходимо из точки K диаграммы провести прямую KF, параллельную прямолинейному участку OA, так как упругие деформации при разрыве также подчиняются закону Гука.

При выполнении работы для выбора марки стали необходимо определить предел текучести, предел прочности и относительное удлинение образца после разрыва.

Пределом текучести называется условное напряжение, соответствующее нагрузке Fт (точка С):

где:

 — предел текучести, кг/см2 (МПа);

— нагрузка, соответствующая наступлению стадии текучести, кг (кН);

— первоначальная площадь поперечного сечения образца (см2);

Пределом прочности при растяжении называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую способен выдержать материал при испытании и определяется отношением:

где:

 — предел прочности, кг/см2 (МПа);

— разрушающая нагрузка, Т.е. максимальная нагрузка, которую способен выдержать образец при испытании до разрушения, кг (кН).

Относительное остаточное удлинение образца определяется соотношением:

где е:

 — длина образца после испытания, см;

 — длина образца до испытания, см;

Билет 11. 1)Классификация арматуры. Применение.

Арматура — это стальные стержни и проволока различной формы (круглые, периодического профиля), канаты, сетки, каркасы (плоские и объемные), являющиеся составной частью железобетонных конструктивных элементов.

Требования к арматуре обусловлены необходимостью совместной ее работы с бетоном. В связи с этим арматура должна обладать хорошим сцеплением с бетоном, иметь необходимые показатели механической прочности и технологических свойств. Основные виды арматурной стали, применяемой в строительстве, определены СНиП 2.03.01—84.

Арматура классифицируется по ряду признаков:

§ по назначению,

§ ориентации в конструкции,

§ условиям применения,

§ по виду поставляемой арматурной стали и т.п..

По назначению арматура подразделяется на: рабочую, конструктивную, распределительную, монтажную, анкерную (закладные детали).

Рабочая арматура служит для восприятия расчетных усилий, возникающих от внешних нагрузок и силы тяжести конструкции. Она может быть напрягаемой и ненапрягаемой.

Конструктивная арматура предназначена для работы под напряжениями в бетоне, которые в расчете конструкции не учитывались. Например, в местах концентрации напряжений при резком изменении сечения конструкции, в оголовке свай для восприятия динамических нагрузок и т. п.

Распределительная арматура предназначена для закрепления с помощью сварки или вязки рабочей арматуры в проектном положении.

Монтажная арматура обеспечивает жесткость арматурному каркасу в процессе его сборки, транспортировки и установки.

Кроме указанной арматуры в железобетонных конструкциях устанавливают закладные детали, которые изготовляют из арматурной стали листового или фасонного проката. Закладные детали крепят к арматуре с помощью сварки или вязальной проволоки. Поскольку закладные детали при монтаже железобетонных конструкций чаще всего сваривают, то сталь, из которой их изготавливают, должна хорошо свариваться. При выборе стали для закладных деталей учитывают характер работы и температуру окружающего воздуха в процессе эксплуатации конструкции.

По ориентации стержней в конструкции арматура подразделяется на продольную и поперечную.

По условиям применения арматура может быть напрягаемой и ненапрягаемой. Напрягаемая арматура в предварительно напряженных железобетонных конструкциях может служить только в качестве рабочей.

По виду поставляемой арматурной стали различают арматуру стержневую, проволочную, канаты и арматурные изделия (рис. 1). Стержневую арматуру изготовляют диаметром от 6 до 80 мм (ГОСТ 5781—82

ПРИМЕНЕНИЕ В строительстве стальная арматура чаще всего выполняет роль армирующего, связывающего и распределяющего нагрузку сварного каркаса железобетонной конструкции. Именно качественная арматура определяет насколько прочным и надежным будет строительное сооружение. Из нее производят сварные лестницы и сетки, монтируют опорные части подземных тоннелей, она входит в состав армирующих каркасов перекрытий и дорожных бордюров, бетонных оград и становых блоков.

В каркасно-монолитном строительстве стальная арматура массово используется при создании железобетонного каркаса здания. Поскольку путем сваривания арматурных прутов можно создать любую форму, каркас из арматуры является также основой для создания декоративных элементов экстерьера различных строений.

Работа стали при концентрации напряжений