Pevnost a deformovatelnost betonářských ocelí
Pevnost a deformovatelnost betonářských ocelí charakterizuje os-es diagram při natahování oceli až do přetržení (obr. 1.23).
Mnoho ocelí válcovaných za tepla je na diagramu charakterizováno přítomností úseku lineární závislosti mezi napětími a deformacemi (elastická práce oceli) a jasně definovanou mezí kluzu (obr. 1.23, a), jejíž délka závisí na struktuře oceli. Pro vysokopevnostní betonářské oceli (obr. 1.23, b, c) neexistuje jasná mez pružnosti a mez kluzu, proto se používají pojmy podmíněná mez pružnosti a podmíněná mez kluzu.
Za konvenční mez pružnosti se považuje napětí, při kterém dochází k počátečním zbytkovým relativním deformacím, dosahujícím 0,02 % plochy vzorku rovnající se základně měření. Fyzikální mez kluzu osy se považuje za nejnižší napětí, při kterém vzorek poprvé zaznamená významné deformace bez znatelného zvýšení zatížení, a za podmíněnou mez kluzu se považuje napětí, při kterém zbytkové deformace dosáhnou 0,2 % délky úseku vzorku, který se bere v úvahu při určování této charakteristiky.
Dočasná odolnost osb se vztahuje k napětím odpovídajícím největšímu zatížení předcházejícímu destrukci vzorku (tj. zatížení, při kterém dochází k jeho zúžení – vzniká hrdlo). Je určena ve vztahu k ploše původního průřezu, a proto je podmíněná. Po dosažení dočasné odolnosti začne zátěž klesat v důsledku tvorby krčku na vzorku a dále klesá až do destrukce – prasknutí. V tomto případě se napětí na jednotku plochy průřezu hrdla (tj. skutečná napětí – viz obr. 1.23, a) zvyšují až do prasknutí. Skutečná pevnost v tahu může výrazně (dvakrát i vícekrát) převyšovat konečnou pevnost.
V oblasti úměrnosti mezi napětími a poměrnými prodlouženími, která odpovídá přímkovému řezu diagramu napětí-deformace, se prostorová mřížka stává homogenní, tj. elastická deformace, která je ve všech bodech materiálu stejná; taková deformace nemění jeho strukturu a po odstranění zátěže sama zmizí. Ale počínaje mezí kluzu, když se v materiálu objeví zbytkové deformace, jeho vnitřní struktura se stává znatelně nestejnoměrnou.
Výtěžnost měkkých betonářských ocelí je spojena s rychlým pohybem („klouzáním“) dislokací – krystalických defektů, což jsou čáry, podél a v jejichž blízkosti je narušeno správné uspořádání atomových rovin charakteristické pro krystaly (obr. 1.24, a. c)*.
Vzhledem k tomu, že dislokace jsou elastické deformace krystalové struktury, a proto mají svá vlastní napěťová pole, začnou se působením vnějších napětí působících na krystal pohybovat, což se projevuje vzájemným skluzem atomových rovin – elementárními akty plastické deformace (obr. 1.24, c, d).
S růstem plastických deformací se zvyšuje počet dislokací, jejich napěťová pole se překrývají a skluz se stává obtížným. Jedná se o tzv. jev sekundárního kalení, ke kterému dochází po stavu kluzu. Aby pohyb dislokací mohl pokračovat, je třeba zvýšit zátěž.
Vše výše uvedené platí i pro vysokopevnostní oceli s tím rozdílem, že se zde již od počátku projevuje tekutost v podmínkách deformačního zpevnění, jehož jednou z hlavních příčin jsou různé druhy strukturních nehomogenit, které brání pohybu dislokací, jako jsou například hranice zrn a hromadění legujících prvků a atomových nečistot. Pro ilustraci je uvedeno jednoduché schéma zkreslení krystalové struktury. Ve skutečnosti se povaha dislokační linie může lišit od hrany (lineární) ke šroubu a následně se tato linie může kroutit tím nejbizarnějším způsobem. Pokud ještě vezmeme v úvahu, že 1 cm3 za studena tvarovaného kovu může obsahovat až 1 milion km. dislokací, lze si představit, jaké spletité spleti tvoří a jak složitě se prolínají.
Perspektivní pohled na uspořádání atomů kolem okrajové dislokace v jednoduchém krychlovém krystalu je na obr. 1.25.
U měkkých i vysokopevnostních ocelí selhání zahrnuje dvě fáze: vznik zárodečných trhlin a jejich šíření (růst). V prvním případě je rychlost šíření trhliny relativně malá a úměrná rychlosti deformace vzorku; ve druhém případě s rychlostí šíření zvuku ve vzorku materiálu.
