Предел длительной прочности литейных алюминиевых сплавов

Предел длительной прочности литейных алюминиевых сплавов

Основным преимуществом сплавов АЛ33, ВАЛ18 (Al – Cu – Mn – Ti – Zr – Ni) является высокая жаропрочность (табл.3.5). Высокая жаропрочность сплавов достигается не только дисперсионным и твердорастворным упрочнением, но и легированием никелем и церием, что приводит к образованию нерастворимых интерметаллидов, располагающихся по границам дендритов и создающих гетерофазное упрочнение, сохраняющееся до 250 — 300ºС.

Сплавы на основе системы Al – Mg

Сплавы этой группы АМг5К, АМГ6л, АМг10, АМг5Мц содержат в среднем 6 -10 % магния, а также небольшие добавки титана, циркония, бериллия и обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, хорошей обрабатываемостью резанием. По стойкости против общей коррозии, в том числе в морской воде, они превосходят все другие литейные алюминиевые сплавы. Вместе с тем они имеют невысокие литейные свойства из-за широкого интервала кристаллизации.

Сплавы применяют в закаленном состоянии, т.к. старение приводит к незначительному упрочнению, существенно снижая пластичность и коррозионную стойкость.

Медь и медные сплавы

Медь – 29 – йэлементI группыпериодической системы, имеет плотноупакованную ГЦКрешетку, устойчивую от температуры плавления (1053ºС) до отрицательных температур (т.е. без полиморфных превращений). Медь – металл красно-розового цвета, который используется в технике как в чистом виде, так и как основа многочисленных литейных и деформируемых сплавов. Медь относится к немагнитным металлам, обладает высокой тепло — и электропроводностью, отличается химической стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде, органических кислотах и других агрессивных средах. Достоинствами меди и ее сплавов также являются: высокая технологическая пластичность в холодном и горячем состояниях; отсутствие порога хладноломкости, что позволяет применять медь в криогенной технике вплоть до абсолютного нуля для емкостей с жидкими газами.

Чистая медь после литья или отжига имеет низкую прочность: sв = 160 МПа, s0,2 = 35 МПа. В результате холодной пластической деформации ε = 90 % времен­ное сопротивление увеличивается почти в 2,5 раза и составляет sв = 450 МПа, а предел текучести – больше, чем на порядок (до 400 МПа). При этом относительное удлинение снижается с 50 до 3 %.

Чистую медь маркируют следующим образом: М00, М0, М1, М2 и М3. Цифры характеризуют содержание вредных примесей (кислорода, серы, селена, а также свинца и висмута, которые образуют легкоплавкие эвтектики). Концентрация вредных примесей составляет: менее 0,01 % (М00), 0,03 % (М0), 0,1 % (М1), 0,3 % (М2) и 0,5 % (М3).

Из меди изготавливают токопроводящие изделия, теплообменники и т.д. Среди цветных металлов по объему потребления медь находится на втором месте (после алюминия).

Медные сплавы наследуют физические, химические и механические свойства меди.

Деформируемые сплавы вследствие высокой технологической пластичности используют для получения не только массивных полуфабрикатов, но и таких, как лист, лента и проволока.

Литейные медные сплавы отличают хорошие литейные свойства: высокая жидкотекучесть и незначительная усадка, что объясняется узким интервалом кристаллизации.

К недостаткам медных сплавов можно отнести более высокую плотность, чем у железа – 8,9 Мг/м 3 ; неудовлетворительную обрабатываемость резанием из-за повышенной пластичности.

Медные сплавы классифицируют по нескольким признакам:

1) по химическому составу: латуни – медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим элементом, бронзы – медные сплавы, в которых основным является любой легирующий элемент, кроме цинка и никеля, медноникелевые сплавы (мельхиор, нейзильбер и др.);

2) по способу получения: литейные и деформируемые;

3) по способности к упрочнению при термической обработке: неупрочняемые и упрочняемые.

Все легирующие элементы растворяются в меди, образуя твердые растворы. Твердорастворное упрочнение при этом зависит от положения легирующего элемента в периодической таблице, т.е. от различия атомных размеров, валентности и кристаллических решеток (рис. 4.6).

У медных сплавов существует общая закономерность изменения механических и технологических свойств в зависимости от фазового состояния. Сплавы с однофазной структурой твердого раствора по мере увеличения содержания легирующего элемента не только упрочняются, но и становятся более пластичными (рис. 4.7, б).

