Ответы на экзаменационные вопросы № 1-31 дисциплины "Металлические конструкции" (Классификация сталей. Работа стали при растяжении. Основные механические характеристики стали. Усиление кирпичных стен)

1. Классификация сталей. Работа стали при растяжении. Основные механические характеристики стали.

Классификация строительных сталей

По прочности – 3 группы

·  Обычной прочности   σ_у ≤290 МПа

·  Повышенной прочности  290 – 400 МПа

·  Высокой прочности    σ_у>400 МПа

Повышение прочности достигается легированием и термической обработкой.

По химическому составу: углеродистые, легированные.

Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Другие добавки (Сu, Сr) специально не вводя, но они могут попасть в сталь из руды.

Углерод повышает прочность, но снижает пластичность, ухудшает свариваемость, поэтому для МСК применяют стали с содержанием С<0,22 %

В состав легированных сталей кроме железа и углерода входят специальные добавки улучшающие свариваемость, сталь дороже. В МСК применяют низколегированные стали с содержанием добавок < 5 %. Каждая добавка обозначается буквой: С – кремний, М – молибден, Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, А – азот, Ю – алюминий, Р – бор, Х – хром.

В обозначении марки стали первые две цифры – содержание С в 1/100 %. Затем перечисляются добавки и их содержание с округлением до целых % (1 не ставится).

Кремний раскисляет сталь, повышает прочность, но снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Марганец – повышает прочность, но при содержании > 2% сталь становится хрупкой.

Медь – повышает прочность, увеличивает коррозионную стойкость.

Хром, никель – повышают прочность без снижения пластичности, повышают коррозионную стойкость.

Алюминий – нейтрален.

Вредное влияние фосфора – повышает удельную вязкость.

Газы, попадающие в расплавленные стали: О – повышает хрупкость, Н – снижает сопротивление хрупкому разрушению.

По виду поставки горячекатаные, термообработанные.

По степени раскисления кипячие (КП) (кипят при разливке – вследствие выделения газов). Головная часть отрезается т. к. поглощена газами. Эта сталь низколегированная применяется в неответственных сооружениях.

Полуспокойная (ПС) – промежуточная стадия, 8% отрезается

Спокойная (СП) – не кипит при разливе, однородна, лучше сваривается, дороже на 12% чем КП.

Работа стали при растяжении.

На работу стали оказывает влияние строение (кристаллическая решетка). Сталь состоит из поликристаллов, которые в свою очередь состоят из монокристаллов (монокристалл – объемно-центрированный куб).

Рис    Разорвать монокристалл значительно труднее чем сдвинуть, сдвиг происходит по диагоналям куба. Теоретическая прочность значительно больше реальной, что объясняется явлением дислокации (линейные структурные дефекты, характеризующиеся нарушением правильности кристаллической решетки).

Рис.   а – область упругой работы (по закону Гука)             , Е= const, б – область пластической деформации с – самоупрочнение

Для расчета МК применяют идеализированную диаграмму Прандтля

Рис.

Характер диаграммы растяжения стали зависит от скорости нагружения. Стандартная скорость загружения – 300 кг/с. Если стержень растянуть на величину ∆l и закрепить, то со временем произойдет падение, которое называется релаксацией.

Рис

Механические свойства стали

·  Прочность – сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения

·  Упругость – свойство сохранять металлическую способность в процессе деформации

·  Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки.

·  Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформациям или разрушению при внедрении в него более твердого металла.

Рис

σ_у – предел текучести – напряжение, которое соответствует относительному удлинению 0,2% после разгрузки. Для сталей не имеющих площадку текучести величина σ_у принимается при ε=0,2%

σ_u – временное сопротивление – предельная разрушающая нагрузка относительно к первоначальной площади поперечного сечения.

Упругие свойства характеризуются модулем упругости Е=tgα

Ударная вязкость – характеризуется работой, затраченной на разрушение стального образца, измеряется в Дж/см² при температуре +20, -20, -40, -60 °С.

2. Расчет растянутых и изгибаемых элементов МСК в упругой и упругопластической стадии.

Центрально растянутые элементы

Рис                    Форма поперечного сечения имеет значение

А_n – площадь поперечного сечения нетто с учетом ослабления

R_y – расчетное сопротивление стали на растяжение, сжатие, изгиб, определяется по пределу текучести

γ_с – коэффициент условий работы

Расчет на прочность растянутых элементов с отношением R_y/ γ_u > R_y эксплуатация которых дополняется после достаточного предела текучести выполняется по формуле ; γ_u=1,3 – коэффициент для конструкций.

Расчет изгибаемых элементов в упругой стадии

Рис                                           

R_s = 0,58 R_y

Если на балке имеется местная нагрузка, то при проверке прочности она должна обязательно учитываться. Если нет дополнительных элементов, которые бы воспринимали эту нагрузку.