11. Работа стали под нагрузкой (при статической нагрузке, при концентрации напряжений, при повторной нагрузке, ударная вязкость, хрупкое разрушение)

Сталь в основном состоит из феррита с включением перлита. Зерна перлита значительно прочнее ферритовой основы. Эти две разные по прочностным, упругим и пластическим показателям составляющие и определяют работу углеродистой стали под нагрузкой.

Большое препятствие образованию вигов в зернах феррита создают в стали более прочные зерна перлита, поэтому прочность стали значительно выше прочности чистого железа.

Работу стали при одноосном напряжении можно проследить по испытанию образца на растяжения.

В стадии 1 до предела пропорциональности Ơ_р происходят упругие деформации, пропорциональные действующим напряжениям. Связь между напряжением и деформациями подчиняется закону Гука (Ơ=Еε) – это стадия упругой работы.

Деформации удлинения в этой стадии материала происходят за счет упруго возвратных искажений кристаллической решетки и исчезают после снятия нагрузки.

П ри дальнейшем увеличении нагрузки дислокации (стадия 2) начинают скапливаться около границ зерен феррита, что способствует появлению отдельных сдвигов в зернах феррита; прямая пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается (участок упруго пластической работы между Ơ_р и Ơ_y) – деформации начинают расти быстрее напряжений. Последующее увеличение напряжений приводит к интенсивному движению дислокаций и увеличению их плотности, развитию линий сдвига в зернах феррита; деформации растут при постоянной нагрузке. На диаграмме появляется площадка текучести (стадия 3).

Протяженность площадки текучести низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей составляет 1,5 – 2,5%.

Развитие деформаций происходит в результате упругого деформирования и необратимых пластических сдвигов. При снятии нагрузки упругая часть деформаций исчезает, а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям (линия разгрузки идет параллельно упругой части линии нагрузки).

Дальнейшее развитие деформации сдерживается у границ зерен. Линии сдвига искривляются, движение дислокации затрудняется, и рост деформаций возможен только при увеличении нагрузки (стадия 4 – самоупрочнение), материал работает как упругопластический.

При напряжениях, близких к временному сопротивлению (Ơ_u) продольные и поперечные деформации локализуются в наиболее слабом месте, и в образце образуется шейка. Площадь сечения шейки интенсивно уменьшается, напряжения в месте сужения растут, поэтому, несмотря на то, что нагрузка на образец снижается, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного сцепления и происходит разрыв.

Площадка текучести свойственна сталям с содержанием углерода 0,1-0,3%.

П ри работе конструкции в упругопластической области диаграмму работы стали Ơ - ε можно упростить в сторону некоторого запаса и заменить идеализированной диаграммой упругопластического тела, совершенно упругого до предела текучести и совершенно пластичного после него (диаграмма Прандтля).

При сжатии коротких образцов, которые не могут потерять устойчивость, сталь ведет себя также как и при растяжении, т.е. предел пропорциональности, предел текучести и модуль упругости совпадают.

Однако разрушить при сжатии короткие образцы, изготовленные из пластической стали, и определить временное сопротивление не представляется возможным, поскольку образец сжимается и в конечном результате расплющивается. Высокопрочные стали, с пониженной пластичностью, могут разрушаться по наклонному сечению от среза.

Так как в упругой и упругопластической стадиях работы сталь ведет себя при растяжении и сжатии одинаково, то соответствующие характеристики принимаются также одинаковыми.

Повышенная несущая способность при сжатии некоторых образцов в области самоупрочнения используется при работе стали на смятие.

При работе материала в упругой стадии повторное загружение не отражается на работе, поскольку упругие деформации обратимы.

При повторном нагружении металла в упругопластической области возникает наклеп. Увеличивается область упругой работы, а пластичность падает. Сталь становится более хрупкой.

Многократное повторное нагружение может привести к разрушению при меньших напряжениях, чем временное сопротивление и даже предел текучести. Это явление называется усталостью металла, а разрушение – усталостным.

Способность металла сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью, а напряжения, при которых происходит разрушение – вибрационной прочностью Ơ_вб.

Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что приводит к рыхлению металла в этом месте и образованию трещин, которые развиваясь, приводят к разрыву. При каждом нагружении деформации в поврежденном месте нарастают. Линии разгрузки не совпадают с линиями нагрузки, образуя петли гистерезиса. Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре и дислокаций там, где образуются трещины, металл как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, затем трещина быстро развивается и происходит разрыв.

Вибрационная прочность зависит от числа циклов загружения и вида загружения.

