Требования к свойствам строительных сталей

Основные свойства строительных сталей:

Прочность
Свариваемость
Сопротивление хрупкому разрушению
Сопротивление вязкому разрушению
Технико-экономическая эффективность

Сопротивление хрупкому разрушению

Другим фактором, ограничивающим выбор стали для сварных металлоконструкций и, в частности, препятствующим дальнейшему повышению ее прочности обычным легированием (например, кремнием), является требование хладостойкости. Для строительной стали с ним ассоциируется сопротивление хрупкому разрушению микросколом. При этом виде разрушения зерна металла раскалываются по определенным кристаллографическим плоскостям с образованием в изломе характерных «кристаллических» фасеток и «ручьистого узора». Размер фасеток близок к размеру зерен в плоском сечении шлифа.

Разрушения этого вида особенно опасны, так как происходят внезапно, распространяясь с высокой скоростью без заметной макропластической деформации, часто даже при весьма низких напряжениях от рабочей нагрузки. Сварные конструкции подвержены хрупкому разрушению микросколом более других. Этому способствует концентрация напряжений, структурная и механическая неоднородность, неразъемность и наличие высоких сварочных напряжений.

Хладостойкость элемента конструкции определяется температурой хрупкости, при которой возможен переход от предполагаемого вязкого разрушения к хрупкому разрушению микросколом. На эту температуру влияют как физические свойства стали (предел текучести, микроструктура), так и «внешние» условия нагружения (напряжение, жесткость напряженно-деформированного состояния, величина и скорость деформации). Чтобы разобраться в их взаимодействии целесообразно принять во внимание сильную зависимость предела текучести железа и его сплавов от температуры и скорости деформации.

Весьма велика роль особенностей внешнего нагружения. Переход от условий растяжения гладкого образца к растяжению элемента с острым концентратором напряжений повышает температуру хрупкости строительной стали на 170-200 °С.

Любой из факторов, упрочняющих сталь и вызывающих увеличение s0 (предел текучести стали с бесконечно большим диаметром зерна при абсолютной температуре Т, равной 0 °К) (возрастание содержания элементов в твердом растворе, наклеп, старение, радиационное упрочнение и др.) повышает Тк , т.е. охрупчивает материал, а измельчение зерна микроструктуры d, напротив, снижает Тк т.е. повышает хладостойкость. Следовательно, непременным условием сохранения хладостойкости при повышении прочности является измельчение микроструктуры.

На основании исследований особенностей хрупкого разрушения микросколом предложено много способов экспериментальной оценки хладостойкости стали и металла сварных соединений. Почти все они предусматривают многократные (сериальные) испытания одинаковых (для данного способа) по размерам и форме образцов, но при разных температурах. Показателем качества служит температура, при которой контролируемый признак (поглощенная работа, доля волокна в изломе, сужение под надрезом, разрушающее напряжение и т.п.) по мере проявления хрупкости с понижением температуры достигает некоторой нормируемой величины.

Приведем некоторые основные методы, получившие наибольшее распространение:

испытание на динамический изгиб стандартных (призматических) образцов по ГОСТ 9454-78* с полукруглым (г= 1 мм) или треугольным (г=0,25 мм) надрезами, а также с концентратором в виде трещины усталости;
испытание на растяжение или изгиб крупных плоских (листовых) образцов натурной толщины с глубокими надрезами или трещинами усталости на кромках;
испытание падающим грузом на изгиб (в плоскости наименьшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по Пеллини (DWT);
испытание падающим грузом на изгиб (в плоскости наибольшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по методике института Баттеля (DWTT);
определение температуры остановки инициированной трещины (ТОТ) на крупных составных листовых образцах натурной толщины по Робертсону или испытаниями «на двойное растяжение».

Наряду с концепцией переходной (критической) температуры, широко используемой в механике хрупкого разрушения, разработаны и получили значительное развитие аналитические методы, основанные на рассмотрении поля упругих напряжений в вершине трещины. При этом для оценки сопротивления строительных сталей хрупкому разрушению применяются энергетические, силовые и деформационные критерии механики разрушения. С использованием указанных критериев представляется возможным установить связь между разрушающим (или допустимым) напряжением и размером трещины, которая гипотетически может присутствовать в конструкции. Вместе с тем механика разрушения призвана дать обоснованную методику лабораторных испытаний, результаты которых можно было бы переносить на элементы конструкции.

Стандартные испытания позволяют достаточно надежно расположить строительные стали в некоторый ряд по хладостойкости, не уступая в этом отношении другим методам. Значительно труднее решить вопрос о пригодности материала для конкретной конструкции. Одно только положение материала в вышеупомянутом ряду для этого недостаточно. Особенности воздействия на материал при испытании образцов отличаются от условий его работы в конструкциях. Хладостойкость конструкции зависит от совместного действия многих конструктивных, эксплуатационных, металлургических и технологических факторов.

На практике требования к материалу конструкции по хладостойкости обычно устанавливаются на базе накопленного опыта, а также сравнением результатов стандартных испытаний с результатами испытаний натурных образцов, по-возможности полно имитирующих поведение конструкции. Так, к требованиям, обусловленным опытом, можно отнести действующие нормы ударной вязкости углеродистой стали для строительных металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных условиях при расчетной температуре не ниже минус 40 °С KCU~20° > 29 Дж/см2 и низколегированной стали KCU~40° > 29-49 Дж/см2 соответственно, а также низколегированной стали для конструкций «северного исполнения» KCU"70° > 29 Дж/см2. Нормы ударной вязкости KCV' > 78 Дж/см2 и доли волокна в изломе Bt > 80 % (где t - температура эксплуатации) низколегированной стали для труб магистральных газопроводов, напротив, установлены сравнением результатов стандартных испытаний и испытаний натурных образцов труб.

Источник: Металлические конструкции. В 3т. Т.1. Общая часть. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. заслуж. строителя РФ, лауреата госуд. премии СССР В.В.Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П.Мельникова) — М.: изд-во АСВ, 1998.— 576 стр. с илл.