В сплавах с двухфазной структурой (α + интерметаллическая фаза ИФ, причем ИФ – это электронные соединения) упрочнение сопровождается снижением пластичности. В связи с этим однофазные сплавы используются для изготовления тонкостенных изделий (трубок, сильфонов, пружин и т.д.) холодной пластической деформацией. Двухфазные сплавы относятся к литейным или деформируемым в горячем состоянии (рис. 4.8).

Однофазные сплавы на основе меди не упрочняются термической обработкой, так как не имеют фазовых превращений в твердом состоянии. К некоторым двухфазным сплавам применима упрочняющая термообработка.

Рис. 4. 6. Влияние легирующих элементов на твердость меди

Основные характеристики прочности материалов

1. Предел прочности (временное сопротивление) — напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Прочность – свойство твердых тел сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок.
2. Условный предел текучести — напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2% от начальной длины образца.
Предел текучести — наименьшее напряжение, при котором, не смотря на продолжающуюся деформацию образца, не происходит заметного увеличения нагрузки.
3. Предел длительной прочности – наибольшее напряжение, которое вызывает за определенное время при данной температуре разрушение образца. — предел длительной прочности за 1000 ч. при 7000С.
4. Условный предел ползучести – напряжение, которое вызывает за определенное время при данной температуре заданное удлинение образца или скорость ползучести. — предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при 7000С.
Ползучесть – деформация металла с определенной скоростью при нагружении металла постоянно действующим напряжением ниже предела текучести в течение длительного времени при высокой температуре. Жаропрочность — сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки.
5. Предел выносливости — наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения. Цикл нагружения – совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. 108,107.
Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости называют выносливостью.
Условный предел пропорциональности — отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.
Условный предел упругости — напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% от начальной длины образца.

1.2. Методы дефектоскопии, применяемые для контроля качества материалов деталей турбин и компрессоров: лопаток, дисков, роторов.

Методы делятся на разрушающие и неразрушающие.
Физические методы, неразрушающие:
1. Магнитная дефектоскопия используется для определения поверхностных трещин и непроваров. Метод основан на том, что в участках, в которых создаются подобные дефекты, возникают поля рассеивания; они обнаруживаются спец. приборами или по изменению расположения наносимого на поверхность магнитного порошка после наложения или при наложении магнитного поля.
2. Ультразвуковая дефектоскопия основана на различиях в отражении (рассеивании) направленного ультразвукового луча от внутренних, в том числе глубоко расположенных в детали, несплошностей.
3. Радиационная дефектоскопия основана на различиях в поглощении ионизирующих излучений средами с различной плотностью. Используют рентгеновскую и гамма дефектоскопию.
4. Травление поверхности. На поверхность наносятся слабые растворы соляной (HCl), азотной (HNO3) кислот или царской водки, в местах дефектов проявляются черные полоски – сеточка.
5. Метод снятия серных отпечатков. В местах неоднородностей сера меняет цвет.
6. Визуальный. Осмотр поверхности, как правило, обработанной, с помощью дополнительных источников света.
Разрушающие методы – испытания образцов на растяжение, сжатие, изгиб – статические. Испытания на ударный изгиб, на определение динамических свойств при переменных циклических нагрузках.
Макроскопический метод – дает общую картину строения металла в больших объемах. Исследования проводят на специально шлифованных образцах, которые после этого подвергают травлению. Выявляется форма и расположение зерен, наличие деформированных кристаллов, волокон, пузыри, раковины, трещины, неоднородности сплава.
Микроскопические методы – изучает микроструктуру, мельчайших пороков. Образец шлифуют, полируют, подвергают травлению. Для испытания применяют оптические и электрические микроскопы, рентгеноструктурный анализ. Метод основан на интерференции лучей, рассеянных атомами вещества. Контроль производится по анализу рентгенограммы.

1.3. Область применения углеродистых и легированных сталей в турбостроении. Обозначения сталей и других металлических материалов.

