Сталь лучше работает на растяжение или сжатие

Прочность металлических конструкций – один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.

Предел прочности

Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.

Каким образом производится испытание на прочность

Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.

Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.

Виды пределов прочности

Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.

Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.

Различают следующие виды предела прочности при:

• сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
• изгибе — влияет на гибкость деталей;
• кручении – показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
• растяжении.

Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.

Предел прочности стали

На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

На значение параметра влияют:

• химический состав сплава;
• термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.

Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.

Условный предел текучести

Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σт. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.

На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.

Общие сведения и характеристики сталей

С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали. Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.

Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.

Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.

Добавки марганца и кремния

Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.

Влияние кремния на свойства сталей

Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.

При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.

В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.

Азот и кислород в сплаве

Эти самые распространенные в земной атмосфере газы вредно влияют на прочностные свойства. Образуемые ими соединения в виде включений в кристаллическую структуру существенно снижают прочностные параметры и пластичность.

Легирующие добавки в составе сплавов

Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:

• Хром. Применяется для повышения прокаливаемости и твердости. Доля – 0,8-0,2%.
• Бор. Улучшает хладноломкость и радиационную стойкость. Доля – 0,003%.
• Титан. Добавляется для улучшения структуры Cr-Mn сплавов. Доля – 0,1%.
• Молибден. Повышает прочностные характеристики и коррозионную стойкость, снижает хрупкость. Доля – 0,15-0,45%.
• Ванадий. Улучшает прочностные параметры и упругость. Доля – 0,1-0,3%.
• Никель. Способствует росту прочностных характеристик и прокаливаемости, однако при этом ведет к увеличению хрупкости. Этот эффект компенсируют одновременным добавлением молибдена.

Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.

8.1. Работа стали на растяжение

Зависимость между напряжениями и деформациями для различных материалов устанавливается экспериментально.

, где s, МПа – нормальное напряжение; Е – модуль упругости; e – относительное удлинение образца после разрыва является показателем пластичности. Для малоуглеродистых сталей – e = 20¸25%; для высокопрочных сталей – e = 8¸10%.

При sт/sм=0,6 Ст3.

При sт/sм=0,8 высокопрочные стали

.

.

Характер деформаций стали под действием нагрузки определяется совместными деформациями ее составных частей (феррита и перлита). Перлит размещается между зернами феррита в виде слоев и отдельных включений. На начальных стадиях загрузки пластические деформации зерен феррита сдерживаются сопротивлением слоев перлита. При напряжениях, равных пределу текучести, сопротивление перлита преодолевается. Происходит общий сдвиг. На диаграмме появляется участок текучести.

У высокопрочных сталей сопротивление перлитовых включений, легирующих элементов и их соединений настолько велико, что участок текучести не проявляется. В этом случае отмечают условную границу текучести s02. Когда относительное удлинение достигает определенной величины (около 2,5%), материал перестает течь и становится снова способным сопротивляться. Диаграмма растяжения становится криволинейной. С увеличением нагрузки при пластических деформациях связь между частями кристаллов на плоскостях скольжения уменьшается. Согласно этому уменьшается и модуль деформации, диаграмма становится все более пологой, пока не будет достигнут предел прочности sм, при которой металл разрушается.

При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, которые называются линиями текучести или линиями Чернова-Людерса, идущие под углом 45° к линии растягивающих усилий. Направление их совпадает с направлением максимальных касательных напряжений.

Разрушение бывает вязкое (пластичное) — от смещения; хрупкое — вследствие отрыва и смешанное.

Касательные напряжения и пластические деформации — причина вязкого разрушения. Хрупкое разрушение является следствием развития упругих деформаций металла до величины разрушающих в условиях, когда затруднены пластические сдвиги. В этом случае наблюдается разрыв межатомных связей кристаллической решетки зерен при очень незначительных сдвигах в отдельных зернах.

Работа стали на сжатие

При работе на сжатие металл ведет себя также, как и при растяжении. Значения предела текучести, модуля упругости и длины участка текучести равны показателям при растяжении. То есть, сталь хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие. Это очень важная особенность.

8.3. Нормативные и расчетные сопротивления

Основными показателями сопротивления металла силовым воздействиям являются нормативные сопротивления Ryn и Run, установленные в соответствии с пределом текучести (или условным пределом текучести) и пределом прочности.

Значение Ryn и Run регламентируются нормами проектирования. При этом учитывается статистическая изменчивость сопротивлений. Нужно, чтобы обеспеченность составляла не менее 0,95.

Значение нормативного сопротивления принимают в зависимости от характера работы конструкции и свойств стали.

В большинстве случаев при вычислениях пользуются нормативным сопротивлением по пределу текучести, т.к. при превышении напряжениями предела текучести в элементах, изгибающихся или растягивающихся, развиваются пластические деформации и наблюдаются большие перемещения. Сжатые элементы теряют устойчивость. В случаях, когда применяются пластичные сплавы и согласно характеру работы конструкции допускаются значительные деформации, нормативное сопротивление принимают по пределу прочности.

Расчетное сопротивление определяют путем деления нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по материалу gm.

