Основные принципы проектирования.
Основные принципы проектирования ( конструирования) по и.с. Стрелецкому:
1. наибольшая экономия стали
2. наименьшая трудоемкость изготовления
3. скоростной монтаж
При этом сооружение должно полностью отвечать всем требованиям эксплуатации. Конструкция, наилучшем образом удовлетворяющая этим принципом, будет оптимальной.
Тема 2.2. Материалы для металлических конструкций.
1. Работа стали под нагрузкой.
2. Свойства стали:
2.1. механические свойства;
2.2. химические свойства.
3. Классификация сталей.
4. Маркировка сталей.
5. Алюминиевые сплавы.
6. Сортамент сталей и алюминиевых сплавов.
Работа стали под нагрузкой.
Работа стали под нагрузкой характеризуется поведением ее при возрастающем действии нагрузки, вплоть до разрушения. Работа сталей под нагрузкой зависит от вида силового воздействия, характера напряженного состояния, химических и механических свойств стали.
Механические свойства, влияющие на работу стали под нагрузкой – это прочность и пластичность.
1 – предел пропорциональности;
2 – упругости;
3-3 – предел текучести;
4 – предел прочности (временное сопротивление).
2. Свойства стали:
2.1. Механические свойства:
1. Прочность – способность материала сопротивляться внешним силовым воздействиям без разрушения.
2. Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешней нагрузки.
3. Пластичность (статическая вязкость) – свойство материала сохранять несущую способность в процессе деформации.
4. Хрупкость – способность материала разрушаться при ничтожных деформациях.
5. Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него более твердого материала.
6. Старение – изменение свойств металла с течением времени.
Химические свойства.
Химический состав характеризуется процентным содержанием в стали различных компонентов, таких как:
У – углерод;
С – кремний;
Г – марганец;
Д – медь;
Ю – алюминий;
А – азот;
Х – хром;
Н – никель;
Ф – ванадий;
М – молибден.
Углерод (У) повышает прочность, снижает пластичность стали и ухудшает свариваемость, поэтому для металлических конструкций применяют только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более чем 0,22 %.
Кремний (С) раскисляет сталь, т.е. связывает избыточные О2 и повышает ее прочность, но снижает пластичность, ухудшает при повышенном содержании свариваемость и коррозийную стойкость.
Марганец (Г) повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии. Соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. При содержании марганца более 2 % сталь становиться хрупкой.
Медь (Д) несколько повышает прочность и стойкость против коррозии, содержание ее более 0,7 % способствует старению стали и повышает хрупкость.
Алюминий (Ю) хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.
Азот (А) Хром (Х) и никель (Н) повышают прочность стали без снижения пластичности и улучшают ее коррозийную стойкость.
Ванадий (Ф) и молибден (М) увеличивает прочность стали почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при ее сварке.
Вредные примеси: фосфор, сера, кислород (О2), азот (Н2).
Классификация сталей.
Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода.
Классификация сталей:
1. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные.
В свою очередь углеродистые стали могут быть:
малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;
среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%;
высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60% .
Легированные стали подразделяют на:
низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%
среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.
2. В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:
Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.
Качественные стали - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
Высококачественные стали - до 0.025% серы и фосфора.
Особовысококачественные стали - до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.
Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:
сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);
сталь группы Б - по химическому составу;
сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
3. По прочности стали делятся на:
обычной прочности (у<29 кН/см2, С 235 … С 285);
повышенной прочности (29 кН/см2<у<40 кН/см2, С 345 … С 390);
высокой прочности (у29 кН/см2, С 440 … С 590).
4. По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:
спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются);
кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";
полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".
5. По назначению стали делятся на:
Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.
Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.
С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь. С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
Маркировка сталей.
Сочетания букв и цифр дают характеристику легированной стали. Если впереди марки стоят две цифры, они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Одна цифра впереди марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если впереди марки нет цифры, это значит, что углерода в ней либо 1%, либо выше 1%. Цифры, стоящие за буквами, указывают среднее содержание данного элемента в процентах, если за буквой отсутствует цифра – значит содержание данного элемента около 1% (не более 1,5%). Буква А в конце марки, как и в углеродистой, так и в легированной стали, обозначает высококачественную сталь, т.е. сталь, содержащую меньше серы и фосфора.
Примеры:
1) 12ХН3А: содержание углерода - 0,12%, хрома - 1,0%, никеля - 3,0%, высокого качества;
2) 30ХГСА: содержание углерода - 0,30%, хрома, марганца, кремния по одному проценту, буква "А" обозначает высокое качество;
3) 19ХГН: содержание углерода - 0,19%, хрома, марганца, никеля по одному проценту;
Алюминиевые сплавы.
Для строительных конструкций применяют алюминиевые сплавы с содержанием легирующих компонентов 5-7 % (технически чистые), алюминиевые сплавы с примесями до 1 % применяются для декоративно-ограждающих конструкций.
Из-за малой прочности в чистом виде не применяются.
Маркировка ведётся по легирующим элементам.
Достоинства перед сталью:
плотность в 3 раза меньше чем у стали, а прочность у некоторых марок превышает прочность сталей в 3 раз;
устойчивость против коррозии (10-20 раз выше);
способ прессования проще и дешевле;
при t<0 °C сохраняет пластичность;
нет искрообразования;
повышенная сейсмостойкость вследствие малой собственной массы;
антимагнитность.
Недостатки:
модуль упругости в 3 раза меньше чем у сталей, поэтому прогибы в 3 раза больше, а критическая сила для сжатия элементов меньше;
высокая стоимость;
коэффициент линейного расширения почти в 2 раза больше, что заставляет чаще устраивать температурные швы.
Применение: витрины, витражи. оконные проемы, архитектурные детали, кровельные панели и кровли (меньший вес), в агрессивной среде, в труднодоступных районах (малый вес), в северных и восточных районах (высокая пластичность при низких температурах).