Работа упрочненного алюминия под нагрузкой при растяжении и сжатии

01.06.2020

Легирующие компоненты и упрочняющие дисперсионные фазы в виде зон Гинье — Престона распределяются в массе алюминия равномерно и не образуют кристаллов с решеткой, которая бы отличалась от кристаллической решетки основы. Процесс упрочнения алюминия также происходит без изменения основного типа кристаллической структуры. В зависимости от характера нагрузки работа алюминия может быть линейно-упругой в области малых деформаций и нелинейно-упругой при их увеличении.

Элементы строительных конструкций подвергаются изгибу, сжатию, растяжению, кручению и сложному напряженному состоянию. При разработке норм на проектирование алюминиевых строительных конструкций возникла необходимость всестороннего изучения свойств этого материала. Это относилось к тем маркам алюминия, которые были предназначены для ответственных сооружений (мостов, покрытий зданий, опор ЛЭП и т. п.), и особенно при разработке основных положений по расчету на устойчивость при продольном изгибе и местной устойчивости стенок и полок профилей. Именно такие марки алюминия были исследованы более полно: были сняты диаграммы «напряжения — деформации» как при растяжении, так и при сжатии, определены пределы пропорциональности, условные пределы текучести, закон изменения модулей упругости и пластичности, относительных деформаций.

Работа упрочненного алюминия на стандартных образцах под действием растягивающей нагрузки. Исследования показывают, что в зависимости от характера и способа упрочнения предел пропорциональности у разных марок алюминия при растяжении, определяющий область упругой работы металла, колеблется в широком диапазоне. После достижения предела пропорциональности с повышением нагрузки в кристаллитах начинают появляться необратимые деформации и нарастают пластические изменения формы образцов. Линии сдвигов особенно хорошо видны на широких плоских образцах (рис. 11, г). Появление их при испытании на машине сопровождается легким потрескиванием.

В диаграммах а—е, полученных при растяжении стандартных образцов, не наблюдается резкого перехода от упругих деформаций к пластическим (рис. 9, 10). Поэтому для определения границы использования прочности металла принят так называемый условный предел текучести. Условным пределом текучести о0,2 называется напряжение, при котором стандартный образец при его растяжении получает остаточные относительные деформации, равные 0,2 % его первоначальной рабочей длины l0. Аналогично применяются в расчетах условный предел текучести оо,1 и пределы пропорциональности o0,05, о0,01. Значительное увеличение области упругой работы происходит при нагартовке листов. На рис. 11, а показаны характерные диаграммы 0 — е, полученные при растяжении стандартных образцов из на-гартованного листового магналия толщиной 4 мм.
Работа упрочненного алюминия под нагрузкой при растяжении и сжатии

Исследование алюминия на сжатие. Исследование представляет интерес в связи с тем, что характер сопротивления металла сжатию отражается на устойчивости стержней и отдельных деталей конструкций. При этом исследовании определяется модуль деформаций и снимается диаграмма «напряжения— деформации», которая может отличаться по характеру и величине условного предела текучести от такой же диаграммы, полученной при испытании образцов на растяжение.

Исследования работы на сжатие металла разных конструкционных марок алюминия для строительства проводились Л.П. Шeлестенко, Ю.М. Нагевичем, Б.Г. Баженовым, С.А. Поповым и другими советскими учеными. Каждый исследователь разрабатывал свою методику испытаний и применял разную форму образцов, которые отличались, как правило, от стандартных, применяемых при испытаниях на растяжение. Последнее обстоятельство сказалось на результатах всех исследований. Они были бы более полными, если бы для всех случаев сохранялся закон подобия формы образцов. В этой работе исследование металла АМг6 и АМг61 проводилось на трубчатых образцах, у которых рабочая длина l0 = 11,3VF. Таким образом, выдерживалось соотношение между рабочей длиной l0 и площадью сечения F, которое требуется по ГОСТ 1497—73 для определения механических свойств металла при растяжении. На рис. 9, а—в показаны схемы испытания трубчатых образцов и диаграммы, полученные при исследовании листового магналия. Диаграмма «напряжения — деформации» при сжатии, так же как при растяжении, не имеет физической площадки текучести и по характеру мало отличается. Значения механических характеристик различны.


Результаты исследований, проведенных разными специалистами, представлены в табл. 6. Несмотря на различие методик исследования, они представляют интерес. Проанализируем эти данные.

