13. Физико-механические свойства арматурной стали. Диаграммы состояния

Сталь, как и большинство металлов, имеет кристаллическую структуру. Это означает, что атомы, составляющие кристалл располагаются друг относительно друга в определенной последовательности, образуя симметричную пространственную решетку. Любое отклонение атомов от идеальности является дефектом кристаллической решетки.
Структура стали зависит от температуры при ее выплавке. Fe (железо) имеет температуру плавления 1535°C. При увеличении содержания углерода температура плавления сплава понижается. При С=0,2% температура плавления уменьшается до 1520°с. Сначала образуются кристаллы чистого железа – феррита, которые обогащаются углеродом и при t=1490°С вся сталь переходит в твердый раствор углерода в железе называемый аустенитом, в котором углерод расположен в центре кубической решетки. Аустенит сохраняется до t=900°С, после чего происходит его распад и образуется феррит. Распад аустенита продолжается до t=700°Сс, выделившийся углерод вступает в химическую реакцию с железом, образуя карбид железа Fe3C - цементит. При более низких температурах сталь состоит из цементита и феррита. Феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок.
Прочность стали зависит от содержания углерода. Однако углерод снижает пластичность и свариваемость, для арматурной стали его содержание ограничивают от 0,25 до 0,35%.
Прочность и деформативность арматурной стали – характеризуется диаграммой δ-ε, которая имеет различный вид для различных сталей. Для многих горячекатаных сталей характерно наличие на диаграмме участка линейной работы (упругой работы) и четко выраженной площадки текучести, длина которой зависит от структуры стали. Для высокопрочных сталей четкий предел текучести и предел упругости не наблюдается, поэтому пользуются понятием условных пределов.
Рис. 13. Диаграммы σs – εs при растяжении для арматурной стали:
а – мягкая малоуглеродистая сталь с площадкой текучести; 
б – высокопрочная, легированная сталь с условным пределом текучести.

За условный предел упругости принимают напряжения, при которых возникают начальные остаточные относительные деформации, составляющие 0,02% участка образца, равного базе измерения.
За условный предел текучести принимают напряжения, при которых образец впервые получает значительные деформации без заметного увеличения нагрузки, то есть напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2%.
Под временным сопротивлением  понимают напряжения, отвечающей максимальной нагрузке, предшествующей разрушению. После достижения напряжений, соответствующих временному сопротивлению  нагрузка начинает падать вследствие образования шейки и продолжает снижаться вплоть до разрушения – разрыва. Напряжения, приходящиеся на единицу площади шейки (действительные напряжения) растут до самого разрыва. Временное сопротивление определяется как отношение усилия к площади недеформированного образца. Действительное сопротивление может быть в два и более раза выше временного сопротивления.
Текучесть арматурных сталей связывают с быстрым движением (скольжением) дислокаций – дефектов кристаллов, представляющих собой линию, вблизи которой нарушено характерное расположение атомных плоскостей. Дислокация – упругие искажения структуры кристалла, обладающие собственными полями напряжений, под действием внешних нагрузок приходят в движение, проявляющиеся во взаимном смещении (проскальзывании) атомных плоскостей – элементарные акты пластической деформации. С ростом пластической деформации число дислокаций растет, их поля напряжении перекрываются и скольжение затрудняется. Это явление называют вторичным упрочнением, которое наступает после состояния текучести.
Значения условных и физических пределов текучести определяют испытаниями. Если напряжения арматуры с развитой площадкой текучести достигают предела текучести, то при дальнейшем незначительном увеличении нагрузки в растянутой зоне бетона раскрываются недопустимо большие  трещины, сопротивление сжатой зоны исчерпывается и конструкция разрушается. При этом максимальное напряжение в арматурном стержне, то есть временное сопротивление, не достигается. При использовании стали без площадки текучести интенсивное развитие трещин при слабо увеличивающейся нагрузке быстро прекращается и разрушение происходит при работе стали на ветви упрочнения (то есть в интервале от предела текучести до временного сопротивления).
Упругие свойства сталей характеризуется условным модулем упругости, определяемым как приращение напряжений от 15% до 40% (или от 10% до 35%) временного сопротивления к относительному удлинению в том же интервале.
Особое значение имеют пластические свойства арматурных сталей, так как их ухудшение может привести к хрупкому (внезапному) разрыву под нагрузкой, чрезмерных потерь, хрупкого излома в местах перегиба. В сейсмических районах пластические свойства арматуры играют особую роль, так как высокая пластичность создает благоприятные условия для перераспределения усилий.
Полное относительное удлинение – это изменение расчетной длины, в пределах которой произошел разрыв, а относительное равномерное удлинение – это изменения расчетной длины указанного образца, не включая место разрыва.
Относительное удлинение после разрыва для мягких сталей составляет 14…25%, для высокопрочных3…8%.
Стальной арматуре, как и бетону, присущи свойства ползучести и релаксации напряжений (их природа в арматурной стали отличается от бетона).
Ползучесть и релаксация напряжений в арматурной стали связывают с процессами диффузионного характера – движением дислокаций в поле действия некоторых противодействующих сил и индивидуально направленными перемещениями точечных дефектов в виде вакансий (незанятых узлов решетки) и атомов внедрения (атомов между узлами). То есть – так же имеются деформации, но развивающиеся медленно во времени.
Уровень релаксации напряжений зависит от: механических характеристик стали, химического состава и структуры, технологии изготовления и условий эксплуатации. Большое влияние оказывают начальные напряжения, чем они выше, тем выше релаксация. Особенно интенсивно релаксация напряжений протекает в течение нескольких часов, далее затухает. При повышении температуры сопротивление атомов перемещению снижается, следовательно релаксация увеличивается.
Важной характеристикой является свариваемость, которая зависит от химического состава и способа выплавки, диаметра и технологии сварки.
Легирующие добавки
Для повышения прочности арматурной стали и уменьшения относительного удлинения вводятся помимо углерода Mn; Si; Cr; Ni; Zn; Ti. Марганец (Mn) повышает прочность без снижения пластичности, кремний (Si) позволяет получить мелкозернистую структуру, улучшает прочность, но существенно ухудшает свариваемость и стойкость против коррозии.Как правило, легирующие добавки составляют 0,6…1,6% в составе стали.
 
Наши партнёры