По области применения стали, делят на конструкционные (<0,65%C) – для деталей машин и инструментальные (0,65-1,4%С) – для режущего инструмента.
По химическому составу стали делят на углеродистые (только С и примеси (S, P, Si…) и легированные (Сr, Ni, Ti, Mn, Al…) – содержат легирующие элементы (>1%) с суммарным содержанием < 50%.
Первые две цифры в обозначении сталей — содержание углерода в сотых долях % (до 2,14%) . Буквы – легирующие элементы. Цифры – содержание в процентах, если за буквой нет цифры, то содержание <1.5%.
Х – хром, Н – никель, Т – титан, С – кремний, М – молибден, Г – марганец, В – вольфрам, Ф – ванадий, Ю – алюминий, Р — бор.
Углеродистые стали, применяются в качестве материалов рамных конструкций, обшивки…

1.4. Влияние легирования хромом, никелем, молибденом, ванадием, вольфрамом на жаропрочность и жаростойкость сталей.

Добавление в сталь хрома увеличивает сопротивляемость коррозии, повышает прочность и твердость, сохраняют вязкость.
Добавление никеля повышает прочность, ударную вязкость, жаропрочность, коррозионную ст ойкость, прокаливаемость.
Вольфрам повышает твердость, прочность, сопротивляемость высоким температурам.
Ванадий увеличивает плотность, делает зерно мельче, увеличивает прочность и твердость.
Кобальт увеличивает ударную вязкость, жаропрочность, магнитные свойства.
Молибден увеличивает упругость, прочность, сопротивляемость высоким температурам, коррозионную стойкость, окалиностойкость.
Медь улучшает антикоррозийные свойства.
Титан увеличивает прочность, сопротивляемость коррозии, повышает обрабатываемость.
Алюминий – увеличивает жаростойкость, вместе с кремнием повышает коррозионную стойкость.
Ниобий увеличивает сопротивляемость коррозии.
Цирконий делает сталь мелкозернистой.

1.5. Баббиты, бронзы и латуни в турбостроении.

Применяются в качестве антифрикционных материалов, например в подшипниках скольжения.
Баббиты – сплавы олова или свинца с сурьмой, медью, кадмием, цинком. Марка баббита (Б83) – указывает содержание олова в %. Б83 – олова 83%, сурьмы – 4%, меди – 6%, свинец – менее 0,3%. Рабочая температура 800С. При 100 -1200С ухудшение прочностных показателей. Хорошая прирабатываемость, малый коэффициент трения, образование коллоидных растворов
Латунь – медь и цинк.
Бронзы – медь со всеми элементами кроме цинка и никеля.
Мельхиоры – сплав меди и никеля.
Нейзильберы – медь, никель, цинк.
Алюминиевые бронзы – высокие антикоррозийные и механические свойства (зубчатые колеса, втулки, колеса).
Оловянистые бронзы – подшипники скольжения, арматура.
В качестве антифрикционных в ТС применяют серый чугун, оловянистую и свинцовую бронзы, порошковые материалы и баббиты.

1.6. Применение никелевых, титановых и алюминиевых сплавов в газотурбостроении.

Титан – легкий и очень прочный металл, устойчив к коррозии (повышает коррозионную стойкость до 40%), хорошо сваривается, имеет высокую удельную прочность. При высокой температуре поглощает водород (водородная хрупкость). N, O2, C — вредные примеси. Хорошо обрабатывается давлением, имеет хорошую пластичность, уменьшает массу детали.
Введение алюминия увеличивает жаропрочность, термическую стабильность, коррозионную стойкость.
Алюминий – повышенная коррозионная стойкость, легко обрабатывается давлением, хуже резанием. Используется для изготовления конструкций не несущих нагрузки. Хорошая свариваемость. Дюралюминий – легирующие элементы: медь, марганец, магний. Ковочные сплавы – медь, марганец и кремний. Высокопрочные алюминиевые сплавы – медь, марганец, цинк.
В настоящее время на основе алюминия получают сплавы из порошков – спечные сплавы, .полученные распылением жидкого алюминия. Такие сплавы хорошо деформируются, обрабатываются резанием, имеют высокую удельную прочность, коррозионную стойкость — перспективно изготовлять лопатки компрессоров.
Никелевые сплавы – нимоники — высокая коррозионностойкость, механические свойства для работы в агрессивных средах, жаропрочные (ХН77Т до 850оС, ХН77ТЮР).

1.7. Связь видов термообработки заготовок и деталей с их механическими свойствами.