Этот коэффициент учитывает:

то, что механические свойства металлов проверяются на металлургических заводах путем выборочных испытаний и в конструкции может попасть металл со свойствами ниже, чем установлены стандартами;

механические свойства контролируют при осевом растяжении на небольших образцах, а в действительности металл работает в крупноразмерных конструкциях при сложных напряженных состояниях;

сортамент металлопроката может иметь отрицательные (минусовые) допуски к размерам.

Значение коэффициента надежности по материалу gm зависит от статистических данных об однородности металла. Для углеродистых сталей, которые массово выпускаются длительное время по хорошо отработанной технологии и для которых хорошо известно, как они ведут себя в конструкциях, значения gm наименьшие gm = 1,025. Ведь для новых сталей gm = 1,15. Значение нормативных Ryn, Run и расчетных Ry, Ru сопротивлений и коэффициентов надежности по материалу помещены в СНиП II-23-81*. Указанные сопротивления служат для оценки прочности элементов конструкций на действие растяжения, сжатия и изгиба.

Для других напряженных состояний: смещение (Rs), смятие торцевой поверхности (Rp), растяжение поперек толщины проката (Rth) — нормативные документы устанавливают другие значения сопротивлений.



Если подвергнуть образец растяжению, последовательно увеличивая нагрузку Р, и производить при этом замеры получающихся удлинений ∆l, то можно построить опытную диаграмму растяжения, откладывая удлинение в функции нагрузки.

Для удобства сравнения эту диаграмму выражают в напряжениях и относительных удлинениях:

где σ — нормальное напряжение;

F — первоначальная площадь сечения образца; ε — относительное удлинение в процентах;

l0 — первоначальная длина образца.

Величина относительного удлинения зависит от длины и поперечного сечения образца и увеличивается с уменьшением отношения

. Поэтому для сохранения сравнимости результатов испытаний установлены два типа образцов — длинный и короткий — с соотношениями между длиной и площадью сечения1

Опытная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали марки Ст. 3 показана на фигуре.

Диаграмма растяжения стали марки Ст. 3

Вначале зависимость между напряжениями и относительными удлинениями определяется законом прямой линии, т. е. они пропорциональны между собой.

Это выражается линейным уравнением (зависимость Гука)

где Е — постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости при растяжении. Для стали Е = 2 100 000 кг/см2.

Пропорциональная зависимость между деформацией и напряжением имеет предел. То наибольшее напряжение в материале, при котором начинается отклонение от прямолинейной зависимости, называется пределом пропорциональности σпц.

Несколько выше этой точки лежит предел упругости σуп, соответствующий наибольшей деформации, которая полностью исчезает после разгрузки. Точное определение этой точки на кривой опытным путем затруднительно, поскольку она фиксируется моментом начала получения остаточных деформаций после снятия нагрузки, что означает переход материала в пластическую стадию.

Для малоуглеродистых сталей при нагружении выше предела пропорциональности кривая диаграммы растяжения отходит от прямой и, плавно поднимаясь, делает скачок (образуя характерный «зуб»), после чего с незначительными колебаниями идет параллельно горизонтальной оси. Образец удлиняется без приращения нагрузки, материал течет. То нормальное напряжение, практически постоянное, при котором происходит течение материала, называется пределом текучести σт.

Горизонтальный участок диаграммы, называемый площадкой текучести, для малоуглеродистых сталей находится в пределах относительных удлинений от ε = 0,2% до ε = 2,5%. Наличие у материала площадки текучести является положительным фактором в работе стальных конструкций.

В других сталях, не малоуглеродистых, переход в пластическую стадию происходит постепенно, без площадки текучести и без «зуба». Для них предел упругости и предел текучести, таким образом, принципиально не отличаются друг от друга. За предел текучести этих сталей принимается то напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2%.

При снятии нагрузки с образца, получившего пластическую деформацию, диаграмма разгрузки идет по прямой С — D параллельно упругой прямой нагрузки.

Когда относительное удлинение достигает определенной величины (ε ≈ 2,5% для Ст. 3), материал прекращает течь и становится опять способным к сопротивлению. Он как бы самоупрочняется. Однако зависимость между напряжениями и деформациями подчиняется уже криволинейному закону, с быстрым нарастанием деформаций, после чего в образце образуется шейка и, наконец, происходит полное разрушение его.

Предельная сопротивляемость материала, которая характеризует его прочность, определяется наибольшим напряжением в процессе разрушения. Это напряжение называется пределом прочности σпч (временным сопротивлением); оно условно; поскольку при построении диаграммы растяжения напряжения, относят к первоначальной площади сечения образца, не учитывая сужения и образования шейки.

Полное остаточное удлинение, замеренное после разрушения, является мерой пластичности стали.

Таким образом, важнейшими показателями механических свойств, характеризующими работу стали, являются: предел текучести, предел прочности и относительное удлинение. Эти показатели, так же как и химический состав, указываются в сертификатах, которые сопровождают каждую партию поставляемого металла.

Государственным стандартом на поставку строительной стали гарантируются следующие ее механические характеристики.

Таблица Показатели механических свойств строительных сталей

1  Н. А. Шапошников, Механические испытания металлов, Машгиз, 1951.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов