№1

Классификация сталей. Химический состав стали и его влияние на свойства стали.

Сталь– это сплав углерода, железа и примесей.

Fe – 96-98%, C – 0.09-0.6%.

Структура стали состоит из 3-х фаз: феррит (больше всего), цементит и перлит.

Феррит – пластичен, но малопрочен.

Цементит – тверд и хрупок.

Перлит – обладает промежуточными св-сами.

Прочность феррита повышают: 1) добавлением углерода, 2) легированием (введением различных хим. эл-ов), 3) легированием и термическим упрочнением.

Классификация сталей:

1. по прочности: 1) стали обычной прочности (малоуглеродистые стали), предел текучести σ_у<290 МПа, 2) стали повышенной прочности (низколегированные), 290≤ σ_у <400 МПа, 3) сталь высокой прочности (низколегированные и термообработанные), σ_у≥400 МПа.

2. по хим. составу в зависимости от %-ого содержания легирующих эл-ов: 1) углеродистые стали, легирующие элементы ≤0.3%; 2) низколегированные, 0.3%<ЛЭ<5%; 3) среднелегированные стали 5%<ЛЭ<10%; 4) высоколегированные, ЛЭ>10%.

Углеродистые стали в зав-ти от %-ого содержания углерода делят на три группы:

1) малоуглеродистые, С=0.09…0.22%; 2) средне углеродистые, С=0.23…0.6%; 3) высокоуглеродистые, С>0.6 %.

Хим. эл-ты, применяемые при легировании: 1. углерод С=0.09…0.22%, повышает прочность, но снижает пластичность и ухудшает свариваемость; 2. Кремний Si=0.07…0.3%, повышает прочность, но снижает пластичность и ухудшает свариваемость и стойкость против коррозии; 3. Марганец Mn=0.3…0.65%, повышает прочность и вязкость стали и нейтрализует вредное влияние суры; 4. алюминий Al=0.2%, повышает вязкость и пластичность, нейтрализует вредное влияние фосфора; 5. медь Cu=0.2…0.4%, повышает прочность и коррозионную стойкость.

Другие хим. эл-ты: молибден, бор, никель, титан, хром, ванадий и др.

Хим. эл-ты, ухудшающие качество стали:

1. сера S≤0.05%, снижает прочность, пластичность и делает сталь красноломкой, т.е. склонной к образованию трещин при t=800…1000⁰С; 2. фосфор Р≤0.04%, придает хрупкость и хладоломкость, т.е. св-во разрушаться при низких температурах; 3. кислород О≤0.05%, действует как сера, но в большей степени; Азот N≤0.09% действует как фосфор.

№2

Марки углеродистых и низколегированных сталей, их свойства и области применения.

Маркировка малоуглеродистых сталей.

Маркировка включает в себя следующие обозначения: Вначале “В” – гарантия поставки стали по мех. св-вам и хим. составу (А – мех. св-ва, Б – хим. состав).

Ст.3 – марка стали (3 – показывает содержание углерода (0.09-0.22%)).

Буквенный индекс после марки показывает способ раскисления стали (КП, ПС, СП).

Цифра в конце показывает категорию нормируемых показателей (категорию по ударной вязкости).

Категория	Испытания на ударную вязкость
	t=+200C	t=-200C	После механического старения
1	-	-	- (не проводят)
2	-	-	-
3	+	-	-
4	-	+	-
5	-	+	+
6	-	-	+

В строительстве в основном используются стали марок: ВСт3кп2, ВСт3пс6, ВСт3сп5 и ВСт3Гпс5 (повышенное содержание марганца).

Малоуглеродистые стали: пластичны, хорошо свариваются, имеют не высокую стоимость, среднюю коррозионную стойкость.

Маркировка низколегированных сталей.

НЛ стали получают введением следующих хим. элементов: 1. марганец - Г, 2. кремний – С,

3. хром – Х, 4. никель – Н, 5. алюминий – Ю,

6. молибден – М, 7. ванадий – Ф, 8. Азот – А.

Цифра в начале маркировки обозначает содержание углерода в сотых долях %-та, легирующие элементы обозначаются буквами, кол-во ЛЭ в процентах обозначается цифрой после буквы. Если ЛЭ=0.3…1%, то цифра после буквы не ставится. Если ЛЭ< 0.3%, то он в маркировки не обозначается.

Пример:

09Г2 - С=0.09%, Mn=2; 14Г2АФ - С=0.14%, Mn=2%, N=0.3-1%, ванадий =0.3-1%.

НЛ стали обладают повышенной прочностью, хорошо сопротивляются динамическим нагрузкам, хорошо работают при низких температурах, в некоторых случаях имеют повышенную коррозионную стойкость, но менее пластичны, хуже свариваются, дороже, более трудоемкие при обработке.

Ударную вязкость проверяют при температуре: +20, -20, -40, -70⁰C.

Современная маркировка

С255 – С- сталь строительная, 255- предел текучести МПа.

С345Т – термообработанная сталь

С345Д – с повышенным содержанием меди

№3

Термообработка стали как способ повышения ее механических характеристик. Способы раскисления стали.

Термообработка направлена на повышение прочности и пластичности стали за счет улучшения структуры стали при том же химическом составе.

Виды ТО:

1. Нормализация. Заключается в повторном нагреве проката до t=910⁰C. Затем медленно охлаждают на воздухе.

2. Отжиг. То же самое, но охлаждение в печи.

3. Термическое улучшение. Закалка+отпуск. Закалка – нагрев стали до t=890-950⁰C. Затем резкое охлаждение в воде или водяным душем. После закалки сталь имеет высокую прочность, но низкую пластичность и склонность к хрупкому разрушению. Поэтому после закалки проводят отпуск.

Отпуск – нагрев стали до t=550-700⁰C. выдерживают при данной температуре. Затем медленно охлаждают.

Недостаток ТО: при наложении сварных швов в результате повторного неравномерного нагрева и охлаждения сталь теряет свои св-ва, т.е. происходит разупрочнение. Снижение св-в на 5-30%. Эффект разупрочнения можно снизить введением ванадия или молибдена.

Раскисление стали

При выплавки стали из чугуна в мартеновских печах или кислородно-конвекторным способом, происходит выделение газообразных продуктов (СО и СО₂), которые вызывают кипение стали. Это приводит к резкой неоднородности слитка по содержанию углерода, серы, фосфора, кислорода и азота. Для уменьшения кипения стали вводят раскислители: алюминий, марганец, кремний.

По степени раскисления в зависимости от %-ного содержания раскисляющих элементов стали делят на: 1) кипящие стали (кп) РЭ≤0.05%, 2) полуспокойные стали (пс) РЭ=0.05…0.15%, 3) спокойные стали (сп) РЭ=0.15…0.3%.

№4

Работа стали при одноосном напряженном состоянии. Механические характеристики стали. Нормативные и расчетные сопротивления стали.

Основные механические св-ва стали определяют путем испытаний стандартных образцов на одноосное растяжение, с одновременной записью диаграммы зависимости между напряжениями и деформациями (σ-ε).

РИС1

l₀=5d – 5-ти кратные или короткие

l₀=10d – 10-ти кратные или длинные

Плоские образцы

РИС2

1- сталь обычной прочности, 2- сталь повышенной прочности, 3- сталь высокой прочности.

Механические характеристики

1) σ_С – предел упругости – это max напряжение до которого стальной образец работает упруго. После снятия нагрузки образец принимает первоначальные размеры.

2) σ_у – предел текучести – это напряжение соответствующее площадки текучести. После снятия нагрузки упругая часть деформаций возвращается, а пластические деформации остаются.

Для сталей повышенной и высокой прочности, не имеющих ярко выраженной площадки текучести определяют условный предел текучести – σ_0.2. σ_0.2 – напряжение при котором остаточные деформации =0.2%.

3) σ_u – временное сопротивление – напряжение соответствующее предельной нагрузке, воспринимаемой образцом.

Пластичные св-ва

1) ε =Δl/l₀ ,% -относительное удлинение

2) относительное сужение Ψ=(A₀-A_k)/A₀,%

Нормативные и расчетные сопротивления стали.

Нормативные сопротивления стали получают путем статической обработки результатов испытаний партии образцов.

R_yn – нормативное сопротивление по пределу текучести. (R_yn =σ_y – для одного образца)

R_un – нормативное временное сопротивление. (R_un =σ_u – для одного образца)

Расчетное сопротивление получают делением нормативных сопротивлений на коэффициент γ_m – коэффициент надежности по материалу. Он учитывает выборочный характер контроля и возможность попадания в конструкции металла с пониженными св-вами.

Расчетное сопротивление по пределу текучести: R_y=R_yn/ γ_m

Расчетное сопротивление по временному сопротивлению: R_u=R_un/ γ_m

№5

Работа стали при неравномерном распределении напряжений. Концентрация напряжений. Работа стали при сложном напряженном состоянии.

Сложное напряженное состояние

1. Одноосное растяжение

РИС3

2. Двухосное напряженное состояние с разнозначными напряжениями.

РИС4

Сталь становится более пластичной.

Если |σ₁|=| σ₂| - чистый сдвиг.

3. двухосное напряженное состояние с однозначными напряжениями.

РИС5

Сталь становится менее

пластичной и склонной

к хрупкому разрушению.

4. трехосное напряженное состояние

РИС6

Сталь становится хрупкой

в большей степени

Неравномерное распределение напряжений. Концентрация напряжений.

1. гладкий образец

РИС7

траектория напряжений

2. образец с круглым отверстием

РИС8

3. образец с острым отверстием

РИС9

При растяжении гладкого образца напряжения по сечению распределяются равномерно.

В местах искажения сечения (отверстия, выточки, надрезы, утолщения, трещины и т.п.) происходит искривление линий силового потока и их сгущение около препятствий, что вызывает повышение напряжений в этих местах. Неравномерность распределения напряжений оценивают коэффициентом концентраций.

K=σ_max/σ_n, σ_max – max напряжение в месте концентрации, σ_n – номинальное, равномерно распределенное напряжение по ослабленному сечению. σ_n =N/A_n.

РИС10

1- гладкий образец, 2- образец с круглым отверстием, сталь становится менее пластичной и более хрупкой, 3- образец с трещиной сталь становится склонна к хрупкому разрушению в большей степени.

№6

Работа стали при пониженных температурах. Ударная вязкость как критерий хрупкого разрушения стали.

При отрицательных температурах сталь становится более хрупкой. Склонность металла к хрупкому разрушению оценивают по результатам испытаний на ударную вязкость. Ударную вязкость измеряют удельной работой, затраченной на разрушение надрезанного образца на маятниковом копре. Обозначают КС. КС=F/A₀, Дж/см². Для ужесточения условий испытания принимают следующие образцы:

1. образцы Менаже с U-образным надрезом.

РИС11

для конструкций эксплуатируемых при положительных температурах и статических нагрузках.

КСU=

2. образцы Шарпи с V-образным надрезом.

РИС12

КСV=

3. образцы Дроздовского – образцы с трещиной

РИС13

КСТ=

Образцы 2 и 3 применяют для определения ударной вязкости конструкций, работающих при отрицательных температурах, динамических нагрузках и в ответственных конструкциях.

Испытания проводят при температуре: +20, -20, -40, -70 ⁰С.

Цель испытаний на ударную вязкость – это определение температурного интервала при котором метал переходит из вязкого состояния в хрупкое. Температура при которой ударная вязкость снижается ниже установленного значения называется порогом хладоломкости или критической температурой перехода метала из вязкого состояния в хрупкое. Обозначают T_cr.

РИС14

№7

Работа стали при повторных нагрузках. Явление наклепа.

I. Повторная нагрузка в упругой стадии работы материала не влияет на свойства стали, т.к. упругие деформации обратимы.

РИС15

II. Повторная нагрузка в упруго-пластической стадии с перерывом при разгрузке (после отдыха) приводит к наклепу.

РИС16

Наклеп – повышение упругих св-в материала в рез-те предшествующих пластических деформаций. При наклепе сталь становится менее пластичной и склонной к хрупкому разрушению. Для стали это явление отрицательно.

III. Повторная нагрузка в упруго-пластической стадии без перерыва при разгрузки.

РИС17

1- петля Гистерезиса. Ее площадь показывает сколько энергии ушло на образование новых несовершенств в структуре металла.

IV. Многократное повторное нагружение

РИС18

При многократном повторном нагружении возникает явление усталости металла. Способность металла сопротивляется усталостному разрушению называется выносливостью. А напряжение при котором происходит разрушение называется вибрационной прочностью и обозначают σ_bs. Она ниже чем временное сопротивление, а иногда меньше предела текучести. σ_bs зависит от числа циклов загружения.