Hodnoty podmíněné pružnosti a meze meze kluzu lze určit zatěžováním a odebíráním vzorku s postupně se zvyšujícím zatížením a měřením zbytkového prodloužení vzorku po každém odlehčení.
Elastické vlastnosti betonářských ocelí jsou charakterizovány podmíněným modulem pružnosti, definovaným jako poměr přírůstku napětí od 0,15 do 0,4 osu (nebo od 0,1 do 0,35 osb) k relativnímu prodloužení vzorku ve stejném rozsahu napětí. Modul pružnosti zde, stejně jako ve vztahu k betonu, lze považovat za charakteristiku elastického odporu, tedy za charakteristiku nárůstu intenzity napětí s rostoucím prodloužením. Přesněji řečeno, při aplikaci na kov (bohužel je obtížné hovořit tak definitivně o betonu), modul pružnosti odráží změnu meziatomových kohezních sil se změnou meziatomových vzdáleností.
Velký význam pro správné posouzení napěťového stavu železobetonových konstrukcí v různých fázích práce, pro mechanizaci výztužných prací a pohodlí při napínání předpjaté výztuže (se skupinovým napínáním) mají plastické vlastnosti armovacích ocelí, protože jejich zhoršení může způsobit křehké (náhlé) prasknutí výztuže při zatížení, nadměrné ztráty předpětí při upevňování předpětí, křehké sevření výztuže v předpínacích místech.
Plastické vlastnosti betonářských ocelí jsou zvláště důležité pro konstrukce v seismických zónách, protože vysoká plasticita vytváří příznivé podmínky pro redistribuci sil ve staticky neurčitých konstrukcích.
Plastické vlastnosti ocelí jsou charakterizovány celkovým relativním prodloužením po přetržení a relativním rovnoměrným prodloužením.
Po přetržení vzorků jsou v nich zachována zbytková protažení, která se skládají z rovnoměrných protažení, která se objevují po celé délce tyče při jejím zatěžování na napětí rovnající se osb, a jsou soustředěna v krčkové části (délka 2 d) při jejím vzniku až do přetržení. Celkové relativní prodloužení je tedy změna ve vypočítané délce vzorku, ve kterém došlo k přetržení (jako procento původní délky), a relativní rovnoměrné prodloužení je změna ve vypočítané délce specifikovaného vzorku (jako procento odpovídající původní délky, která se rovná 4 nebo 50 mm), bez zahrnutí místa přetržení.
Celkové relativní prodloužení jako charakteristika betonářských ocelí má řadu významných nevýhod. Například povaha destrukce železobetonových konstrukcí není ovlivněna ani tak úplným, ale rovnoměrným prodloužením výztuže, protože tvorba krku se shoduje s počátkem poklesu tahových sil, a proto se vyskytuje již v procesu destrukce vzorku. Závislost b na základně měření vede někdy k nesprávnému posouzení skutečných plastických vlastností výztuže a nakonec, protože vzorky vyrobené z výztuže z krouceného drátu ztrácejí při destrukci svůj původní tvar, stanovení celkového relativního prodloužení pro takovou výztuž se ukazuje jako prakticky nemožné.
Protože relativní rovnoměrné prodloužení (celkové nebo zbytkové) nemá všechny tyto nevýhody, mělo by být upřednostňováno při určování plastických vlastností betonářských ocelí.
Relativní prodloužení po přetržení u měkkých betonářských ocelí se pohybuje (v závislosti na chemickém složení) od 14 do 25 %, u vysokopevnostních ocelí od 3 do 8 %.
Ocelová výztuž má stejně jako beton vlastnosti dotvarování a relaxace napětí, i když jejich povaha je v obou případech zcela odlišná.
Creep a relaxace napětí u betonářských ocelí jsou spojeny (v mnoha zdrojích) s procesem difúzní povahy – pohybem („tečením“) dislokací v poli působení určitých protichůdných sil (například brzdný účinek „oblaku“ rozpuštěných cizích atomů narušujících mřížku) a individuálním řízeným pohybem bodových defektů ve formě vakancí (mezilehlých mřížek) lokalizovaných míst mezi atomy. Proto zde také hovoříme o plastických deformacích, ke kterým v průběhu času dochází jen pomalu. Ve vztahu ke společnému provozu výztuže a betonu je relaxace napětí praktická, protože právě to způsobuje ztráty napětí v předpjaté výztuži, což přímo ovlivňuje tvorbu trhlin, šířku trhliny a deformaci železobetonových prvků.