Термообработка – тепловая обработка для изменения свойств материала.
Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемым к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
1. Отжиг – нагревание до высоких температур, выдержка и медленное остывание, для повышения пластичности.
I рода – устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками.
Отжиг II рода – подготовительная термообработка – понижая прочность и твердость, улучшает обработку резанием средне и высокоуглеродистой стали. Измельчает зерно, снимает внутренние напряжения, уменьшает структурную неоднородность, повышает пластичность и вязкость. В некоторых случаях (крупные отливки) является окончательной термообработкой.
2. Закалка – термическая обработка, заключается в быстром нагревании стали до температуры выше критической и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Не является окончательной операцией термообработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергается отпуску. Инструментальную сталь обычно подвергают З и О для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь – прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей и высокой износостойкости.
3. Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже критической, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Окончательная операция. Полностью устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Служит для уменьшения хрупкости и повышения пластичности. Температура позволяет изменять свойства: прочность, вязкость, предел упругости, выносливости.
Термомеханическая обработка – позволяет повысить механические свойства стали по сравнению с полученными при обычной закалке и отпуске. Заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с ее закалкой (термообработкой). Повышается прочность и пластичность, мельчают зерна, уменьшаются внутренние напряжения.

1.8. Виды химикотермической обработки деталей и их влияние на механические свойства материала.

Химикотермической обработкой называют поверхностное насыщение металла соответствующими элементами (углеродом, азотом, алюминием, хромом, бором и бромом и т.д.), повышающими твердость, износостойкость, коррозионностойкость. Диффузионный процесс, протекающий в твердом состоянии, требующий высоких температур и длительных выдержек.
1. Цементация – насыщение поверхностного слоя углеродом. Увеличивает твердость поверхности, износостойкость и сопротивление коррозии, повышает предел выносливости..
2. Азотирование – диффузионное насыщение азотом поверхностного слоя сильно повышает твердость, износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д.
3. Нитроцементация — диффузионное насыщение одновременно углеродом и азотом поверхностного слоя при 8500С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака повышает твердость и износостойкость стальных изделий.
4. Цианирование — = нитроцементация но при 820-9500С в расплавленных солях, содержащих группу СN (углерод и азот).
5. Борирование – повышает износостойкость (абразивную), твердость, коррозионностойкостью, окалиностойкостью, теплостойкостью.
6. Диффузионная металлизация – поверхностное легирование различными элементами– жаростойкость, коррозионностойкость, повышенная износостойкость и твердость.

Предел прочности материала при растяжении — формула, характеристики и расчеты

Предел прочности материала при растяжении сокращённо обозначается ПП. Также допускается использовать выражение «временное сопротивление». Для обозначения предела прочности применяют буквы R или σ В (сигма). Единица измерения — мегапаскаль (МПа). Показатель означает допустимую величину силы, которая может воздействовать на объект до того, как он начнёт разрушаться. Речь идёт о механическом воздействии, но следует учитывать, что химические факторы способны изменить первоначальные свойства материала, в том числе повлиять на ПП. К немеханическим нагрузкам относят следующие:

• нагревание;
• охлаждение;
• погодные условия (ветер, осадки, влажность);
• агрессивная среда.

Формула предела прочности при растяжении записывается так: R=0,64 (P/F), где F — площадь поверхности раскола предмета, а P — разрушающая нагрузка. При проектировании нельзя опираться на крайние значения, поэтому инженеры оставляют допуски на различные факторы, а также на период эксплуатации. Это значит, что при строительстве используется материал, у которого ПП превышает расчётное напряжение.

Изначально способность элемента выдерживать нагрузки определяли опытным путём. Материал использовали, не зная, как он себя поведёт во время эксплуатации, а после поломки заменяли более прочным. Со временем перешли к экспериментам и испытаниям, и по-прежнему самый точный способ найти предел прочности при натяжении и разрыве остаётся эмпирический.

Исследования проводят в лабораторных условиях, с использованием точной техники. Приборы фиксируют характеристики материала и то, как они изменяются под нагрузкой разной величины. Как правило, прочность измеряется так: предмет жёстко закрепляют и оказывают на него воздействие.

Сначала закреплённый элемент растягивают. Он становится длиннее, при этом в одном месте образуется перешеек, и именно здесь заготовка разорвётся. Так ведут себя не все материалы, а только вязкие. Чугун, сталь и другие хрупкие сплавы растягиваются незначительно. При увеличении нагрузки они трескаются и разрушаются по наклонным плоскостям. Шейки не образуются.

Сила, прикладываемая в каждый момент, измеряется с точностью до тысячных долей ньютона. Одновременно определяют размер и характер деформации. Данные сверяют с таблицами.

