Основні фізико-механічні властивості будівельних сталей.

Основні механічні властивості сталей такі:

- міцність – здатність чинити опір зовнішнім впливам;

- пружність – здатність відновлювати свою початкову форму після зняття навантаження;

- пластичність – властивість не повертатися в початковий стан після зняття навантаження (поява залишкових деформацій);

- крихкість – руйнування при малих деформаціях.

Основними механічними характеристиками сталей є наступні:

- межа міцності (або тимчасовий опір) - _u, МПа;

- межа текучості - _у, МПа;

- відносне подовження при розриві , %.

Фізичні характеристики сталей, які використовуються при розрахунках конструкцій:

• модуль пружності Е=2,06·10⁵ МПа;

• коефіцієнт температурного розширення L=0,000012;

• коефіцієнт поперечної деформації (коеф. Пуассона) =0,3;

• об’ємна вага =7850 кг/м³.

Робота сталі на розтяг.

Основні механічні характеристики сталі одержують дослідним шляхом за допомогою випробувань на розтяг стандартних круглих або плоских зразків сталі в спеціальних розривних машинах. При цьому залежність між напруженнями та подовженнями зразка зображається в вигляді діаграми розтягу. Вона відома з курсу опору матеріалів (рис.1.1).

По осі ординат відкладають значення напружень , по осі абсцис – відносне подовження :

N  l

 =  ;  =  · 100% ,

A l₀

де N – навантаження;

А – площа поперечного перерізу зразка до навантаження;

l₀ – довжина зразка до випробування;

l – приріст довжини зразка під дією напружень .

Рисунок 1.1. Діаграма розтягу сталі

На прямолінійному відрізку діаграми (від т.0 до т.1) сталь працює пружно, і між відносним подовженням  та напруженням  існує лінійна залежність, яка описується законом Гука:

 =  · Е.

Напруження в т.1 називається межею пропорційності _el.

Вище т.1 лінійна залежність порушується і на діаграмі з’являється криволінійний відрізок. Від т.1 до т.2 матеріал ще продовжує працювати пружно, тобто деформації повністю зникають після розвантаження. Вище т.2 матеріал починає працювати пластично, і після розвантаження зберігаються залишкові деформації. Напруження в т.2 називається межею пружності _е.

При досягненні діаграмою точки 3 деформації починають різко зростати, утворюючи на діаграмі горизонтальну ділянку, яку називають ділянкою текучості. На цій ділянці матеріал подовжується без прирощення навантаження, тобто починає немов би текти. Ділянці текучості відповідає напруження, яке називається межею текучості _у.

Межа текучості _у – це напруження, від дії якого суттєво зростають деформації при постійному навантаженні на зразок.

Н е всі пластичні матеріали мають ясно визначену ділянку текучості: чим жорсткіша сталь, тим ця ділянка менша, а іноді її зовсім немає. Алюмінієві сплави також не мають ділянки текучості. У зв’язку з цим, для високоміцних сталей та алюмінієвих сплавів без ділянки текучості за межу текучості умовно приймають напруження _0,2, при якому залишкове відносне подовження чисельно становить не більше 0,2% (рис.1.2).

Рисунок.1.2. Діаграма розтягу високоміцної сталі

В точці 4 матеріал знову починає сприймати навантаження (самозміцнюватись), крива полого піднімається до т.5, де напруження досягає свого найбільшого значення – межі міцності (або тимчасового опору) _u.

Межа міцності _u являє собою напруження, що відповідає максимальному навантаженню.

Далі деформації в зразку швидко збільшуються, утворюється так звана шийка, площа перерізу в цьому місці різко зменшується, і розрив зразка відбувається вже при меншому навантаженні (т.6).

В практичних розрахунках користуються ідеалізованою (спрощеною) діаграмою розтягу, характерною для ідеального пружно-пластичного матеріалу –діаграмою Прандтля (рис.1.3.).

Рисунок 1.3. Діаграма Прандтля

У відповідності з цією діаграмою на відрізку 0-1, тобто до межі текучості, матеріал працює пружно, а далі абсолютно пластично. Цю діаграму використовують для тих конструкцій, у яких несуча здатність обмежується межею текучості (а їх абсолютна більшість).

Основними факторами, які впливають на роботу сталі і сприяють крихкому руйнуванню, є слідуючі:

- наклеп; Наклепом називається підвищення пружних властивостей сталі з одночасним зменшенням подовження, викликане повторними (з перервами) навантаженнями сталі за межею текучості.

- старіння; Старінням називають зміну властивостей сталі в часі в результаті видалення з твердого розчину надлишкових компонентів (вуглецю, азоту та ін.), які утворюють з’єднання з залізом.

- нерівномірність розподілення напружень (концентрація напружень);

- стомленість матеріалу; Якщо метал піддавати дії багатократно повторного навантаження, то виникає явище стомленості, яке проявляється у зниженні міцності металу. Здатність металу чинити опір руйнуванню внаслідок стомленості називається витривалістю. Напруження, що відповідають стану стомленості, називаються вібраційною міцністю _вб. Явище стомленості проявляється в конструкціях, які піддаються динамічним навантаженням (мости, естакади, підкранові балки та ін.), і повинно враховуватися при розрахунках.

- вплив температури. Зміна температури впливає на механічні властивості сталі. При від’ємних температурах міцність сталі дещо підвищується, але зменшується пластичність. Маловуглецеві сталі можуть використовуватися при температурі не нижче –45…-50°С, а низьколеговані – при температурі не нижче –55…-60°С. При підвищенні температури до 250°С механічні властивості сталі практично не змінюються. При температурі 300…330°С сталь стає крихкою. При більш високих температурах крихкість зникає, але відбувається різке падіння значень _у та _u. А при t = 600…650°С настає так звана температурна пластичність, коли межа текучості наближається до нуля.