Материалы для металлических конструкций. Основные свойства сталей.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки. Углерод увеличивает прочность сплава, но понижает свариваемость. В строительных сталях содержание углерода не более 0,22%.

Достоинства – сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств. Недостатки – относительно низкая коррозионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от коррозии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.

Алюминиевые сплавы. Достоинства – малая плотность (почти 3 раза меньше стали) при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии и сохранение упругопластических свойств при низких температурах. Недостаток – повышенная деформативность, а падение прочностных свойств алюминиевых сплавов при температуре 300С снижает огнестойкость.

Чугун хорошо работает на сжатие и обладает высокой коррозионной стойкостью, однако малая прочность при растяжении, хрупкость материала и плохая свариваемость привели к тому, что в настоящее время чугун практически не применяется для строительства конструкций.

Основные легирующие добавки – кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А). Вредные примеси – фосфор, сера.

По прочностным свойствам стали условно подразделяются на три группы: обычной прочности (Ϭ_у<29 кН/см²), повышенной прочности (Ϭ_у=29…40 кН/см²) и высокой прочности (Ϭ_у>40 кН/см²).

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния и марганца.

Низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5%. Вредные примеси – фосфор, сера.

По степени раскисления стали могут быть:

- кипящими, которые оказываются более загрязненными газами и менее однородными, поэтому от слитка отрезают дефектную часть, составляющую примерно 5% от массы слитка (имеют достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, но хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению);

- полуспокойными, занимающие промежуточное положение. От головной части отрезается меньшая часть – 8% от массы слитка;

- спокойными, у которых от головной части отрезается примерно 15%. Она более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Однако они дороже кипящих примерно на 12%.

Основные свойства стали.

Надёжность и долговечность во многом зависит от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются свойства: прочность, упругость, пластичность, хладостойкость, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность – сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность - свойство материала сохранять несущую способность в процессе деформирования (остаточные деформации без разрушения). Хрупкость - склонность к разрушению при малых деформациях. Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твёрдость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него более твёрдого материала.

Основные прочностные характеристики – временное сопротивление Ϭ_u (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца) и предел текучести Ϭ_y (напряжение, которое соответствует остаточному относительному удлинению после разгрузки, равному 0,2%. Для сталей, не имеющих площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести).

Упругие свойства материала характеризуют модулем упругости E=tgα=2,06*10⁴кН/см² (α – угол наклона начального участка диаграммы работы стали к оси абсцисс) и пределом упругости Ϭ_с, т.е. таким максимальным напряжением, после снятия которого остаточные деформации отсутствуют.