Основные физико-механические и деформационно-прочностные характеристики материала для металлических конструкций

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Металлические строительные конструкции изготовля­ют из сталей или алюминиевых сплавов. Поведение ме­талла в конструкции определяется его механическими снойствами: а) прочностью, б) упругостью, в) пластич­ностью, г) хрупкостью, д) выносливостью.

1. Прочность, упругость, пластичность. Показатели, характеризующие первые три свойства, выявляются при испытании образцов металла на разрыв.Пре­дел прочности (или временное сопротивление) а_вр— эти наибольшее напряжение, после достижения которого ма­териал начинает разрушаться. Упругостью называется свойство материала восстанавливать свою первоначаль­ную форму после снятия внешней нагрузки.

Пластичностью (или статической вязкостью) называ­ют свойство материала получать остаточные деформации после снятия внешней нагрузки. Чем больше эти дефор­мации, тем больше пластичность. Это свойство характе­ризуют: а) полное остаточное удлинение замеренное после разрушения образца; б) предел текучести — на­пряжение, при котором материал «течет». Диаграмма растяжения для сталей с высоким содержанием углеро­да, для алюминиевых сплавов и для многих низколеги­рованных сталей отличается полным или почти полным отсутствием площадки текучести. Для этих материалов предел текучести условно определяется как напряженке, при котором образец получает остаточное удлинение в 0,2% первоначальной длины

.

2. Пластическое и хрупкое разрушения. Пластическое (вязкое) разрушение наступает после больших дефор­маций (до 25% первоначальной длины элемента). Это чрезвычайно важно для практики — задолго до разруше­ния сооружение получает настолько большие пластиче­ские деформации, что они становятся заметными на глаз, и есть время усилить слабое место.

Гораздо опаснее хрупкое разрушение — материал раз­рушается внезапно, без видимых деформаций. Хрупко-втью называется способность материала разрушаться, при ничтожных деформациях. Так разрушается стекло. Но, как показал опыт, в некоторых условиях даже очень пластичная сталь способна к хрупкому разрушению. В наблюдавшихся случаях хрупкого разрушения сталь­ных резервуаров, мостов и стропильных ферм трещины возникали мгновенно; разрушение сопровождалось зву­ком, подобным выстрелу, и, как правило, происходило при понижении температуры.

Хрупкому разрушению стали способствуют: а) низ­кая температура; б) наличие концентраторов напряже­ний и объемных напряжений; в) динамический эффект нагрузки; г) усталость; д) повышенная хрупкость неко­торых марок стали; е) наклеп и старение.

3. Концентраторы напряжений. Если материал под­вергается растяжению или сжатию по двум или по трем направлениям (рис. 4.2,6, в), говорят, что он находится в условиях сложного напряженного состояния.

Показателем, характеризующим хрупкость металла, является ударная вязкость — работа, затраченная на ма­ятниковом копре для разрушения специального стандарт­ного образца. Чем больше ударная вязкость, тем меньше хрупкость материала. Ударная вязкость уменьшается при понижении температуры, а также после наклепа и" старения.

4. Выносливость. Многие конструкции испытывают воздействие повторяющейся нагрузки (мосты, подкрано­вые балки, балки под моторы и вентиляторы и т.д.). Опыт показывает, что при длительном воздействии пов­торяющихся нагрузок конструкции иногда разрушаются даже при напряжениях, меньших, чем многократно воз­никавшие ранее напряжения. Разрушение всегда проис­ходит внезапно, без видимой деформации, т. е. носит хрупкий характер, хотя материал может обладать пре­красными пластическими свойствами и хорошей ударной вязкостью.

Если наибольшие напряжения цикла превосходят предел текучести (что может быть около концентраторов напряжений), то разрушение наступает быстро,

5. Наклеп и старение. Если образец стали растянуть выше предела его улругостн до напряжения а₀а затем разгрузить, то появятся остаточные де­формации Если через некоторое время этот образец снова загрузить, то работа его резко изменится: предел упругости возрастет удлинения при разрушении уменьшатся на величину предварительной вы­тяжки. Таким образом, мы как бы получим другой материал с новыми свойствами (меньшей пла­стичностью и большей упругостью). Повышение предела упругости с одновременным увеличением хрупкости в ре­зультате предшествующей пластической деформации на­зывается наклепом, или нагартовкой. На явлении накле­па основано получение упрочненных вытяжкой арма­турных сталей, применяемых в железобетонных конструкциях.

Старением называется изменение свойств материала с течением времени. При старении металлов перестраи­вается их структура, вследствие чего повышаются хруп­кость, предел текучести и временное сопротивление (та­ким образом, влияние старения на механические свойст­ва металлов во многом аналогично влиянию наклепа). Старению способствуют развитие пластических дефор­маций и температурные колебания. Там, где такие дефор­мации возникают (при правке металла, около концен­траторов напряжений), в результате старения значитель­но снижается сопротивление металла хрупкому разрушению. Искусственное старение заключается в пла­стическом деформировании и последующем небольшом нагреве, его используют иногда для упрочнения алюми­ниевых сплавов.