Второй способ — математический анализ. Он заключается в том, что прочность определяют с помощью сложных вычислений. Однако без испытаний данные, полученные расчётным путём, нельзя считать полными. Дело в том, что на практике вещество может повести себя по-другому.

Классификация параметра

Материал обладает временным сопротивлением в ответ на воздействия разного характера, поэтому характеристику классифицируют на несколько групп. Усилия, которым подвергается заготовка или конструктивный элемент:

• Растяжение. Изделие тянут за края с помощью специальной машины.
• Кручение. Предмет помещается в условия, при которых работает крутящий вал.
• Изгиб. Заготовку сгибают и разгибают в нескольких направлениях.
• Сжатие. На материал давят попеременно с разных сторон.

У одного и того же материала ПП может различаться. В качестве примера можно привести сталь. Она используется чаще, чем другие сплавы, потому что стальные конструкции показали себя как наиболее прочные, долговечные и устойчивые к неблагоприятным факторам. При этом они надёжны и не выделяют в атмосферу вредных веществ.

Существует несколько марок стали. Они производятся по разным технологиям, и в зависимости от этого различаются характеристики заготовок и конструкций. У обычных марок ПП составляет 300 Мпа. По мере увеличения содержания углерода прочность увеличивается. Самые твёрдые марки имеют показатель 900 МПа. Факторы, от которых зависят прочностные характеристики:

• количество полезных и нежелательных примесей;
• способ термической обработки (криообработка, закалка, отжиг).

Временное сопротивление и усталость

Между ПП и временным сопротивлением различным нагрузкам есть прямая связь. Второй показатель в документации и технической литературе обозначают символом Т. Он показывает, сколько длится деформация образца, когда на него воздействует постоянная нагрузка. Когда временное сопротивление прекращается, кристаллическая решётка вещества перестраивается. Это характерно для твёрдых материалов. В результате вещество становится более прочным, чем было до этого. Это явление называется самоупрочнением.

Ещё одна важная характеристика — усталость металла. Говоря о стали, применяют выражение «предел выносливости». Для обозначения используют символ R. Эта характеристика показывает, воздействие какой силы материал может переносить постоянно, а не разово. Во время эксперимента на образец оказывают давление заданной силы. Число воздействий составляет 10 7 . За время испытаний материал не должен деформироваться или утратить исходные характеристики.

На проведение таких экспериментов уходит много времени, поэтому их проводят не всегда. Часто обходятся математическими вычислениями, рассчитывая все важные коэффициенты.

Пределом пропорциональности называют максимальную нагрузку, при которой сохраняется соотношение, определяемое законом Гука. Согласно ему, тело деформируется прямо пропорционально величине оказываемого на него воздействия. Каждый материал обладает определённой степенью упругости. Она может быть классической и абсолютной. Изменения могут быть обратимыми и необратимыми. Пример первого типа — пружина: пока на неё воздействуют, она сжимается, а когда нажатие прекращается, расправляется.

Определение характеристик

Материалы обладают не только прочностным пределом, но и другими характеристиками. В случае со сталью это твёрдость и способность воспринимать ударные нагрузки. Испытания проводят следующим образом: в заготовку вдавливают алмазный конус или шар. Алмаз — эталон твёрдости. Размер следа зависит от того, насколько крепок испытуемый образец. Чем от мягче, тем больше отпечаток, и наоборот.

Прочность на удар рассчитывают так: на образце делают срез, затем ударяют. Результаты показывают характеристику для участка, который наиболее уязвим. Другие механические свойства, для которых получают данные эмпирическим путём:

• Пластичность. Она показывает, до какой степени образец может изменять форму, сохраняя исходную структуру.
• Усталость. Эта категория отображает, как долго материал не теряет свойства, испытывая длительные нагрузки.
• Ударная вязкость. Характеристика означает, в какой степени вещество способно сопротивляться ударному воздействию.

По прочности вещества делятся на классы. Они различаются по одной или нескольким характеристикам. Так, для двух классов показатели ПП могут быть одинаковыми, а значения относительного удлинения или текучести — разными.

Удельная прочность — величина, производная от предельной. Её получают путём деления исходного показателя на плотность материала. Практическая ценность расчёта состоит в том, что знание характеристики позволяет применять материал для различных целей, а не просто располагать данными о ПП. Показатель меняется в зависимости от объёма, толщины и веса изделия. Пример: тонкий лист легче деформировать, чем толстый.

