Механические свойства арматурных сталей

Прочностные и деформативные характеристики арматурных сталей определяются диаграммой «σ_s–ε_s» при растяжении стали до разрыва (рис. 4.3). Для мягких горячекатаных сталей характерным является наличие на диаграмме участка линейной зависимости между напряжениями и деформациями (упругая работа стали) и четко выраженная площадка текучести (рис. 4.3, а), длина которой зависит от структуры стали.

Для высокопрочных арматурных сталей (рис. 4.3, б, в) четкой границы упругости и границы текучести нет, поэтому используют понятие условной границы упругости и условной границы текучести.

 

 

Рисунок 4.3 – Диаграмма «σ_s–ε_s» при растяжении арматурной стали:

а) – с площадкой текучести (мягкой стали); б) – без площадки текучести;

в) – твердой стали.

 

За условную границу упругости σ_0,02 принимаются напряжения, при которых возникают начальные остаточные деформации величиной 0,02% участка образца, равного базе измерения.

За физическую границу текучести σ_sу принимаются наименьшие напряжения, при которых образец впервые получает значительные деформации без заметного увеличения нагрузки. За условную границу текучести σ_0,2 принимают напряжения, при которых остаточные деформации достигают 0,2% длины участка образца, который принимается в расчете при определении данной характеристики (то есть речь идет о неупругих деформациях, которые настолько развились, что по сравнению с ними упругими деформациями можно пренебречь).

Под временным сопротивлением σ_sb понимают напряжения, отвечающие наибольшей нагрузке, которая предшествует разрушению образца. Оно определяется по отношению к площади начального сечения и поэтому является условным. После достижения временного сопротивления нагрузка начинает понижаться вследствие образования шейки на образце и продолжает снижаться вплоть до разрыва. При этом напряжения, приходящиеся на единицу сечения шейки, то есть действительные напряжения, увеличиваются вплоть до разрыва. Действительное сопротивление разрыву значительно (в 2 раза и более) может превышать временное сопротивление.

Текучесть мягких арматурных сталей связывают с быстрым движением («скольжением») дислокаций – дефектов кристаллов, которые представляют собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристаллов правильное размещение атомных плоскостей (рис. 4.4 а, б, в).

Поскольку дислокации являются упругими образующими структуры кристаллов и, таким образом, имеют собственные поля напряжений, они под воздействием внешних напряжений, приложенных к кристаллам, начинают двигаться, что наблюдается при взаимном проскальзывании атомных плоскостей– элементарных актов пластических деформаций (рис. 4.4, в, г).

С увеличением пластических деформаций число дислокаций увеличивается, их поля напряжений перекрываются и скольжение затрудняется. Это так называемое явление вторичного уплотнения, которое наступает после состояния текучести. Для того чтобы движение дислокаций продолжалось, нагрузку следует увеличить.

 

 

Рисунок 4.4 – Образование первой (линейной) дислокации (а, б); ее движение в плоскости скольжения (в); результат пластических деформаций (г).

АСДВ – лишняя полуплоскость;

АВ – линия краевой дислокации, то есть граничная линия, отделяющая область скольжения от области, где скольжение не состоялось;

х – период кристаллической решетки;

F* - внешняя деформирующая сила;

S* - плоскость скольжения;

┴ - символ положительной краевой дислокации.

 

Все вышеизложенное относится и к высокопрочным сталям с той лишь разницей, что в них текучесть с самого начала проявляется в условиях деформационного упрочнения, одной из основных причин которого являются разного рода структурные неоднородности, которые препятствуют движению дислокаций, как, например, граница зерен скопление легирующих элементов и атомных добавок.

Как в мягких, так и в высокопрочных сталях разрушение складывается из двух стадий: начального зарождения трещин и их распространения (прорастания). В первом случае трещины распространяются с относительно малой скоростью, сравнимой со скорость деформирования образца; во втором – со скоростью, сравнимой с распространением звука в материале образца.

Определить величины условных границ упругости и текучести можно путем нагружения и разгрузки образца последовательно возрастающими нагрузками с измерением остаточного удлинения образца после каждого цикла разгрузки.

Если напряжения в арматуре, которая имеет достаточно развитую площадку текучести, достигают величины σ_sу, в дальнейшем даже при незначительном увеличении нагрузки в растянутой зоне бетона раскрываются недопустимо широкие трещины, сопротивление сжатой зоны исчерпывается и конструкция разрушается. При этом временное сопротивление стали σ_sb, которое значительно превышает границу текучести, остается неиспользованным. Возникает совсем иная ситуация, если площадка текучести незначительна или вовсе отсутствует (условная граница текучести).В этом случае интенсивное развитие трещин при незначительном увеличении нагрузки быстро прекращается, и разрушение конструкции происходит при напряжениях в арматуре s_sy<s_s£s_sb. При этих условиях область между границей текучести и временным сопротивлением можно рассматривать как неиспользуемые резервы (в одном случае), в других случаях - как резерв надежности, обеспечивающий безотказность работы конструкций.

Упругие характеристики арматурных сталей характеризуются условным модулем упругости, определяемым как отношение приращения напряжений от 0,15 до 0,4s_sb или от 0,1 до 0,35s_sb к относительному удлинению образца в этом же интервале напряжений.

Важное значение для правильной оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций на разных стадиях работы, для механизации арматурных работ (при групповом натяжении), имеют пластические характеристики арматурных сталей, поскольку их ухудшение может привести к хрупкому (мгновенному) разрыву арматуры под нагрузкой, больших потерь предварительного напряжения, хрупкому излому напрягаемой арматуры в местах резкого перегиба или при закреплении в зажимах.

Особенное значение приобретают пластические характеристики арматурных сталей для конструкций сейсмических районов, поскольку высокая пластичность стали, создает благоприятные условия для перераспределения усилий в статически неопределимых конструкциях.

Пластические характеристики сталей характеризуются полным относительным удлинением после разрыва - d и относительным равномерным удлинением - s_sв.

После разрыва образцов в них остаются остаточные удлинения, которые складываются с равномерных удлинений, которые проявляются по всей длине стержня в процессе его нагружения до напряжений s_sв, и сосредоточенных на участке шейки (длиной 2 - 4d) в процессе ее образования вплоть до разрыва. Так вот, полное относительное удлинение - это изменение расчетной длины образца, в пределах которой произошел разрыв (в % от начальной длины), а относительное равномерное удлинение - изменение расчетной длины указанного образца (в % от начальной соответствующей длины, которая принимается равной 50 или 100 мм), что не включает место разрыва.

Полное относительное удлинение, как характеристика арматурных сталей имеет ряд существенных недостатков. Так, например, на характер разрушения железобетонных конструкций влияет не столько полное, сколько равномерное удлинение арматуры, поскольку образование шейки совпадает с началом падения растягивающих усилий и поэтому происходит уже в процессе разрушения образца. Зависимость величины d от базы измерения приводит иногда к неправильной оценке действительных пластических характеристик арматуры. И, наконец, поскольку образцы с витой проволочной арматуры утрачивают при разрушении начальную форму, определение полного относительного удлинения для такой арматуры является практически невозможным.

Поскольку относительное равномерное удлинение (полное или остаточное) избавлено этих недостатков, именно ему необходимо отдавать предпочтение при определении пластических характеристик арматурных сталей.

Относительное удлинение после разрыва мягких арматурных сталей изменяется (в зависимости от химического состава) в пределах от 14 до 25 %, высокопрочных - в пределах от 4 до 8 %.

Стальная арматура, как и бетон, имеет характеристики ползучести и релаксации напряжений, хотя их природа в том или другом случае, естественно, совершенно различна.

Ползучесть и релаксацию напряжений в арматурных сталях связывают (в многих источниках) с процессами диффузионного характера - движением («перескольжением») дислокаций в поле действия некоторых действующих сил и индивидуальным направленным перемещением точечных дефектов в виде вакансий (незаполненных узлов решетки) и атомов проникновения (атомов, размещенных между узлами). Таким образом, здесь также говорится о пластических деформациях, только таких, которые развиваются медленно, во времени.

С точки зрения совместной работы арматуры и бетона практический интерес представляет релаксация, поскольку именно она вызывает потери напряжений в предварительно напряженной арматуре, что непосредственно влияет на трещинообразование, ширину раскрытия трещин и деформации железобетонных элементов.

Величина релаксации напряжений в арматурных сталях зависит от многих факторов: механических характеристик стали, химического состава и структуры, технологии изготовления конструкций и условий их будущей эксплуатации.

Большое влияние на релаксацию оказывает величина начальных напряжений. Особенно интенсивно она проявляется (протекает) в течение первых часов. За это время успевает проявиться около 60 % потерь предварительного напряжения, замеренных за 100 часов. В интервале начальных напряжений, которые нас интересуют, релаксация напряжений имеет выраженную тенденцию к затуханию и через 100 часов; значение связанных с ней потерь возрастает, в среднем, не более чем на 20-25 %.

