Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Первый, довольно длительный период эксперимента подтверждает слова Гука о том, что «каково удлинение, такова и сила» или наоборот (рис. 6). Записывающее устройство с начала опыта до точки «а» вычерчивает круто поднимающуюся прямую линию. Однако внезапно эта линия перестает подниматься и идет по другому пути: это тоже прямая (или почти прямая) линия, но только горизонтальная. От точки «а» до точки «б» деформации в материале резко нарастают … при фиксируемом, но почти незаметном росте напряжения. Если бы Гук стоял рядом с нами, он бы очень расстроился, так как происходит что-то такое, о чем он даже не подозревал. При предельной нагрузке в структуре тела происходит качественный скачок: его полированная поверхность становится матовой, появляются едва заметные линии, направленные под углом 45° к его оси. Материал как бы течет. Поэтому горизонтальная площадка называется площадкой текучести, а его начало — в точке «а» — точкой текучести. В интервале «а—б» происходят деформации, которые приблизительно в 20 раз больше, чем в точке текучести.
Но и это еще не предел возможностей материала. От точки «б» график начинает подниматься вверх: растут напряжения, растут и деформации. Но теперь он идет вверх не так круто и к тому же криволинейно. Зависимость между напряжениями и деформациями уже не подчиняется в чистом виде закону Гука, поскольку деформации растут быстрее, чем напряжения. Говоря обыденным языком, эта часть графика свидетельствует о том, что увеличение напряжений в материале происходит ценой значительных деформаций. А это слишком большая цена, которая ни в коем случае не приемлема.
Опыт приближается к концу. В последний момент образец разрывается. Эта маленькая катастрофа происходит после того, как испытуемое тело удлиняется на 25%. Или, как сказали бы специалисты, деформация разрушения равна 0,25. Это соответствует сопротивлению материала приблизительно в 4200 кг/см2.
Можно ли использовать столь внушительные возможности мягких сталей (так называются низкоуглеродистые стали) в строительстве? Ответ будет категорическим: нельзя. Вспомним пример с конструкциями из резины: большая прочность за счет относительно больших деформаций абсолютно не нужна и даже опасна. Перекрытия провиснут, едва ли не придавливая людей, облицовка будет осыпаться со стен, а вместо зданий и сооружений будет как бы гигантская пружина.
С мягкими сталями положение особое, так как существует площадка текучести. Это своеобразный барьер, который материал должен преодолеть, чтобы перейти в область более значительных напряжений. Однако для реальных конструкций преодоление этого барьера означает наличие аварийных деформаций и перемещений. Следовательно, практическое значение имеет лишь часть графика σ-ε, которая находится ниже площадки текучести (линия «0—а»). Но здесь напряжения едва достигают 2400 кг/см2. Что делать, такова действительность…
Есть возможность использовать часть прочностного резерва сталей этого типа в случае применения их в качестве арматуры. Это делается следующим образом. На специальных стендах арматурные прутья растягиваются так, чтобы была пройдена площадка текучести и реализовалась часть последующих деформаций. После этого прут, разумеется, не восстанавливает своей первоначальной длины, по сравнению с которой он увеличился примерно на 6%. Такая необратимая остаточная деформация называется пластической. Здесь, в сущности, начинается нечто особенное. Если прут повторно напрягается (уже как часть конструкции), его площадка текучести оказывается значительно выше, т.е. при значительно больших напряжениях, чем при первоначальном растяжении. Новая площадка текучести приблизительно соответствует напряжению, которое достигнуто при первоначальном растяжении. Структурные повреждения, которые произошли в стали при такой первоначальной обработке, в этом случае оказываются полезными. Предел текучести может подняться с 2400 кг/см2 примерно до 3000 кг/см2.
Такой вид механической отработки имеет и свои отрицательные стороны. Новые свойства стали являются не такими стабильными во времени, как основные ее свойства. Но это еще только полбеды. Важно то, что таким несложным и сравнительно дешевым способом на практике «облагораживается» значительное количество низкоуглеродистой арматурной стали для железобетонных конструкций.
