2.5.Основні фізико-механічні властивості будівельних сталей

Основні механічні властивості сталей наступні:

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 α = 0,000012 град.^-1;

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

густина  = 7850 кг/м³.

2.6. Робота сталі на розтяг. Діаграма розтягу сталі

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 (рис.2.1). По осі ординат відкладають значення напружень , по осі абсцис – відносне подовження  :

, (1)

де N – навантаження; А – площа поперечного перерізу зразка до навантаження; l₀ – довжина зразка до випробування; l – приріст довжини зразка під дією напружень .

Рис. 2.1. 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 . (2)

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.

Не всі пластичні матеріали мають чітко 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.2.2).

Рис. 2.2. 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.2.3.).

Рис. 2.3. 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).

Стальні конструкції можуть руйнуватися в’язко або крихко.

Під в’язким (пластичним) руйнуванням конструкцій розуміють повільне руйнування внаслідок розвитку значних пластичних деформацій в матеріалі при досягненні ним межі текучості. При цьому не порушується суцільність перерізу елементів, тобто не відбувається механічних пошкоджень матеріалу (матеріал не розривається). Але наявність значних пластичних деформацій (прогинів, кутів повертання) робить подальшу експлуатацію конструкцій неможливою, і такий стан конструкції вважається руйнуванням. Таке руйнування характерне при роботі сталі на розтяг. Зображена вище діаграма роботи сталі на розтяг є діаграмою в’язкого руйнування, при якому сталь досягає межі текучості.

Під крихким руйнуванням розуміють раптове руйнування, яке відбувається при малих деформаціях в межах пружної роботи матеріалу, що дуже небезпечно. При цьому можуть виникати механічні пошкодження матеріалу (розрив матеріалу).

Діаграма крихкого руйнування показана на рис.2.4, при цьому сталь руйнується, не досягаючи межі текучості.

Рис. 2.4. Діаграма крихкого руйнування

За показник, який характеризує схильність сталі до крихкого руйнування, приймають значення ударної в’язкості, тобто здатність чинити опір удару.