Сравнение механических характеристик алюминия при растяжении и сжатии. В табл. 6 даны минимальные и максимальные значения пределов пропорциональности, текучести и прочности. Как правило, предел пропорциональности у всех марок при растяжении и при сжатии значительно ниже предела текучести, составляет в среднем 0,6—0,8 o0,2 и нигде не равен о0,2. Это свидетельствует о том, что после достижения предела пропорциональности значение модуля упругости начинает падать с увеличением нагрузки, т. е. уже в пределах малых упругопластических деформаций упрочненный алюминий работает как нелинейно-упругий материал.

Следует обратить внимание на повышенное значение механических характеристик у прессованных профилей по сравнению с листовым прокатом. Это объясняется, как уже отмечалось, так называемым пресс-эффектом, т. е. упрочнением, получаемым при прессовании, когда металл кристаллизуется, испытывая давление. Зона упрочнения (от предела текучести до предела прочности) составляет 25—15 % предела прочности, что говорит о дополнительном запасе надежности, который могут иметь конструкции.

В табл. 7 для тех же образцов даны соотношения механических характеристик при сжатии и при растяжении. Сравниваются результаты испытаний листового проката и прессованных профилей. У листового проката значения пределов пропорциональности и пределов текучести при растяжении и сжатии отличаются очень незначительно, в среднем в пределах 3 %. Прессованные же профили (сплавы АМг61 и Д16) имеют предел пропорциональности при сжатии опц сж меньше, чем при растяжении опцр на 40—50 %, и предел текучести при сжатии меньше на 25—15%. Предел пропорциональности и предел текучести упрочненного алюминия 1915Т, как правило, значительно превышают эти характеристики, полученные при растяжении. Отличаются по характеру и диаграммы (см. рис. 10).

Разницу значений опц и о0,2 при равнозначных нагружениях у прессованных профилей можно также объяснить пресс-эффектом. Упрочненные при прессовании связи между кристаллитами разрушаются по-разному при действии растягивающих и сжимающих сил. При этом играют роль наличие химических добавок в сплавах. Некоторые из них увеличивают сопротивление разрушению при растяжении, как это наблюдается у АМг61 и Д16Т, другие, наоборот, увеличивают сопротивление разрушению при сжатии, как у 1915Т. Описанное выше явление говорит о необходимости назначения разных расчетных сопротивлений при растяжении и сжатии. Это позволит более полно использовать механические свойства прессованных профилей. При этом возникает необходимость разработки специальной теории расчета алюминиевых профилей, в которой были бы учтены разные пределы текучести о0,2сж и о0,2р нелинейно-упругая работа материала в пределах малых упругопластических деформаций.

Характеристикой материала, определяющей деформативность и устойчивость конструкций и их элементов, является модуль-упругости Е, получаемый из экспериментальных диаграмм «напряжения— деформации» как величина (da)/(de). Для строительного алюминия Еа = 7,1*10в4 МПа, для титана Ет = 11,25*10в4 МПа, для стали Ест = 2,1*10в5 МПа.

При сравнении видно, что алюминий имеет модуль упругости почти в 3 раза меньше, чем у стали, и в 1,5 раза меньше, чем у титана. Тем не менее это нельзя считать недостатком материала. Конструкции из строительного алюминия должны иметь форму, которая отвечала бы требованиям прочности, жесткости и устойчивости, предъявляемым к этим конструкциям. Для обеспечения этих требований при проектировании вместо плоских систем следует отдавать предпочтение пространственным схемам конструкций с трубчатыми, замкнутыми сечениями стержней и пластинчатым панельного типа элементам ограждений, включенным в работу общей пространственной системы сооружения или здания. Необходимо максимально использовать высокую пластичность, которую металл имеет именно благодаря своей величине модуля упругости. Поэтому технология изготовления разнообразных по конфигурации прессованных, гнутых и штампованных полуфабрикатов из алюминия значительно проще, чем из стали и титана.

Благодаря низкой величине модуля упругости в алюминии при изменении температуры возникают меньшие напряжения, чем в стали, то же самое происходит при осадках фундаментов в неразрезных системах и других тому подобных случаях. При монтаже и перевозке случайные погиби элементов чаще всего имеют упругий характер, что позволяет быстро восстанавливать необходимую прямолинейность элементов и избегать сложной правки.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна