Строительные материалы и изделия

Свойства углеродистой стали. Методы испытаний

Углеродистая сталь имеет следующие значения свойств: плот­ность — 7 850 кг/м3; предел прочности при растяжении — 300...700 МПа; относительное остаточное удлинение после раз­рыва — 12...40%; модуль упругости — 2,1 • 105 МПа; коэффици­ент внутренней теплопроводности — 50...70 Вт/(м ■ К).

Влияние углерода. С увеличением содержания углерода воз­растает твердость стали, а ее пластичность и ударная вязкость снижаются. Прочность с повышением содержания углерода сна­чала растет до максимального значения (при содержании угле­рода в стали 0,8... 1,0 %), а затем снижается. С увеличением со­держания углерода ухудшаются свариваемость, а также способ­ность стали деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях.

Влияние примесей. Марганец и кремний полезны — они повы­шают прочность стали. Сера снижает пластичность и вязкость ста­ли, а также придает стали красноломкость (хрупкость при горя­чем деформировании). Фосфор в количестве до 1,2 % увеличивает прочность, но снижает пластичность, а также способствует ох­рупчиванию стали, повышая температурный порог хладноломко­сти.

Прочность и пластичность стали. Прочность и пластичность стали определяют испытанием на растяжение образцов цилинд­рической формы, получаемых токарной обработкой, или плоских образцов, вырезаемых из листового проката (рис. 6.1). Головки образцов при испытании вставляют в захваты разрывной машины. Используют также натуральные образцы — стержни определен­ной длины, отрезаемые от сравнительно тонких длинномерных профилей (например, образцы арматуры для бетона). Они не име­ют головок и требуют применения зажимающих захватов.

Зависимость растягивающих напряжений от относительного удлинения образца для мягкой стали имеет вид, показанный на рис. 6.2. На кривой растяжения имеются характерные точки (А, В, С, D), которым соответствуют четыре прочностные характеристики: предел пропорциональности (опц), предел упругости (ау), предел текучести (о.,) и предел прочности (апч). Диаграмма растяжения дает также характеристику пластичности стали — относительное остаточное удлинение после разрыва: 5 = (/к - /0)//0, где /к — длина расчетной части после разрыва; /0 — расчетная длина до испыта­ния.

Величина 6 — единственная из всех характеристик, зависящая от расчетной длины, что обусловлено неравномерным удлинени - ( П I I И II I П I И I ( 1 П I п ( TQ

1

ем образца (рис. 6.1, в). Для определения 6 по длине образца нано­сят риски, например через каждые 5 мм. После испытания каждое деление увеличит свою длину на А/,. При нагружении образца до точки D на диаграмме растяжения (см. рис. 6.2) все деления получа­ют в основном одинаковые остаточные удлинения А/, и график их распределения представляет собой горизонтальную прямую линию bed (см. рис. 6.1, в). Снижение А/, по концам рабочей части образца (участки ab и df) является результатом влияния головок. При даль­нейшем растяжении промежутки, близкие к разрыву, получают дополнительное удлинение за счет образования местного сужения (шейки) и общее распределение А/, характеризуется кривой abcdf.

Уменьшение площади поперечного сечения в шейке приводит к падению нагрузки при испытании (участок DE), но не к паде­нию фактических напряжений (см. рис. 6.2). Расчетные же напря­жения, показанные на диаграмме растяжения (см. рис. 6.2), прямо пропорциональны нагрузке, так как образование шейки при их расчете не учитывается.

Для сравнимости результатов определения 5 на образцах раз­ных размеров и формы расчетная длина /0 (длина, на которой

определяется 5) должна выбираться равной 11,3л/Д, или 5,65 где Ап — площадь поперечного сечения образца до испытания. Тогда для круглых образцов /0 = 10г/0 или /0 = 5d0, где d0 — первоначаль­ный диаметр. Значение 5 десятикратных образцов всегда будет мень­ше, чем пятикратных (8Ш < б5).

На значение 5 влияет также положение разрыва по длине. Мак­симальное значение, получаемое при разрыве посередине /0, при­нято в качестве нормы при определении 5.

Таким образом, при определении 8 измеряют d0 (или А0) об­разца, рассчитывают /0 и определяют число промежутков п на рас­четной длине (Я|0 и п5). После испытания половинки образца скла­дывают и отсчитывают половину промежутков (п/2) вправо от разрыва и половину — влево от разрыва. Измеряют расстояние между полученными крайними рисками, что дает значение ко­нечной длины /к для расчета 8.

Наряду с 8 используется и другая характеристика пластичнос­ти стали — относительное остаточное сужение после разрыва у/ = = (А0 - Аш)/А„, где Аш — площадь шейки.

Твердость стали. Твердость стали определяют чаще всего мето­дом Бринелля — вдавливанием шарика (см. подразд. 2.5). Сравни­мость результатов при различном диаметре шарика обеспечивает­ся постоянством отношения нагрузки Р к квадрату диаметра D шарика: Р/D2 = const. Твердость по Бринеллю НВ = Р/Асф, где F — нагрузка; Асф — площадь сферической поверхности отпечатка. Метод Бринелля применяют для сталей с твердостью не более 450 кгс/мм2 (4,5 ГПа).

Ударная вязкость стали. Ударную вязкость стали определяют на маятниковом копре (см. подразд. 2.5). Стальной образец имеет форму балочки квадратного сечения 10x10 мм и длину 55 мм. По методу Шарпи образец лежит на опорах свободно и имеет надрез глубиной 2 мм на стороне, противоположной удару маятника (см. рис. 2.7). Надрез позволяет сосредоточить энергию удара в одном месте. Ударная вязкость характеризуется отношением ра­боты U, затраченной на разрушение образца, к площади попе­речного сечения А: и= U/ А. Единица измерения ударной вязкос­ти — Дж/м2.