При большом числе циклов кривая вибрационной прочности (кривая Вел Лера) асимметрически приближается к некоторому пределу, называемому пределом выносливости (усталости). Обычно проводят 2х10⁶ циклов нагружения, чтобы определить выносливость, так как меньшее количество циклов мало отличается от предела усталости.

Алюминиевые сплавы не имеют предела усталости, и их вибрационная прочность при увеличении числа циклов постоянно снижается.

Работа стали при концентрации напряжений. В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений) происходит искривление линий силового потока и их сгущение около препятствий, что приводит к повышению напряжений в этих местах.

Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруговых выточек имеет значение 2-3. В местах острых надрезов оно выше и тем больше, чем меньше радиус кривизны надреза и чем гуще собирается в этих местах силовой поток; коэффициент концентрации в этом случае достигает значения 6-9.

Напряженное состояние изделия при наличии концентрации напряжений очень сложное, однако в основном по характеру работы металла можно установить две зоны: зону резкого перепада напряжений и зону с распределением напряжений, близким к равномерному.

Развитие пластических деформаций и разрушение при равномерном распределении напряжений происходят под действием касательных напряжений. При резком перепаде напряжений общие сдвиговые деформации происходить не могут, поэтому в этих областях металл разрушается путем отрыва по плоскостям, нормальным к действующей силе. Такой отрыв можно назвать техническим, а отвечающая ему прочность много ниже, чем прочность монокристалла на отрыв, но выше, чем прочность при сдвиге.

Испытаниями установлено, что конструкции из низколегированных, особенно термоупрочненных сталей сопротивляются разрушению лучше, чем малоуглеродистые стали.

Применение высокопрочных сталей в конструкциях, подвергающихся многократному воздействию повторных нагрузок, не всегда оправдывается по экономическим соображениям.

Ударная вязкость. Склонность металла к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрации напряжений проверяют испытанием на ударную вязкость – определением величины работы, затрачиваемой на разрушение надрезанного образца. Ударная вязкость измеряется удельной работой, затрачиваемой на разрушение образца. В надрезанном образце напряжения распределены неравномерно. Ударное воздействие на образец увеличивает возможность перехода металла образца в хрупкое состояние.

Температура, при которой происходит спад ударной вязкости, или ударная вязкость снижается ниже 0,3МДж/м², принимается за порог хладоломкости.

Ударная вязкость особенно резко снижается у состаренного металла. Поэтому для особо ответственных конструкций ударную вязкость определяют после искусственного старения.

Работа стали при повторных нагрузках. При работе металла в упругой стадии повторное загружение не отражается на работе материала, покольку упругие деформации обратимы.

При работе материала в упругопластчиной стадии повторная нагрузка ведет к увеличению пластических деформаций в результате необратимых искажений структуры металла предыдущими нагружением и увеличением числа дислокаций. При достаточно большом перерыве упругие свойства материала восстанавливаются и достигают пределов предыдущего цикла. Это повышение упругих свойств называется наклепом. Наклеп связан со старением и искажением атомной решетки кристаллов и закреплением ее в новом деформационном положении. При повторных нагружениях в пределах наклепа материал работает как упругий, но полное удлинение уменьшается в результате необратимых остаточных деформаций, полученных при первых нагружениях, т. е. металл становится как бы более жестким.

Повышение прочности благодаря наклепу используется в алюминиевых сплавах и арматуре ж/б конструкций; в стальных конструкциях оно не используется, поскольку наклепанная сталь получается более жесткой и склонной к хрупкому разрушению.

При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости метала, выражающиеся в понижении его прочности, приближающейся к некоторой величине, ниже которой разрушения стали не происходит. Эта величина называется пределом усталости прочности. Пределу выносливости стали отвечает примерно 10 млн. циклов нагрузки.

Отрицательная температура несколько повыщает предел выносливости малоуглеродистых сталей.

Хрупкое разрушение. Несущая способность элементов металлических конструкций, изготавливаемых из малоулеродистых сталей, зависит от условий нагружения и температуры эксплуатации.

Хрупкое разрушение определяется разрушением при малых деформациях, без ярко выраженного развития пластичности. На хрупкость стали оказывают существенное влияние в основном качество стали, старение, концентрация напряжений, температура эксплуатации, характер силового воздействия.

Загрязнение стали, включение серы и фосфора, избыточное содержание углерода способствуют увеличению ее хрупкости. Легирование и термическая обработка повышают сопротивление хрупкому разрушению. При возможности хрупкого разрушения конструкции следует применять углеродистую сталь полуспокойных и спокойных плавок.

Факторы, способствующие хрупкому разрушению учитываются при расчете конструкций. Сопротивление хрупкому разрушению оценивается положениями линейной механики разрушения и на основе обширных экспериментальных исследований.