Hodnota relaxace napětí u betonářských ocelí závisí na mnoha faktorech: mechanických vlastnostech oceli, chemickém složení a struktuře, technologii výroby konstrukcí a podmínkách jejich následného provozu.
Počáteční stresy mají velký vliv na relaxaci: čím jsou vyšší, tím výraznější je relaxace stresu. Zvláště intenzivní je během prvních hodin. Během této doby se stihne projevit asi 60 % ztrát předběžného napětí měřených za 100 hodin. V rozsahu počátečních napětí, které nás zajímají, je pozorována tendence k útlumu relaxace napětí a po 1000 hodinách se hodnoty ztrát s tím spojených v průměru zvyšují o více než 20-25%.
S rostoucí teplotou výrazně klesá odpor vůči pohybu atomů v ocelích a také klesá intenzita pole v okolí dislokačních systémů. Při tepelné a vlhkostní úpravě předpjatých konstrukcí by se proto měla zvýšit relaxace napětí. Jak je patrné z experimentů, při teplotě asi 100 °C se ztráty z relaxace za 100 hodin zvyšují 2krát oproti ztrátám při 4 °C a při 20 °C – 200krát.
Při navrhování železobetonových konstrukcí je nutné kromě mechanických vlastností zohlednit i některé další vlastnosti oceli.
Zejména otázka ochrany výztuže před vysokými teplotami by měla být považována za významnou (obr. 1.26). Protože fyzikální mez kluzu měkké oceli v železobetonových konstrukcích je mezním napětím, při kterém začíná fáze destrukce konstrukce, neměl by přípustný ohřev výztuže z takových ocelí překročit 300-350 °C. Totéž lze říci o jiných betonářských ocelích. Při zahřátí na 300-350 °C se jejich pevnostní charakteristiky prakticky nesníží. Při zahřátí na 400 °C se však uvedené charakteristiky začnou snižovat. Při teplotě 500 °C dosahuje pokles pevnosti v tahu u ocelí válcovaných za tepla 60-70 % původní hodnoty a u vysokopevnostního drátu – 30-40 %. Současně se při zahřátí zlepšují plastické vlastnosti výztuže a zvyšují se hodnoty relativních prodloužení po přetržení.
U konstrukcí provozovaných při teplotách pod nulou je nutné vzít v úvahu sklon výztuže ke křehkosti za studena (tedy ke zvýšené křehkosti), která je dána jakostí oceli, způsobem jejího natavení a následného zpracování (tepelné kalení apod.).
Pevnostní charakteristiky betonářských ocelí se zvyšují s poklesem teploty v rozmezí do minus 60 °C, zvyšuje se rovnoměrné prodloužení a klesají koncentrované deformace. Důležitou charakteristikou betonářských ocelí (při volbě typu spojů) je jejich svařitelnost, která závisí na chemickém složení a způsobu tavení oceli, průměru tyčí, provedení svarového spoje a technologii jeho provedení.
Nejdůležitějšími faktory ovlivňujícími mechanické vlastnosti betonářských ocelí jsou chemické složení a technologie výroby ocelové výztuže.
Pevnost v tahu měkkých ocelí je relativně nízká. Zvýšení pevnosti ocelové výztuže a snížení relativního prodloužení při přetržení je dosaženo zavedením uhlíku a legujících přísad do jejího složení – mangan, křemík, chrom, nikl, zirkon, atd. Mangan tedy výrazně zvyšuje pevnost oceli bez velkého snížení tažnosti. Křemík se přidává pro získání jemnozrnné struktury, ale při zlepšení pevnostních vlastností zhoršuje svařitelnost oceli a se zvýšeným obsahem i její odolnost proti korozi. Obsah legujících přísad je obvykle omezen na 0,6. 1,6 %.
Dalšího zvýšení pevnostních charakteristik prutové výztuže lze dosáhnout zpevněním deformací za studena (tažením) a tepelným zpracováním.
Podstata kalení oceli – mechanické zpevňování – je následující (obr. 1.23): pokud se v tyči vytvoří tahová napětí, dopadající na os – es diagram za mez kluzu v oblasti zpevnění materiálu, a poté je tyč odlehčena, pak má odlehčovací diagram podobu přímky a tyč přijímá zbytkové plastické deformace. Při přetížení, protože plastické deformace již byly vybrány, se nová čára diagramu shoduje s čárou odlehčení a zůstává rovnoběžná s řezem OA, který charakterizuje pružnou práci materiálu. K ohybu čáry diagramu dojde pod napětím.