Предел прочности и пластичность тесно связаны. Чем меньше второй параметр, тем быстрее разрушается образец. Материалы, у которых высокая пластичность, лучше поддаются обработке, они пригодны для изготовления деталей путём штамповки. Пример: элементы кузова штампуют из листов стали. Если у сплава невысокая пластичность, он относится к хрупким, хотя может быть иметь отличные показатели твёрдости. Одно из таких веществ — титан. Он плохо изгибается и тянется, но по твёрдости превосходит многие другие сплавы.

Для улучшения прочностных характеристик в материалы вводят добавки. Другой способ — термообработка.

1.Основные характеристики малоуглеродистой стали, стали обычной прочности, стали повышенной прочности, стали высокой прочности.

Малоуглеродистые стали обычной прочности. Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества для строительных металлоконструкций применяется сталь марок CT3 и СтЗГпс. Сталь марки СтЗ производится кипящей, полуспокойной и спокойной. Малоуглероднстые стали хорошо свариваются. В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трем группам: а) — по механическим свойствам; б) — по химическому составу; в) — по механическим свойствам и химическому составу.

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В, т.е. с гарантией механических свойств и химического состава.

В зависимости от вида конструкций и условий их эксплуатации стали, из которой они изготавливаются, предъявляются те или другие требования по ГОСТ 380 — 71 (с изм.). Углеродистая сталь разделена на шесть категорий. Для всех категорий стали марок ВСтЗ и ВСтЗГпс требуется, чтобы при.поставке гарантировались химический состав, временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном состоянии. Требования ударной вязкости для каждой категории различны. Маркировка стали согласно ГОСТ 380 — 71 (с изм.): вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы поставки, затем марки, далее степень раскисления и в конце категория, например обозначение 3СтЗпс6.

В обозначение марки стали по ГОСТ 23570 — 79 входят содержание углеродa в сотых долях процента, степень раскисления и при повышенном содержании марганца буква Г. Прокат изготовляют из сталей 18кп, 18пс, 18сп, 18Гпс и 18Гсп. По сравнению с ГОСТ 380 — 71 (с изм.) несколько повышены прочностные характеристики проката.

Стали повышенной прочности.Сталь повышенной прочности можно получить как термической обработкой малоуглеродистой стали, так и легированием. Малоуглеродистая термически обработанная сталь марки ВстТ поставляется по ГОСТ 14637 — 79. Эта сталь получается термической обработкой стали СтЗ кипящих, полуспокойных и спокойных плавок. Для металлических конструкций рекомендуются стали полуспокойной и спокойной плавок; стали кипящие как весьма неоднородные не рекомендуются. Сталь марки ВСтТпс имеет предел текучести 295 МПа, временное сопротивление 430 МПа. Показатели ударной вязкости этой стали выше, чем показатели стали СтЗ (0,35 МДж/м’ при температуре — 40’С). Повышенная прочность низколегированных сталей получается введением марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия. При этом некоторые марки стали подвергаются термическому упрочнению. Подбор легирующих элементов обеспечивает хорошую свариваемость. Прокат из этих сталей поставляется по ГОСТ 19281 — 73 «Сталь низколегированная сортовая и фасонная», по ГОСТ 19282 — 73 «Сталь низколегированная листовая и широкополосная универсальная» и различным техническим условиям. В зависимости от нормируемых свойств (химического состава, временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости при разных температурах и после механического старения) согласно ГОСТУ эти стали подразделяются на 15 категорий. Основные марки сталей повышенной прочности приведены в табл. За счет более высоких прочностных характеристик применение сталей повышенной прочности. Приводит к экономии металла до 20 — 25 %.

Сталь высокой прочности. Прокат из стали с пределом текучести 440 МПа и временным сопротивлением 590 МПа и выше получают путем легирования и термической обработки .При сварке термообработанных сталей вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соединения происходят различные структурные превращения. На одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной прочностью и хрупкостью (жесткие прослойки), на других металл подвергается высокому отпуску и имеет пониженную прочность и высокую пластичность (мягкие прослойки). Разупрочнение стали в околошовной зоне может достигать 5 — 30%, что необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей. Введение в состав стали некоторых карбидообразующих элементов (молибден, ванадий) снижает эффект разупрочнения. Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла на 25 — 30 % по сравнению с конструкциями из малоуглеродистых сталей и особенно целесообразно в большепролетных и тяжело нагруженных конструкциях. Таблица. Основные марки строительных сталей и их механические характеристики.

