Требования к сталям

В металлических конструкциях применяют листовой и фасонный прокат из сталей с пределом текучести 235-900 Н/мм². По уровню прочности эти материалы условно можно разделить на три группы: стали обычной прочности с σ_Т = 235...285 Н/мм²; стали повышенной прочности с σ_Т = 300...390 Н/мм²; стали высокой прочности с ат в интервале 400...900 Н/мм².

Для полной оценки поведения сталей для металлических конструкций в эксплуатации следует учитывать не только значения прочностных характеристик, определяемых при испытаниях на растяжение, но и вид диаграммы деформирования σ—ε в целом. В сжатых и сжато-изогнутых элементах конструкций более полно реализуется прочность стали при наличии на диаграмме площадки текучести и близости σ_0,01 к σ_Т. В растянутых оболочках лучше работают стали, имеющие диаграмму σ—ε криволинейного вида без площадки текучести, так как в этом случае при нагружении элементов конструкций хорошо перераспределяются и сглаживаются пики напряжений.

Возможность полной реализации прочностных свойств металла при сложном нагружении, например в трехосном напряженном состоянии, зависит от пластичности, т.е. способности его пластически деформироваться до нарушения сплошности материала.

Низкоуглеродистые стали обычной прочности имеют высокую пластичность при нормальных температурах, мерой которой являются относительные сужение и растяжение, определяемые при испытаниях образцов на одноосное растяжение. Относительное сужение Ψ, равно отношению разности площадей сечений до и после разрушения образца к начальной площади, однако эта характеристика зависит от формы сечения образца. Более удобной мерой пластичности, с точки зрения сравнения между собой результатов стандартных испытаний, является относительное удлинение — отношение приращения длины образца после разрушения к начальной длине. Обычно стандартизуется относительное удлинение образца с отношением его диаметра к расчетной длине, равным 1 : 5 или 1 : 10, а также равномерное относительное (без учета шейки образца) удлинение δ_paBH.

Многолетний опыт показывает, что эти характеристики удобны для оценки пластичности сталей обычной прочности. При переходе к более прочным сталям оценка пластичности с использованием данных характеристик усложняется, поскольку, например, их δ₅ и особенно δ_равн уменьшаются, а относительное сужение может увеличиваться. Пластичность стали при растяжении в основном лимитируется порообразованием при взаимодействии неметаллических включений с металлической матрицей и оценивается величиной сосредоточенного удлинения, т.е. длиной шейки образца, которую в первом приближении определяют как разность.

В ряде случаев конструктивное оформление узлов и элементов сварных конструкций, в первую очередь из листового проката, таково, что они в процессе эксплуатации испытывают существенные растягивающие напряжения в направлении толщины, приводящие к их слоистому хрупкому разрушению. Известным примером этому служит разрушение в 80-х гг. морской платформы «Александр Л. Килланд» для шельфовой добычи нефти в Северном море. Поэтому к листовому прокату, особенно толщиной свыше 15-20 мм, используемому для изготовления этого типа металлоконструкций, предъявляются повышенные требования по пластичности не только в продольном и поперечном направлениях проката (направлениях х, у), но и по толщине сечения (z-направления).
Сопротивление слоистому разрушению листового проката в отечественной практике оценивают по ГОСТ 28870 «Сталь. Методы испытаний на растяжение тол стол и сто во го проката в направлении толщины» при испытаниях на растяжение круглых гладких образцов диаметром 6 мм или 10 мм с кратностью отношения длины рабочей части к диаметру 1,5-2,5, вырезанных в направлении толщины. Показателем качества стали служит относительное сужение Ψ в направлении толщины 15, 25 и 35% соответственно.

Аналогичные стандарты по оценке z-свойств толстолистового проката действуют и, за рубежом: ISO 7778, DIN 096 и др.