Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индектора из более твердого материала.

Усталость металла – склонность металла к разрушению при действии многократно-повторных нагружений.

Упругость материала – определяется модулем упругости Е = tga, и пределом упругости s_e, т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают. До s_р материал работает линейно по закону Гука:

s = Е·e. (4.2)

Обычно принимают, что предел пропорциональности s_р соответствует напряжениям, при которых Е уменьшается в 1,5 раза, а предел упругости s_е - напряжениям при которых e = 0.05%.

Свариваемость. Установлено, что при повышении прочности стали увеличением содержания углерода ("С") и легирующих добавок, возрастает опасность появления околошовных закалочных микроструктур, холодных трещин и т.п. При этом, действие углерода особенно отрицательно, поэтому свариваемость оценивается химическим составом (углеродному эквиваленту).

Для определения углеродного эквивалента предложено несколько формул, так, формула международного института сварки:

С_Э = С + , (4.3)

где: С = 0.07 ¸ 0.22%; М_n = 0.4 ¸ 1.4%; С_n £ 1.2%; N_i £ 1.2%;

С₂ £ 0.7%; V £ 0.12%; М₀ = 0.7%.

Таким образом, при С_Э £ 0.4 сварка стали не вызывает затруднений, при 0.4 < С_Э £ 0.55 сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возникновения трещин. При С_Э > 0.55% опасность появления трещин резко возрастает.

Помимо образования холодных трещин, могут образоваться и горячие трещины, а также локальное ухудшение эксплуатационных характеристик (хладостойкость) – локальное разупрочнение.

Хладостойкость определяется t^o хрупкости, при которой возможен переход от вязкого к хрупкому разрушению микросколом (зерна металла раскалываются по определенным кристаллографическим плоскостям). Это опасно, т.к. разрушение происходит внезапно, распространяясь с высокой скоростью, часто при весьма низких напряжениях. Является фактором, препятствующим дальнейшему повышению прочности стали легированием.

Сопротивление вязкому разрушению выражается характеристиками:

- предельная пластичность e_k; y; d_k;

- ударная вязкость при вязком разрушении – КС_max;

- анизотропия вязкости и пластичности.

Они определяют возможность холодной гибки, штамповки, вальцовки, правки и сварки.

Анизотропия пластичности –снижение показателей ударной вязкости при переходе от испытаний в продольном направлении к испытаниям в поперечном и резком их падении при испытаниях в направлении толщины изделия.

Так для Ст3 – КС_max » 200 Дж/см² – в продольном направлении;

КС_max » 150 Дж/см² – в поперечном направлении;

КС_max » 40 Дж/см² – в направлении толщины

при t^o = +20^оС.

Анизотропия сильно влияет на сварные соединения – в основном металле образуются капиллярные трещины вдоль швов.

Меры борьбы с анизотропией – добиться низкого содержания в стали S<0.01% и О₂, направленного воздействия усилия, добавление металлов – модификаторов (титан, Са, Те, Se, редкоземельные).

Технико-экономическая эффективность (ТЭЭ) определяется показателями двух категорий – изменение массы конструкции и их стоимость.

Непременным условием является получение экономического эффекта, подсчитываемый методом приведенных затрат. ТЭЭ применения сталей разных уровней прочности видна из следующей таблицы (4.1):

Таблица 4.1 ТЭЭ

Марка стали		КН	qH	Относительная стоимость конструкции в деле	Экономический эффект от базы
ВСт3сп5 (база)	235/225			1.0	-
ВСт3сп5-1	235/230	1.02	0.02	1.01	0.7
ВСт3сп5-2	265/260	1.12	0.12	1.03	8.9
04Г2С-6-1	325/315	1.24	0.24	1.12	11.6
14Г2А-Ф	390/370	1.46	0.46	1.23	23.4
16Г2А-Ф	440/400	1.55	0.55	1.27	28.9
12Г2СМ-Ф	590/515	1.92	0.92	1.56	35.8

К_Н – коэффициент приведения снижения массы;

q_Н - коэффициент экономии массы;

Максимальное снижение массы достигается в сооружениях, в которых значительная часть нагрузок приходится на собственный вес конструкций.

Данные показывают, что возможный экономический эффект возрастает по мере повышения прочности стали.

Это можно увидеть и из следующей таблицы (4.2):

Таблица 4.2 Сравнительный анализ

Значения показателей основных свойств металлов устанавливаются ГОСТами и техническими условиями (ТУ).

Наиболее важными из физических характеристик металлов являются (таблица 4.3):

Таблица 4.3 Физические характеристики металлов

Характеристики	Условные обозначения	Прокатная сталь	Алюминиевые сплавы
Объемный вес	g, кН/см3	7.85·10-5	2.7·10-5
(плотность)	r, кг/м3	7.85·103	2.7·103
Модуль упругости	Е, кН/см2	2.06·104	0.71·104
Модуль сдвига	G, кН/см2	0.81·104	0.27·104
Коэффициент поперечной деформации (коэф. Пуассона)		0.3	0.3

На основании вышеуказанного выбраны 7 основных унифицированных уровней прочности стали с пределом текучести s_у не менее: нормальной – 225 МПа, повышенной–285, 325, 390 МПа, высокой– 440, 590, 735 МПа прочности.

Алюминиевые сплавы

Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Плотность его ρ=2700 кг/м³, т.е. почти в 3 раза меньше, чем у стали, а прочность сплавов мало отличается от прочности стали. Алюминий очень пластичен, удлинение при разрыве достигает 40…50%.

Алюминиевые сплавы получают путем легирования алюминия Mg, Mn, Cu, Si, Zn и др. элементами, т.е. они многокомпонентные Al-Mg-Si; Al-Cu-Mg, Al-Mg-Zn, которые увеличивают прочность в процессе старения, после термической обработки - s_u > 40 кН/см².

На заводских полуфабрикатах указывается марка сплава и состояние поставки: М- мягкое (отожженное), Н- нагартованное (холодная деформация); Н2 – полунагартованное, Т – закаленное и естественно состаренное; Т1- закаленное и искусственно состаренное, Т4 и Т5 – не полностью закаленное.

Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих добавок, состояния поставки и степени агрессивности внешней среды.

К применению в строительстве рекомендуются всего 7 марок:

- термически неупрочняемые сплавы : АД1 и А Mr2М; АMr2M и АMr2МН2 (листы); А Mr2М (трубы);

- термически упрочняемые сплавы: АД31Т4 и АД31Т5 (профили); 1915 и 1915Т; 1925 и 1925Т; 1935, 1935Т, АД31Т (профили и трубы).

Кроме 1925Т, который применяется для клепаных конструкций, остальные сплавы хорошо свариваются.

Сплавы имеют широкие перспективы применения ввиду малой массы, стойкости против коррозии, хладостойкости, отсутствия искрообразования, долговечности и хорошего вида. Однако, высокая стоимость, ограничивает их применение.