Физико-механические свойства сталей

06.07.2016

Для изготовления металлических конструкций применяют стали углеродистые обыкновенного качества, стали низколегированные конструкционные, стали высокой прочности и стальное литье, а также алюминиевые сплавы. Очень редко при особых условиях эксплуатации применяют титановые сплавы. Они легче стали, более коррозиеустойчивы, сохраняют прочность при низких температурах, но дороги и дефицитны.
Сталь состоит из различных соединений железа с углеродом и рядом добавок. Некоторые из добавок являются вредными, например сера и фосфор, остаются в процессе получения стали и снижают ее качество. Другие, в большинстве случаев специально добавляемые (марганец, хром, медь), улучшают свойства стали. Их называют легирующими (облагораживающими) добавками.
Строительная сталь хорошего качества имеет в изломе мелкозернистое строение матового бархатистого оттенка. Блестящий зернистый вид излома, а также слоистое строение его — признаки стали низкого качества. Свойства однородных мелкозернистых сталей лучше крупнозернистых, а также сталей, представляющих смесь крупных и мелких зерен. Преимущественная кристаллографическая ориентация зерен стали, которая получается, например, в процессе прокатки при пониженных температурах (так называемая строчечная структура), делает сталь анизотропной. По направлению преимущественной кристаллографической ориентации (в направлении прокатки) сталь приобретает более высокие механические свойства.
Основными характеристиками механических свойств строительных сталей являются (рис. I—1) предел прочности — σпч, предел текучести — σт и относительное удлинение — ε, определенные при статическом испытании на растяжение стандартных образцов в соответствии с ГОСТ 1497—61.
Вследствие образования в растянутом стальном образце перед разрушением суженного участка (шейки) предел прочности σпч, вычисляемый как отношение разрушившей нагрузки к начальной площади поперечного сечения образца, является величиной условной; однако этот показатель имеет большое практическое значение.
Физико-механические свойства сталей

Относительное удлинение образца (ε = lк-l0/l0 100%), как и относительное сужение поперечного сечения его (ψ = F0-Fк/F0 100%) характеризуют пластичность стали и показывают степень возможной деформации ее под нагрузкой до разрушения. Следует помнить, что относительное удлинение представляет собой сумму двух остаточных деформаций — равномерного удлинения образца на замеряемом участке и сосредоточенного удлинения в пределах шейки. Относительное удлинение является, таким образом, условной величиной. Эта величина зависит от отношения учитываемой в расчетах длины образца к его площади поперечного сечения, от места расположения разрыва и от формы образца. Относительное сужение образца свободно от таких недостатков и является лучшим показателем способности металла к пластическим деформациям. Однако определить площадь поперечного сечения после разрыва прямоугольных образцов довольно трудно.
Показателем обрабатываемости стали служит испытание ее загибом на 180° в холодном состоянии вокруг оправки диаметром от 0 до тройной толщины изгибаемого образца (ОСТ 1683). Отсутствие после такого загиба надрывов, трещин, расслоений и изломов свидетельствует об удовлетворительном качестве стали.
Показателем работоспособности стали при динамических (вибрационных, переменных и ударных) воздействиях, а при низких температурах показателем хрупкости стали и ее хладноломкости служат результаты испытаний на ударную вязкость (ГОСТ 9454, 9455 и 9456—60). Ударной вязкостью называют отношение работы, затраченной на ударный излом в копре образца с надрезом, к площади его ослабленного сечения (кгм на 1 см2). Эти испытания производят при нормальной температуре (+20°) и при отрицательной температуре (для углеродистых сталей -20°, а для низколегированных -40 и -70°). Кроме того, определяют ударную вязкость стали после механического (искусственного) старения.
Для тех же целей что и испытания на ударную вязкость, проводят испытания на внецентренное растяжение широких листов стали с острым надрезом.
Механические свойства сталей, употребляемых для изготовления металлических несущих конструкций, приведены в таблице I—1.
Физико-механические свойства сталей

Ударная вязкость образцов из стали ВСт.3сп, ВСт.3пс при толщине проката от 10 до 25 мм и при нормальной температуре:
- для листов поперек прокатки не менее 7 кгм/см2;
- для широкополосной стали вдоль прокатки не менее 8 кгм/см2;
- для фасонного и сортового проката вдоль прокатки не менее 10 кгм/см2.
Ударная вязкость той же стали при температуре -20° или после механического старения при нормальной температуре должна быть не менее 3 кгм/см2.
При вычислении веса конструкций принимают, вес стали прокатной и литой 7,85 т/м3. Коэффициент теплопроводности стали 50,0 ккал/час*м2*град.
Коэффициент линейного температурного расширения стали 0,000 012.