Явление старения сталей.

Под старением понимают изменение свойств низкоуглеродистой стали без заметного изменения ее микроструктуры. Старение снижа­ет пластичность листовой стали, немного повышает прочность, но снижает сопротивление хрупкому разрушению и порог хладно­ломкости.

Старению способствуют:

механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение);

температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов (физико-химическое старение).

Деформационное старение происходит в сталях, подвергавшихся холодной деформации (холодная гибка, правка и т.п.). Процесс развивается в течение 15... 16 суток при 20 °С и за несколько минут при 200...350 °С.

Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например, кипящая сталь.

Старение ма­лоуглеродистых мостовых и строительных сталей может стать при­чиной разрушения конструкций, особенно при низких температурах. Чтобы уменьшить склонность стали к старению, при выплавке при­меняют дегазацию и модифицирование алюминием, титаном и вана­дием, которые связывают азот и нитриды.

9.4.Коррозия и методы борьбы с ней

Коррозия– это разрушение поверхности металла вслед­ствие химического, электрохимического и биохимического воздейст­вий окружающей среды. Различают следующие виды коррозии: почвенная, структурная, электрокоррозия, контактная, щелевая, под напряже­нием, при трении, коррозионная кавитация, биокоррозия.

Строительные стальные конструкции подвержены главным обра­зом электрохимической, атмосферной коррозии, которая определя­ется электрохимическими процессами на поверхности стали в при­сутствии влаги.

Для определения долговечности строительных конструкций важно знать не только скорость протекания, но и характер коррози­онных разрушений. Коррозионное разрушение может иметь сплош­ной (общий) характер или сосредоточиваться на отдельных участках (местная коррозия). Сплошная коррозия распространяет­ся по всей поверхности металла либо с одинаковой (равномерной корро­зией) или неодинаковой (неравномерной коррозией) скоростью на раз­личных участках.

Местная коррозия может быть: пятнами, язвами, точечная, питтинговая - разрушение может быть весьма глубоким и даже перейти в сквозное; подповерхностная - разрушение начинается с поверхности, но в дальнейшем распространяется преимущественно под поверхностью металла; из­бирательная- разрушение отдельных структурных составляющих или одного из компонентов стали; межкристаллитная - разрушение происходит по границам зерен; внутрикристаллитная - разрушение распространяется в глубь металла по телу зерен. Общая сплошная коррозия приводит к ослаблению сечения элемента конструкции и повышению уровня напряжений. Местная коррозия помимо ослабления сечения вызывает концентрацию на­пряжений, что повышает вероятность хрупкого разрушения стали. Поэтому местные коррозионные повреждения представляют особую опасность, особенно для конструкций, эксплуатируемых при пони­женных температурах.

Кроме агрессивности эксплуатационной среды скорость корро­зии зависит от химического состава стали. По коррозионной стой­кости строительные стали можно разделить на три группы: 1) мар­ганцовистые стали и сталь 14ГСМФР; 2) все стали, кроме входящих в первую и третью группы; 3) медистые и атмосферостойкие стали.

Стали 09Г2, 14Г2 и 14ГСМФР, входящие в первую группу, имеют пониженную коррозионную стойкость, их не следует применять в сильно - и среднеагрессивных средах.

Стали 09Г2С, 10Г2С1, 15Г2СФ по коррозионной стойкости ана­логичны низкоуглеродистой стали.

Медистые стали (10ХСНД, 15ХСНД, 10ХНДП) имеют повышен­ную коррозионную стойкость и корродируют почти в 1,5 раза мед­леннее низкоуглеродистой стали. Атмосферостойкая сталь (10ХНДП) может быть применена без антикоррозионной защиты для открытых конструкций, расположенных в сухой климатической зоне.

При положительных температурах коррозионный износ практически не влияет на механические свойства стали. Снижение прочности корродирующих конструкций происходит за счет потери толщины сечений.

Более интенсивно снижаются прочностные характеристики строительных сталей из-за коррозии при отрицательных температурах. При - 60° С для стали 09Г2С снижение предела текучести достигает 15...20 %.

Местные коррозионные повреждения являются концентраторами напряжений и снижают ударную вяз­кость (рис. 2.2.3).

–––––эталонные образцы; ------- образцы после 12 месяцев коррозии

Рис. 2.2.3. Зависимость ударной вязкости от температуры

для сталей 09Г2 и Ст3сп5

Обеспечение долговечной эксплуатации стальных конструкций возможно только при надежной защите их от разрушающего воздействия агрессивных сред. Способы защиты конструкций от коррозии можно разделить на три группы: воздействия на металл, воздействия на среду, комбинированные.

Для строительных конструкций широкое распространение получили методы нанесения защитных покрытий. В настоящее время из всех видов покрытий наиболее распространенными, доступными и достаточно эффективными являются лакокрасочные. Для защиты строительных конструкций от коррозии рекомендуют более 70 различных марок лакокрасочных материалов.

Выбор состава покрытий является технико-экономической задачей, при решении которой учитываются стоимость защитного покрытия, его долговечность, трудоемкость нанесения и другие факторы. Долговечность защитного покрытия в условиях производственной среды устанавливают обычно из опыта эксплуатации покрытий в аналогичных средах или экспериментальным путем.

Защитные свойства покрытия определяются тремя факторами: механическими и химическими свойствами пленки покрытия, сцеплением пленки с защищаемой поверхностью и коррозионной стойкостью конструкционного материала. Покрытие должно состоять из шпатлевки, грунтовки и покрывных слоев. Грунтовка предназначена для обеспечения прочного сцепления (адгезии) лакокрасочной пленки с поверхностью металла. Адгезия зависит от качества подготовки поверхности элементов под окраску.

По типу пленкообразователя лакокрасочные покрытия подразделяют на:

1. Лаки и краски на основе битумов, лаков и смол (БТ), например краска БТ-177, битумно-масляный лак БТ-783. Применяются для закрытых конструкций в слабоагрессивных средах при повышенной влажности.

2. Перхлорвиниловые лаки и эмали (ХВ), например эмали ХВ -1100, ХВ-124, грунтовка ХВ-050, лак ХС-724. Рекомендуются для средне- и сильноагрессивных сред при повышенных требованиях к водостойкости, а также стойкости против растворов кислот, щелочей.

3. Эпоксидные эмали (ЭП), например эмали ЭП-733 и ЭП-575, грунтовка ЭП-0200, шпатлевка ЭП-ЭП10 и др. Применяются для слабо- и среднеагрессивных сред.

4. Кремнийорганические эмали (КО), например эмаль КО-811 (наносится без грунтовки), краска КО-042 и др. Рекомендуются для от­крытых конструкций, эксплуатируемых в среднеагрессивной среде.

5. Масляные краски (МА), например, масляная черная МА-011, белила цинковые МА-012, железный сурик на олифе-оксоль. Могут быть применены для защиты конструкций в закрытых помещениях при слабоагрессивных средах. Не рекомендуются для производственных сельскохозяйственных зданий.

6. Глифталевые покрытия (ГФ). Грунтовки ГФ-021, ГФ-017 и другие применимы почти для всех видов покрытий. Грунтовка ГФ-017 рекомендуется для конструкций, монтируемых или эксплуати­руемых при расчетной температуре -40 ⁰С.

9.5. Работа стали под нагрузкой:

Работа стали при одноосном растяжении

Работу стали при одноосном напряжении рассмотрим на примере испытания образца на растяжение (рис. 2.3.1).

В первой стадии до предела пропорциональности s_р связь между напряжениями и деформациями подчиняется закону Гука - это стадия упругой работы. Деформации происходят за счет упруго-возвратных искажений кристаллической решетки и исчезают после снятия нагрузки.

При дальнейшем увеличении нагрузки появляются отдельные сдвиги в зернах феррита, дислокации начинают скапливаться около границ зерен: пропорциональность между напряжениями и дефор­мациями нарушается (участок упругопластической работы между s_р и s_y. В упругой стадии модуль деформации Е имеет постоянное значение (для стали Е =2,06 • 10⁴ кН/см²). В упругопластической ста­дии модуль деформации переменный. Последующее увеличение на­пряжений приводит к интенсивному движению дислокации и увели­чению их плотности, развитию линий сдвига в зернах феррита; де­формации растут при постоянной нагрузке. На диаграмме появляется площадка текучести.

1- сталь обычной прочности; 2 - сталь повышенной прочности; 3 - сталь высокой прочности

Рис. 2.3.1 - Диаграмма растяжения стали

Протяженность площадки текучести низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей состав­ляет 1,5...2,5 %.

Деформации идут в результате упругого дефор­мирования и пластических необратимых сдвигов. При снятии на­грузки упругая часть деформации исчезает (линия разгрузки идет параллельно упругой части линии нагрузки), а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям. Дальнейшее развитие дефор­мации сдерживается у границ зерен. Линии сдвига искривляются, движение дислокации затрудняется, и рост деформаций возможен только при увеличении нагрузки (стадия самоупрочнения). В этой стадии материал работает как упругопластический.

При напряжениях, близких к временному сопротивлению (s_u), продольные и поперечные деформации локализуются в наиболее слабом месте и в образце образуется шейка. Площадь сечения в шейке интенсивно уменьшается, что приводит к повышению на­пряжений в месте сужения, поэтому, несмотря на снижение нагрузки на образец, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного сцепления и происходит разрыв.

На диаграмме (рис. 2.3.1) напряжения получены путем деления нагрузки на первоначальную площадь сечения. Истинная диаграмма растяжения (при напряжениях с учетом уменьшения площади сече­ния) не имеет нисходящей части.

Площадка текучести свойственна сталям с содержанием углерода 0,1...0,3 %. При меньшем содержании углерода перлитовых включе­ний мало и они не могут оказать сдерживающего влияния на разви­тие сдвигов в зернах феррита.

Высокопрочные стали не имеют площадки теку­чести (рис. 2.3.1). Условный предел текучести для таких сталей устанавливают по остаточному удлинению, равному 0,2 %.

Важными показателями сталей являются также отношения предела текучести к временному сопротивлению и предела пропорциональ­ности к пределу текучести.

Отношение s_y/s_u характеризует резерв прочности стали, по­скольку рабочие напряжения в элементах металлических конструк­ций обычно не превышают предела текучести. В сталях обычной и повышенной прочности это отношение близко к 0,6, что свидетель­ствует о достаточно большом запасе работы материала и позволяет использовать в широких пределах пластические свойства стали. Для высокопрочных сталей предел текучести близок к временному со­противлению s_o2/s_u = 0,8...0,9, что ограничивает использование ра­боты материала в упругопластической стадии.

Отношение (s_p/s_u) характеризует сопротивление малым пластиче­ским деформациям. Если на общих перемещениях конструкций по­ниженное значение предела пропорциональности сказывается слабо, то на устойчивость сжатых элементов этот показатель оказывает большое влияние. У большинства сталей s_p/s_uсоставляет 0,8...0,85. Однако для термообработанных сталей при низкой температуре от­пуска (ниже 600°С) сопротивление малым пластическим деформаци­ям падает и s_p/s_uможет понизиться до 0,5. Это следует учитывать при проверке устойчивости конструкций из таких сталей.

Диаграммы работы разных сталей при растяжении существенно различаются (рис. 2.3.2, а) по значениям параметров. Если же по­строить эти диаграммы в относительных координатах s/s_o2 и e/e_o2 , где s_o2 и e_o2 - соответственно предел текучести и относительные де­формации в начале площадки текучести, то различия будут доста­точно малы (рис. 2.3.2, б), что позволяет использовать такую диа­грамму как унифицированную.

Рис. 2.3.2 - Унификация диаграмм работы стали

В целях упрощения расчетных предпосылок при работе конст­рукций в упругопластической области диаграмму работы стали без большой погрешности с некоторым запасом можно заменить идеа­лизированной диаграммой упругопластического тела. При описании работы сталей с выраженной площадкой текучести используют диа­грамму Прандтля (рис. 2.3.3, а), рассматривая материал совершенно упругим до предела текучести и совершенно пластичным после него. При отсутствии площадки текучести можно использовать диаграмму с линейным упрочнением (рис. 2.3.3, б). В этом случае до предела текучести сталь работает с начальным модулем упругости Е = tg a, а при напряжениях s > s_y- с модулем Е₁ = tg j.

а - Прандтля; б - с линейным упрочнением; в - криволинейная

Рис. 2.3.3 - Идеализированные диаграммы работы стали

При сжатии (имеется в виду сжатие коротких образцов, которые не могут потерять устойчивость) сталь ведет себя так же, как и при растяжении, т.е. предел пропорциональности, предел текучести и модуль упругости совпадают. Однако разрушить при сжатии корот­кие образцы, изготовленные из пластичной стали, и определить временное сопротивление лабораторным путем невозможно, по­скольку образец сжимается и в результате расплющивается. Повы­шенная несущая способность при сжатии коротких образцов в об­ласти самоупрочнения учитывают при работе стали на смятие.

9.6.Работа стали при сложном напряженном состоянии

Сложное напряженное состояние ха­рактеризуется наличием двух или трех главных нормальных напряжений s₁, s₂ и s₃, действующих одновременно (рис. 2.3.4). Если при одноосном напряженном со­стоянии (s₁ ¹ 0; s_{2 =} s₃ = 0) пластические деформации развиваются при напряжени­ях, равных пределу текучести, то при сложном напряженном состоянии переход в пластическое состояние зависит от знака и соотношения действующих напряжений.

При однозначном поле напряжений, когда все напряжения либо растягиваю­щие, либо сжимающие, напряжения s₂ иs₃ сдерживают развитие деформаций в направлении напряжения s₁. В этом случае развитие пластических деформаций запаздывает, предел текучести повышает­ся, а протяженность площадки текучести уменьшается, возникает опасность хрупкого разрушения.

Рис. 2.3.4 - Сложное напряженное состояние

При разнозначных напряжениях (сжатие в одном и растяжение в другом направлении) наблюдается обратная картина. Пластические деформации начинаются раньше, чем главные напряжения достигли предела текучести одноосного нагружения. Сталь становится как бы более пластичной.

То же самое при двухосном напряженном состоянии (рис. 2.3.5).

1 – σ₁σ₂ < 0; 2 - σ₁σ₂ > 0; 3 - σ₂ = 0

Рис. 2.3.5 - Работа стали при плоском напря­женном состоянии

Явление текучести мож­но представить как процесс изменения формы тела без изменения его объема. Удельная энергия измене­ния формы при сложном напряженном состоянии бу­дет равна соответствующей энергии одноосного напря­женного состояния, для ко­торого напряжение перехода стали в пластическую ста­дию известно и равно пре­делу текучести σ_у. Следова­тельно, условие перехода стали в пластическую стадию при сложном напряженном состоянии:

.

Левую часть этого выражения называют приведенным напряжением. Приведенное напряжение при плоском напряженном состоянии равно:

.

9.7. Концентрация напряжений

В местах искаже­ния сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений и т. п.) про­исходит искривление линий силового потока и их сгущение около пре­пятствий (рис. 2.3.6), что приводит к повышению напряжений в этих местах.

Рис.2.3.6. Траектория и концентрация напряжений у мест резкого изменения формы эле­мента

а — около отверстий; б — около трещины; в — в сварном соединении лобовыми швами

Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруглых выточек имеет значение 2-3. В местах острых надрезов оно выше и тем больше, чем меньше радиус кривизны надреза и чем гуще собирается в этих местах силовой поток; коэффициент концентрации в этом случае достигает значения 6-9.

Развитие пластических деформаций и разрушение при равномерном распределении напряжений происходят под воздействием касательных напряжений, наибольшее значение которых возникает на плоскостях, наклонных под углом 45° к действующей силе (зона 1). При резком перепаде напряжений (зона 2) общие сдвиговые деформации происхо­дить не могут (из-за задержки соседними, менее напряженными участ­ками), поэтому в этих областях металл разрушается путем отрыва по плоскостям, нормальным к действующей силе.

При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений существенного влияния на несущую способность не оказы­вает (не учитывая некоторого повышения разрушающей нагрузки). Поэтому при расчетах элементов металлических конструкций при тако­го вида воздействиях их влияние на прочность не учитывается.

При понижении температуры прочность на разрыв гладких образ­цов повышается во всем диапазоне отрицательных температур; проч­ность же образцов с надрезом повышается до некоторой отрицательной температуры, а затем понижается.

При длительном воздействии нагрузки сопротивление разрушению понижается.

Испытаниями установлено, что конструкции из низколегированных, особенно термоупрочненных сталей сопротивляются разрушению луч­ше, чем малоуглеродистые стали.