При повышении температуры сопротивление перемещению атомов в сталях значительно снижается, снижается и напряжение поля вокруг дислокационных систем. Следовательно, при термовлажностной обработке предварительно напряженных конструкций релаксация напряжений должна увеличиваться. И действительно, как показывают опыты, при температуре около 100⁰С потери от релаксации за 100 часов увеличиваются 2-4 раза по сравнению с потерями при 20⁰С, а при температуре 200⁰С - в 4-6 раз.

При проектировании железобетонных конструкций кроме механических характеристик следует учитывать и некоторые другие характеристики сталей.

Так, в частности, существенным следует считать вопрос о защите арматуры от воздействия высоких температур. На рис. 4.5 показана типовая иллюстрация изменения временного сопротивления мягкой стали разрыву и ее границы текучести с повышением температуры.

Рисунок 4.5 – Типовая диаграмма изменения временного сопротивления мягкой стали разрыву (1) и границы текучести (2) с повышением температуры

 

Поскольку физический предел текучести мягкой стали в железобетонных конструкциях является тем граничным напряжением, при котором начинается стадия разрушения конструкции, то допускаемое нагревание арматуры с таких сталей не должно превышать 300-350⁰С.

То же самое можно отметить и про другие арматурные стали. При нагревании до 300-350⁰С их прочностные характеристики практически не снижаются. Однако при нагревании до 400⁰С начинается ощутимое снижение указанных характеристик. Так при температуре 500⁰С снижение временного сопротивления для горячекатаных сталей составляет 60-70% начальной величины, а для высокопрочной проволоки – 30-40%. В то же время пластические характеристики арматуры при нагревании улучшаются, и значения относительных удлинений после разрыва увеличиваются.

Для конструкций, которые эксплуатируются при минусовых температурах, следует учитывать приверженность арматуры к хладноломкости (т.е. повышения хрупкости), которая определяется маркой стали, способом ее выплавки и последующей обработки (термическое упрочнение и др.).

Прочностные характеристики арматурных сталей при снижении температуры в интервале до -60⁰С возрастают, равномерное удлинение несколько увеличивается, а сосредоточенные деформации уменьшаются.

Важной характеристикой арматурных сталей (при выборе типа соединений) является их свариваемость, которая зависит от химического состава и способа выплавки стали, диаметра стержней, конструкции сварочного соединения и технологии его изготовления.

Существенными факторами, которые влияют на механические характеристики арматурных сталей является химический состав и технология изготовления стальной арматуры.

Граница прочности при разрыве мягких сталей относительно небольшая. Повышение прочности стальной арматуры и уменьшение относительного удлинения при разрыве достигается введением в ее состав углерода и легирующих добавок - марганца, кремния, хрома, никеля, циркония и др. так марганец существенно повышает прочность стали без заметного снижения пластичности. Кремний вводиться для получения мелкозернистой структурой, однако повышая прочность стали, он ухудшает ее свариемость, а при повышенном содержании - и стойкость против коррозии. Состав легирующих добавок обычно ограничивается 0,6-1,6%.

При маркировки сталей вмещающих легирующие добавки (35 ГС, 20ХГ2С, 23Х2Г2Т, 20ХГ2Ц, 22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р и др.), начальное число указывает количество углерода в сотых долях процента, буквы Г, С, Х, Т, Ц, А, Ю, Р - наличие соответственно, марганца, кремния, хрома, титана, циркония, азота, алюминия и бора, а следующие за ними цифры - приблизительный состав соответствующего элемента в сотых долях процента.

Дальнейшее повышение прочностных характеристик стержневой арматуры можно достичь упрочнением за счет вытяжки и путем термической обработки.

Сущность упрочнения стали вытяжкой заключается в следующем: если в стержне создать напряжения растяжения σ_sk>σ_sy, которые на диаграмме σ_s–ε_s будут находится за площадкой текучести в области упрочнения материала, а потом стержень разгрузить, то диаграмма разгрузки приобретает вид прямой линии и стержень получает остаточные пластические деформации 00₁. При повторном загружении, поскольку пластические деформации уже выбраны, новая линия диаграммы сольется с линией разгрузки 0₁К, оставаясь параллельной участку 0А; который характеризует упругую работу материала. Перегиб линии диаграммы наступит при напряжении σ_sk.