РИС19

σ_V – предел выносливости.

При большом числе циклов загружения σ_bs стремится к некоторому пределу, который называется предел выносливости или предел усталости.

Вибрационная прочность снижается при наличии концентраторов напряжения. Можно применять зачистку швов, плавное изменение сечений, механическую обработку кромок и др.

№8

Основы методики расчета конструкций по предельным состояниям. Предельные состояния первой и второй группы.

Метод расчета по предельным состояниям.

Предельными называются такие состояния при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям производства работ.

В расчетах рассматривают две группы предельных состояний.

Первая группа включает предельные состояния ведущие к потере несущей способности или к полной непригодности к эксплуатации.

Вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность конструкции.

Предельные состояния второй группы можно устранить в процессе текущего ремонта.

Предельные состояния первой группы

(Разрушения любого характера, потеря общей устойчивости, возникновение трещин, превращение системы в изменяемую, чрезмерное развитие пластических деформаций).

Чтобы предельное состояние не наступало должно выполняться: N≤Ф, N – усилие возникающее в элементе (max за весь период эксплуатации), Ф – предельное усилие воспринимаемое элементом ( минимальная несущая способность).

N- яв-ся функцией нагрузок и воздействий.

N=ΣN_i·F_iⁿ·γ_fi·Ψ

N_i – усилие от единичной нагрузки (от F_i=1)

F_iⁿ – нормативная нагрузка отвечающая условиям нормальной эксплуатации

γ_fi – коэф. надежности по нагрузки, учитывает неблагоприятное отклонение нагрузок в большую сторону

Умножением нормативной нагрузки на коэффициент получаем расчетную нагрузку.

N=ΣN_i·F_i·Ψ

Ψ – коэффициент сочетаний, учитывает вероятность совместного действия нагрузок.

Ф- является функцией св-в материала и размеров сечения.

При расчете по пределу текучести

Ф=(R_yn·A·γ_C)/(γ_m·γ_n)

По временному сопротивлению

Ф=(R_un·A·γ_C)/(γ_m·γ_n·γ_u)

А- геометрическая характеристика сечения

γ_C- коф. условий работы

γ_m- коэф. надежности по назначению учитывает степень ответственности ЗиС

γ_n- коэф. надежности по материалу

Расчетное сопротивление по пределу текучести R_y=R_yn/γ_m, по временному сопр-лению R_u=R_un/γ_m

γ_u=1.3 – коэф. Надежности по временному сопротивлению, учитывающий повышенную опасность расчета по временному сопротивлению.

Предельное состояние второй группы

Появление предельных перемещений, затрудняющих нормальную эксплуатацию (прогибы, просадки, углы поворота, колебания, трещина и др. Расчет ведут на нормативные нагрузки без учета коэффициента γ_f.

Основной расчет:

f≤[f]/γ_n, f- перемещения возникающие в элементе f=Σf_i·F_iⁿ·Ψ

f_i – перемещение от единичной нагрузки (F_i=1)

[f] – предельное перемещение допускаемое нормами.

№9

Сварные соединения: виды сварки, марки сварочных проволок, типы и марки электродов.

Достоинства: 1) высокая прочность и плотность наплавляемого метала. 2) водо- и газонепроницаемость. 3) более экономичны и менее трудоемки по сравнению с болтовыми соединениями.

Недостатки: 1) наличие остаточных сварных напряжений. 2) пониженная пластичность и вязкость в месте сварного шва. 3) наличие концентраторов напряжений (дефекты сварных швов).

Дефекты: 1) газовые поры, 2) шлаковые включения, 3) горячие трещины (возникают при t>800), 4) холодные трещины (при t=100).

Виды сварки

1. Ручная электродуговая сварка.

+: выполняются в любом пространственном положении, применяются в труднодоступных местах.

-: не высокое качество шва, небольшая глубина проплавления.

2. Автоматическая и полуавтоматическая электродуговая сварка. Ведется сварочной проволокой под слоем флюса.

+: высокое качество шва, большая глубина проплавления, менее трудоемки.

-: затрудненность выполнения швов в вертикальном и потолочном направлении.

3. Электрошлаковая сварка. Применяется для вертикальных стыков швов и элементов с толщиной ≥20 мм.

4. Сварка в среде углекислого газа. Ведется сварочной проволокой в любом пространственном положении, +:высокое качество.