Практикуется также холодная вытяжка арматурной стали через отверстия с постепенно уменьшающимся диаметром. Высокие напряжения и пластические деформации в стали могут достигаться и путем так называемой холодной прокатки. Специальными вальцами мягкая сталь круглого сечения частично сдавливается, причем на ее поверхности остаются характерные отпечатки, а механический эффект в конечном счете подобен тому, который наблюдается при холодной вытяжке.
Стали такого рода могут работать с напряжением, которое для необработанных сталей находится далеко за критическим пределом текучести.
СТАЛИ XX ВЕКА
До самого последнего времени в строительстве применялись в основном мягкие, низкоуглеродистые стали типа болгарской арматурной стали класса A-I. Верхняя граница практически целесообразного их сопротивления — это предел текучести. Так как рабочий участок графика σ—ε является почти линейным, здесь в силе закон Гука о соответствии между напряжениями и деформациями. Поэтому достаточно знать величину одной из двух характеристик, чтобы найти величину другой. Следует заметить, что подобная ясность и «чистота» поведения присуща только сталям. Позже мы еще увидим, что графики работы других строительных материалов сильно отличаются от такой простой и ясной схемы пропорциональности, как график σ—ε для сталей, ужасающим образом выходя за рамки области, на которую распространяется закон Гука. Сталь — единственный материал, приближающийся по своим свойствам к однородной и упругой модели твердого тела, которой обычно оперирует строительная механика.
Чтобы в сечении возникли напряжения 2100 кг/м2 (таково расчетное сопротивление стали класса A-I)согласно закону Гука, должна реализоваться деформация 0,001 (0,1%). Это значит, что каждый метр элемента должен удлиниться на 1 мм. Подобная незначительная деформация вполне приемлема в практике строительства. Вообще необходимо отметить, что деформации в строительных конструкциях в принципе очень малы, просто несоизмеримы с размерами конструктивных элементов.
Мерилом твердости материала является его линейный модуль упругости. Он выражается как тангенс угла между отрезком «0—а» и горизонтальной осью графика σ—ε (см. рис. 6). С физической точки зрения этот модуль означает напряжение — условное напряжение, которое возникает в материале, когда образец вдвое увеличивает свою длину. С математической точки зрения это просто коэффициент пропорциональности в формуле закона Гука, которая представлена на рис. 6.
Линейный модуль упругости строительных сталей приблизительно равен 2 млн. кг/см2. Сталь в наибольшей степени отвечает требованиям прочности и твердости. Но если вариантов по твердости не так уж много, то с прочностью дело обстоит гораздо сложнее.
Рис. 7. Сравнение рабочих диаграмм мягкой, низколегированной и высокопрочных сталей. Площадка текучести постепенно исчезает, а в зоне малых, конструктивно целесообразных деформаций сопротивления продолжают нарастать
Существует достаточно много видов современных, строительных сталей. До этого мы говорили о самом распространенном из них, возможности которого наиболее ограничены. Достаточно, например, повысить содержание углерода до 0,3%, чтобы качества стали существенно изменились. Так как мы уже умеем разбираться в «паспорте» материала — в его графике σ—ε, мы сможем почерпнуть необходимую информацию на рис. 7. Поведение такой стали там показано линией II. Как можно видеть, линейная зависимость между напряжениями и деформациями здесь сохраняется до гораздо более высокого предела, чем у мягких сталей (линия I). Площадка текучести не только значительно выше расположена, но и менее ярко выражена. Это значит, что такие стали, которые называются низколегированными, менее пластичны, чем мягкие. Например, арматурная сталь класса А-II имеет расчетное сопротивление 2700 кг/см2, а сталь класса А-III — 3600 кг/см2. Столь значительные сопротивления реализуются при соответствующих деформациях 0,13 и 0,18%. А поскольку напряжения разрушения равны соответственно 5000 и 6000 кг/см2, сталь класса А-II используется приблизительно на 55% своих предельных возможностей, а арматурная сталь класса А-III — приблизительно на 60%. Этот важный показатель использования возможностей материала для арматурной стали класса A-I едва достигает 50%. Очевидно, что у низколегированных сталей не только выше расчетное сопротивление, но в этом случае значительно полнее используются и прочностные резервы материала.
