Требуемые свойства металлов и методы их оценки

Успех в познании МК состоит в обеспечении возможности индустриального изготовления, надежности, долговечности, технико-экономической эффективности, которые во многом зависят от правильного выбора инженера.

Анализ этих положений и накопленный опыт выделяют следующие основные служебные свойства, которыми должна обладать строительная сталь – прочность, сопротивляемость хрупкому и вязкому разрушению (упругость, пластичность, ползучесть, твердость), свариваемость, коррозионная стойкость, технологичность и т.п. – это механические свойства стали.

Прочность – сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Определяются испытаниями стандартных образцов на растяжение статической нагрузкой с записью диаграммы и e = ·100% (рисунок 2.1).

Основными характеристиками прочности металла являются временное сопротивление s_u - наибольшее напряжение при разрушении образца и s_у - предел текучести – напряжение, при котором деформации растут без изменения нагрузки.

Упругость - свойство материала восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузок.

Пластичность – свойство материала сохранять остаточные деформации после снятия нагрузки без разрушения.

Ползучесть – непрерывное деформирование во времени без увеличения нагрузки.

Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индектора из более твердого материала.

Мерой пластичности стали служит относительное остаточное удлинение при разрыве d_равн – равномерное удлинение по всей длине образца.

Для металлов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести s₀₂, т.е. такое напряжение, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0.2 %.

Усталость металла – склонность металла к разрушению при действии циклически меняющихся напряжений, которые могут быть меньше s_u и даже s_т.

а)	б)

а – образец для испытания на растяжение;

б – к определению предела пропорциональности и предела упругости

Рисунок 2.1 - К определению механических характеристик металла

Упругость материала – определяется модулем упругости Е = tga, и пределом упругости s_e, т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают. До s_р материал работает линейно по закону Гука:

s = Е·e. (2.1)

Обычно принимают, что предел пропорциональности s_р соответствует напряжениям, при которых Е уменьшается в 1,5 раза, а предел упругости s_е - напряжениям при которых e = 0.05%.

Склонность металла к хрупкому разрушению – ударная вязкость (КС) определяется работой, затраченной на разрушение эталонного образца, отнесенной к площади поперечного сечения (Дж/см²) (рисунок 2.2).

Испытания проводят на специальных маятниковых копрах. Температура, при которой происходит спад ударной вязкости, или она снижается ниже 30 Дж/см² принимается за порог хладостойкости. Резкое снижение «КС» наблюдается у состаренного металла. Значения «КС» установлены стандартами на сталь. Таким образом, ударная вязкость является комплексным показателем состояния металла – хрупкое или вязкое.

Оценка технологических свойств металла производится по химическому составу.

Свариваемость. Установлено, что повышение прочности стали увеличением содержания углерода ("С") и легирующих добавок, возрастает опасность появления околошовных закалочных микроструктур, холодных трещин и т.п. При этом, действие углерода особенно отрицательно, поэтому свариваемость оценивается химическим составом (углеродному эквиваленту).

Для определения углеродного эквивалента предложено несколько формул, так, формула международного института сварки:

С_Э = С + , (2.2)

где: С = 0.07 ¸ 0.22%; М_n = 0.4 ¸ 1.4%; С_n £ 1.2%; N_i £ 1.2%;

С₂ £ 0.7%; V £ 0.12%; М₀ = 0.7%.

Таким образом, при С_Э £ 0.4 сварка стали не вызывает затруднений, при 0.4 < С_Э £ 0.55 сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возникновения трещин. При С_Э > 0.55% опасность появления трещин резко возрастает.

Помимо образования холодных трещин, могут образоваться и горячие трещины, а также локальное ухудшение эксплуатационных характеристик (хладостойкость) – локальное разупрочнение.

а – тип I c U-образным надрезом (образец Менаже); б – тип II c V- образным надрезом (образец Шарпи); в – образец с трещиной (–); г – схема испытаний; 1 – трещина; 2 – образец

Рисунок 2.2 – Типы образцов для испытаний на ударную вязкость

Хладостойкость определяется t^o хрупкости, при которой возможен переход от вязкого к хрупкому разрушению микросколом (зерна металла раскалываются по определенным кристаллографическим плоскостям). Это опасно, т.к. разрушение происходит внезапно, распространяясь с высокой скоростью, часто при весьма низких напряжениях. Является фактором, препятствующим дальнейшему повышению прочности стали легированием.

Сопротивление вязкому разрушению выражается следующими характеристиками:

- предельная пластичность e_k; y; d_k;

- ударная вязкость при вязком разрушении – КС_max;

- анизотропия вязкости и пластичности.

Они определяют возможность холодной гибки, штамповки, вальцовки, правки и сварки.

Анизотропия пластичности – заметное снижение показателей ударной вязкости при переходе от испытаний в продольном направлении к испытаниям в поперечном и резком их падении при испытаниях в направлении толщины изделия.

Так для Ст3 – КС_max » 200 Дж/см² – в продольном направлении;

КС_max » 150 Дж/см² – в поперечном направлении;

КС_max » 40 Дж/см² – в направлении толщины

при t^o = +20^оС.

Анизотропия сильно влияет на сварные соединения – в основном металле образуются капиллярные трещины вдоль швов.

Меры борьбы с анизотропией – добиться низкого содержания в стали S<0.01% и О₂, направленного воздействия усилия, добавление металлов – модификаторов (титан, Са, Те, Se, редкоземельные).

Технико-экономическая эффективность (ТЭЭ) определяется показателями двух категорий – изменение массы конструкции и их стоимость.

Непременным условием является получение экономического эффекта, подсчитываемый методом приведенных затрат.

ТЭЭ применения сталей разных уровней прочности видна из следующей таблицы:

Марка стали		КН	qH	Относительная стоимость конструкции в деле	Экономический эффект от базы
ВСт3сп5 (база)	235/225			1.0	-
ВСт3сп5-1	235/230	1.02	0.02	1.01	0.7
ВСт3сп5-2	265/260	1.12	0.12	1.03	8.9
04Г2С-6-1	325/315	1.24	0.24	1.12	11.6
14Г2А-Ф	390/370	1.46	0.46	1.23	23.4
16Г2А-Ф	440/400	1.55	0.55	1.27	28.9
12Г2СМ-Ф	590/515	1.92	0.92	1.56	35.8

К_Н – коэффициент приведения снижения массы;

q_Н - коэффициент экономии массы;

Данные показывают, что возможный экономический эффект возрастает по мере повышения прочности стали.

Это можно увидеть и из следующей таблицы:

Максимальное снижение массы достигается в сооружениях, в которых значительная часть нагрузок приходится на собственный вес конструкций.

Значения показателей основных свойств металлов устанавливаются ГОСТами и техническими условиями (ТУ).

Наиболее важными из физических характеристик металлов являются:

Характеристики	Условные обозначения	Прокатная сталь	Алюминиевые сплавы
Объемный вес	g, кН/см3	7.85·10-5	2.7·10-5
(плотность)	r, кг/м3	7.85·103	2.7·103
Модуль упругости	Е, кН/см2	2.06·104	0.71·104
Модуль сдвига	G, кН/см2	0.81·104	0.27·104
Коэффициент поперечной деформации (коэф. Пуассона)		0.3	0.3

На основании вышеуказанного выбраны 7 основных унифицированных уровней прочности стали с пределом текучести s_т не менее: нормальной – 225 МПа, повышенной – 285, 325, 390 МПа, высокой – 440, 590, 735 МПа прочности.

Стали