2. Хар-ки работы стали на растяжение (диаграмма растяжения стали обычной прочности и высокопрочной). Металлы

Большое препятствие образованию сдвигов в зернах феррита создают в стали более прочные зерна перлита- прочность стали значительно выше прочности чистого железа. Работу, например, углеродистой стали СтЗ при растяжении (в зависимости от ее структуры) можно представить в следующем виде (кривая в). В первой стадии до предела пропорциональности происходят упругие деформации, пропорциональные действующим напряжениям—это стадия упругой работы. Деформации удлинения в этой стадии материала происходят только в результате упруговозвратимого искажения атомной решетки. Поэтому после снятия нагрузки образец принимает первоначальные размеры. При дальнейшем увеличении нагрузки дислокации начинают скапливаться около границ зерен феррита-способствует появлению отдельных сдвигов в зернах феррита; пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается — деформации начинают расти быстрее напряжений (участок между и ). Последующее увеличение напряжений способствует увеличению количества и развитию линий сдвига в зернах феррита, которые приводят к развитию больших деформаций изделия при постоянных напряжениях—к образованию площадки текучести. Этой стадии пластического течения отвечают напряжения предела текучести. Развитие деформаций происходит в результате упругого деформирования и больших необратимых сдвигов по плоскостям скольжения зерен феррита. После снятия нагрузки упругая часть деформаций возвращается (линия разгрузки идет параллельно линии нагрузки), а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям. Дальнейшее развитие деформаций изделия затрудняется более прочными и жесткими зернами перлита. Чтобы образовались общие плоскости сдвига в образце, сдвиги в отдельных зернах феррита должны обтекать зерна перлита или раскалывать слабые их участки, для чего необходимо повышение напряжений. Карбиды и нитриды в сталях повышенной и высокой прочности, располагаясь в теле зерен феррита и по их стыкам, приводят к дополнительному сопротивлению сдвига по плоскостям спайности в зернах феррита и соответственно к повышению прочности стали. Стадию работы материала, в которой происходит повышение сопротивления внешним воздействиям после площадки текучести до временного сопротивления, называют стадией самоупрочнения- материал работает как упругопластический. Во все время растяжения продольным деформациям удлинения сопутствуют поперечные деформации сужения, причем при подходе к временному сопротивлению деформации удлинения и сужения начинают концентрироваться в наиболее слабом месте, образуя шейку. Сечение в месте шейки интенсивно уменьшается, что приводит к повышению напряжений в месте сужения, несмотря на то, что нагрузка на образец снижается, по месту образования шейки происходит разрыв. Образование протяженной площадки текучести присуще только сталям, содержащим около 0,1 — 0,3 % углерода. При меньшем содержании углерода получается недостаточно зерен перлита для сдерживания сдвигов по зернам феррита; при большом — зерен перлита получается так много, что они полностью блокируют зерна феррита и не дают возможности развиваться по ним сдвигам. Диаграммы деформирования стали повышенной прочности (кривая г) почти не имеют площадки текучести — после упругой работы кривая, имея скругление, переходит в стадию самоупрочнения. У ряда сталей высокой прочности, особенно у термоупрочненных, площадка текучести отсутствуе. Условный предел текучести у таких сталей устанавливается по остаточному удлинению, равному 0,2 %. Рассматривая диаграммы основными характерными показателями работы стали на растяжение являются предел текучести, характеризующий начало развития больших деформаций, временное сопротивление, отвечающее предельной нагрузке, воспринимаемой элементом (образцом), и относительное удлинение, характеризующее пластические свойства материала. Показатели этих трех характеристик устанавливаются в стандартах на сталь. У углеродистой стали марки СтЗ запас работы материала от предела текучести до временного сопротивления , т. е. довольно большой, что дает возможность в широких пределах использовать пластические свойства стали. У высокопрочных сталей предел текучести близко подходит к временному сопротивлению (отношение ), что ограничивает использование работы материала в упругопластической стадии. Для сталей высокой прочности пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается задолго до предела текучести ( кривая д ).

Диаграмма растяжения стали и образование шейки в образце

а— монокристалл железа; б — поликристалл железа; в — сталь обычной прочности (типа ВСтЗ) г- сталь повышенной прочности (типа 09Г2С; 1ОХСНД); д — сталь высокой прочности (типа 16Г2АФ, 12Г2СМФ и др.); слева — разорванный образец из стали обычной прочности.