Fenomén work hardening (podle dnes převládajícího pohledu) je spojen především s interakcí paralelních dislokací, k jejichž pohybu dochází po různých protínajících se skluzových rovinách. V důsledku interakce vzniká kombinovaná imobilní dislokace. Vznik takových bariér je doprovázen hromaděním dislokací (a následně zvýšením elastické interakce mezi nimi), které zabraňují odštěpování (plastické deformaci) na zdrojovém místě.
Postupem času se vlivem tzv. stárnutí kovu poněkud zvýší mez kluzu (bod Kx), objeví se malé plató na kluzu a mez pevnosti (bod D) se poněkud zvýší.
Jak je vidět z diagramu, s rostoucí mezí kluzu klesá i relativní prodloužení.
Nárůst pevnosti oceli spojený s tažením mizí v důsledku rekrystalizace oceli, když se teplota zvýší na přibližně 400 °C. To je třeba mít na paměti při svařování nebo ohřevu výztuže vyrobené z oceli opracované za studena.
Tepelné zpracování oceli spočívá v kalení (ohřev na 800 °C, rychlé ochlazení v oleji) a následném popouštění v olověné lázni (na 500 °C). V důsledku takového zpracování dochází k deformaci krystalové mřížky a vzniku překážek pro pohyb dislokací. Přítomnost překážek vede ke zvýšení hustoty, a proto ovlivňuje intenzitu kalení. V důsledku tepelného zpracování se v oceli zvyšuje rozpustnost legujících prvků, což ovlivňuje i její pevnost.
Je třeba poznamenat, že tepelně zpracovaná ocel má větší tažnost než ocel zpracovaná za studena.
Vliv opakovaného zatížení může mít za následek únavové porušení výztuže se sníženou pevností v tahu.
Pro studium odolnosti výztuže při střídavém namáhání je na základě experimentů sestrojena únavová křivka. Počet milionů zatěžovacích a odlehčovacích cyklů N je vynesen podél vodorovné osy a největší hodnota periodicky se měnícího napětí výztuže os je vynesena podél svislé osy. Jak se N zvyšuje, os během ničení klesá. Počínaje 2 * 10 6 cykly má křivka únavy oceli vodorovný řez.
Mezní pevnost ocelové výztuže při opakovaném zatížení se nazývá mez únavy (napětí odpovídající vodorovnému řezu křivky únavy).
U konvenčních železobetonových konstrukcí charakteristika rozdílu napětí v pracovní výztuži ps kolísá zpravidla v rozmezí 0,1. 0,4, v předpjatých – do 0,7. 0,9, tj. provozní podmínky pracovní výztuže v posledně jmenovaném jsou díky relativně malému rozdílu napětí příznivější.
Charakteristickými rysy porušení oceli v důsledku únavy jsou náhlé porušení bez výraznějších viditelných deformací podél roviny kolmé k ose vzorku, téměř úplná absence krčku a jedinečný typ lomu sestávající ze dvou ostře odlišných částí (hladké a drsné).
Únava kovů je spojena se strukturní heterogenitou a plastickými deformacemi v mikroobjemech. Cyklické zatěžování polykrystalického konglomerátu, jako je ocel, vede ke vzniku malých lokálních zón plastické deformace v nejvíce namáhaných konstrukčních článcích, které se hromadí s rostoucím počtem cyklů a vedou k deformačnímu zpevnění. Jejich nárůst na kritické hodnoty, charakteristické pro daný konkrétní typ oceli, vede k iniciaci a postupnému rozvoji trhlin s následným přednostním růstem jedné hlavní trhliny a rychlou konečnou destrukcí – roztržením vzorku.
K iniciaci trhlin dochází již v počátečních fázích zkoušení, po 5-10 % z celkové doby zkoušení. Ve zbytku času dochází k jejich postupnému vývoji. Místa vzniku trhlin se nazývají únavová centra. Obvykle se trhliny tvoří na povrchu, kde je koncentrace napětí největší.
Bohužel značnou koncentraci napětí na povrchu výztuže při práci pod cyklickým zatížením vytváří periodický profil, který je tak efektivní z hlediska zajištění jejího společného provozu s betonem (první trhliny se objevují v prohlubních na průsečíku podélných a příčných žeber, kde je koncentrace napětí nejvýraznější). Navíc s nárůstem pevnostních ukazatelů oceli se zvyšuje její citlivost na koncentrátory napětí a v důsledku toho zůstává mez odolnosti prakticky konstantní. Při zpevnění betonářské oceli tepelným zpracováním vznikají dodatečná zbytková napětí, která také ovlivňují relativní mez únavy. Různé druhy svařování také snižují mez únosnosti, která je spojena s prudkou změnou geometrického tvaru, mikrostruktury oceli a vznikem zbytkových pnutí.