Здесь явление, связанное с изменением кристаллической структуры стали за пределом текучести, и имеет название - наклеп.

Со временем, вследствие так званного старения металла новая граница текучести несколько повышается (точка К₁) появляется маленькая площадка текучести и несколько возрастает предел прочности (точка Д₁)

Как видно из диаграммы, одновременно с повышением границы текучести уменьшается и относительное удлинение.

Повышение прочности, связанное с вытяжкой, пропадает через рекристаллизацию стали при повышении температуры приблизительно до 400⁰С. Это следует учитывать при сварке или нагреве арматуры из упрочненной вытяжкой стали.

Термическая обработка стали заключается в закаливании (нагревание до 800⁰С, быстром охлаждении в масле), а затем отпуске в свинцовой ванне при 500⁰С. В результате такой обработки изменяется структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали, что сказывается на ее прочности.

 

Следует отметить, что термически обработанная сталь, имеет большую пластичность в сравнении с упрочненной вытяжкой стали.

При многократно повторных нагрузках возможно усталостное разрушение арматуры при пониженном сопротивлении растяжению.

Для исследования сопротивления арматуры при переменных напряжениях на основе опытов строится кривая выносливости. По оси абсциссе откладывается число миллионов циклов загрузки и разгрузки N, по оси ординат - наибольшее значение напряжений арматуры, которое периодически изменяется σ_s. С увеличением N уменьшается σ_s при разрушении. Начиная с 2·10⁶ циклов кривая выносливости стали имеет горизонтальный участок (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 - Типовая кривая усталостного разрушения стали

 

Граница прочности стальной арматуры при действии многократно повторных нагружений называется границей выносливости (напряжения, которые соответствуют горизонтальному участку кривой выносливости).

Опытами установлено, что наименьшее значение границы выносливости зависит от характеристики или коэффициента асимметрии цикла . Так, например при ρ_s=0 (т.е. при самых неблагоприятных с точки зрения растянутой арматуры условий) R_sf=0,5σ_sy.

В обычных железобетонных конструкциях характеристика перепада напряжений в рабочей арматуре ρ_s колеблется, как правило, в пределах 0,1-0,4, в предварительно напряженных – в пределах 0,7-0,9, т.е. условия работы рабочей арматуры в последних, через сравнительно малый перепад напряжений, более благоприятный.

Отличительные признаки разрушения стали от усталости – мгновенность разрушения без значительных видимых деформаций по плоскости, перпендикулярной к оси образца, практически полностью отсутствие шейки и своеобразный вид излома, который складывается из двух резко отличительных одна от другой частей (гладкая и шероховатой).

Усталость металлов связывают, обычно, со структурной неоднородностью и пластическими деформациями в микроструктуре.

Циклическое нагружение такого кристаллического конгломерата, как сталь порождает в наиболее напряженных структурных звеньях возникновение малых локальных зон пластических деформаций, которые накапливаются с увеличением числа циклов и приводят к деформационному упрочнению. Их увеличение до критических значений, для данного конкретного вида стали, приводит к зарождению и последовательного развития трещин с последующим преобладающим прорастанием одной головной трещины и быстрым последующим разрушением - разрывом образца.

Зарождение трещин наблюдается уже на начальных стадиях испытания, после окончания 5-10% общего времени испытаний. Все оставшееся время приходится на их постепенное развитие.

Причины зарождения хрупкой трещины - скопление дислокаций перед каким-то препятствием (границы зерен, разные включения и др.), сопровождаемое высокой концентрацией напряжений.

Места образования трещин называются зародышами усталости. Обычно трещины образуются на поверхности, где концентрация напряжений наибольшая.

Существенную концентрацию напряжений на поверхности арматуры при работе на циклические нагрузки образует, к сожалению, периодический профиль, такой эффективный с точки зрения обеспечения его совместной работы с бетоном (первые трещины возникают в углублениях возле пересечения продольных и поперечных ребер, где концентрация напряжений наиболее значительна). При этом с увеличением прочностных показателей стали, ее чувствительность к концентрации напряжений повышается и вследствие этого граница выносливости остается практически постоянной.

При упрочнении арматурной стали термической обработкой, дополнительно возникают остаточные напряжения, что также сказывается на относительной границе выносливости.

Понижают границу выносливости и различные виды сварки, это связано с резким изменением геометрической формы, сменой микроструктуры стали и возникновением остаточных напряжений.