Свойства сталей

Сталь наряду с бетонами — главнейший конструкционный материал. Широкому использованию в строительстве сталь обязана высоким физико-механическим показателям, технологичности (воз­можности получения из нее конструкций различными методами) и большими объемами производства. Ниже рассмотрены основные технические характеристики стали и приведены числовые значения некоторых характеристик сталей различного состава и строения

Плотность стали — 7850 кг/м³, что приблизительно в 3 раза выше плотности каменных материалов (например, обычный тяжелый бе­тон имеет плотность 2400 ± 50 кг/м³).

Прочностные и деформативные свойства стали обычно определя­ются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение — деформация». Сталь, как и другие металлы, ведет се­бя как упругопластичныи материал (рис.). В начале испытаний деформации у стали пропорциональны напряжениям. Максимальное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называют пределом пропорциональности σ_у (при этом напряжении остаточные де­формации не должны превышать 0,05 %).

При дальнейшем повышении напря­жения начинает проявляться текучесть стали — быстрый рост деформаций при небольшом подъеме напряжений. На­пряжение, соответствующее началу тече­ния, называют пределом текучести σ_т.

Затем наступает некоторое замедле­ние роста деформаций при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего наступает разрушение образ­ца, называемое временным сопротивлени­ем σ_в, что является фактическим пределом прочности стали (R_р).

Относительное удлинение стали ε в момент разрыва характеризует ее пластичность. Оно рассчитывается по фор­муле

,

где l₀ — начальная длина расчетной части образца, мм;

l₁ — длина этой части в мо­мент разрыва образца, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей. Модуль упругости стали составляет 2,1 • 10⁵ МПа.

Рис. Диаграмма испыта­ния стали

(1 - низкоуглероди­стой; 2 — высокоуглеродистой) на растяжение:

σ_у - предел упругости; ε_у - упругая деформация; ε_П - полная деформа­ция; σ_т - предел текучести; σ_в - ­временное сопротивление; R_р - предел прочности

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентера (закаленного шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь. Твердость вычисляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цементацией — насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).

Ударная вязкость — свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у Ст3 ударная вязкость при +20 °С составляет 0,5...1 МДж/м², а при -20 °С — 0,3...0,5 МДж/м².

Технологические свойства стали показывают ее способность принимать определенные деформации, аналогичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего производят пробу на холодный загиб.

При испытании на загиб (рис.) определяются не усилия для осуществления деформации, а условия (угол загиба, диаметр оправки), при которых возможно протекание деформации без нарушения сплошности образца (т. е. без появления трещин и расслоения). Чем пластичнее сталь, тем меньше диаметр оправки при испытаниях.

Для стальной проволоки подобные испытания проводятся на установке, позволяющей перегибать проволоку на заданный угол. Мерой пластичности служит число перегибов проволоки до разрушения.

Рис. Схема испытаний на загиб: а — исходное положение; б— загиб на 180° с оправкой; в — загиб на 180° без оправки

Теплотехнические свойства сталей в малой степени зависят от ее состава.

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и со­ставляет около 70 Вт/(м • К), т. е. в 50...70 раз выше, чем у бетона.

Коэффициент линейного термического расширения стали составля­ет 10 • 10^-6 К^-1, т. е. практически равен КЛТР бетона.

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500...1300 °С (чугун с со­держанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагрева­нии в ней происходят полиморфные превращения, приводящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 °С; после достижения температуры 500...600 °С обычные стали становятся мягкими и резко теряют проч­ность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их необходи­мо защищать от действия огня, например, оштукатуриванием цементными растворами или созданием теплоизоляционных него­рючих покрытий.