Тема 8. Работа стали и алюминиевых сплавов в конструкциях

Самоупрочнение

Участок текучести

8.1. Работа стали на растяжение

Зависимость между напряжениями и деформациями для различных материалов устанавливается экспериментально.

Диаграмма растяжения стали

Рис. 8.1. Диаграмма растяжения стали. 1 – малоуглеродистые стали (стали обыкновенной прочности), 2 - стали высокой прочности; 3 - поликристалл железа sм – предел прочности (временное сопротивление); sт – предел текучести; sl – предел пропорциональности; s02 – условная граница текучести

, где s, МПа – нормальное напряжение; Е – модуль упругости; e – относительное удлинение образца после разрыва является показателем пластичности. Для малоуглеродистых сталей – e = 20¸25%; для высокопрочных сталей – e = 8¸10%.

При s_т/s_м=0,6 Ст3.

При s_т/s_м=0,8 высокопрочные стали

.

.

Характер деформаций стали под действием нагрузки определяется совместными деформациями ее составных частей (феррита и перлита). Перлит размещается между зернами феррита в виде слоев и отдельных включений. На начальных стадиях загрузки пластические деформации зерен феррита сдерживаются сопротивлением слоев перлита. При напряжениях, равных пределу текучести, сопротивление перлита преодолевается. Происходит общий сдвиг. На диаграмме появляется участок текучести.

У высокопрочных сталей сопротивление перлитовых включений, легирующих элементов и их соединений настолько велико, что участок текучести не проявляется. В этом случае отмечают условную границу текучести s₀₂. Когда относительное удлинение достигает определенной величины (около 2,5%), материал перестает течь и становится снова способным сопротивляться. Диаграмма растяжения становится криволинейной. С увеличением нагрузки при пластических деформациях связь между частями кристаллов на плоскостях скольжения уменьшается. Согласно этому уменьшается и модуль деформации, диаграмма становится все более пологой, пока не будет достигнут предел прочности s_м, при которой металл разрушается.

При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, которые называются линиями текучести или линиями Чернова-Людерса, идущие под углом 45° к линии растягивающих усилий. Направление их совпадает с направлением максимальных касательных напряжений.

Разрушение бывает вязкое (пластичное) - от смещения; хрупкое - вследствие отрыва и смешанное.

Касательные напряжения и пластические деформации - причина вязкого разрушения. Хрупкое разрушение является следствием развития упругих деформаций металла до величины разрушающих в условиях, когда затруднены пластические сдвиги. В этом случае наблюдается разрыв межатомных связей кристаллической решетки зерен при очень незначительных сдвигах в отдельных зернах.

 

Работа стали на сжатие

При работе на сжатие металл ведет себя также, как и при растяжении. Значения предела текучести, модуля упругости и длины участка текучести равны показателям при растяжении. То есть, сталь хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие. Это очень важная особенность.

Количество измерений (частота)

(Предел текучести)

8.3. Нормативные и расчетные сопротивления

Основными показателями сопротивления металла силовым воздействиям являются нормативные сопротивления R_yn и R_un, установленные в соответствии с пределом текучести (или условным пределом текучести) и пределом прочности.

Значение R_yn и R_un регламентируются нормами проектирования. При этом учитывается статистическая изменчивость сопротивлений. Нужно, чтобы обеспеченность составляла не менее 0,95.

Гистограмма распределения прочности металла

Рис. 8.2. Гистограмма распределения прочности металла.

Значение нормативного сопротивления принимают в зависимости от характера работы конструкции и свойств стали.

В большинстве случаев при вычислениях пользуются нормативным сопротивлением по пределу текучести, т.к. при превышении напряжениями предела текучести в элементах, изгибающихся или растягивающихся, развиваются пластические деформации и наблюдаются большие перемещения. Сжатые элементы теряют устойчивость. В случаях, когда применяются пластичные сплавы и согласно характеру работы конструкции допускаются значительные деформации, нормативное сопротивление принимают по пределу прочности.

Расчетное сопротивление определяют путем деления нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по материалу g_m.

Этот коэффициент учитывает:

то, что механические свойства металлов проверяются на металлургических заводах путем выборочных испытаний и в конструкции может попасть металл со свойствами ниже, чем установлены стандартами;

механические свойства контролируют при осевом растяжении на небольших образцах, а в действительности металл работает в крупноразмерных конструкциях при сложных напряженных состояниях;

сортамент металлопроката может иметь отрицательные (минусовые) допуски к размерам.

Значение коэффициента надежности по материалу g_m зависит от статистических данных об однородности металла. Для углеродистых сталей, которые массово выпускаются длительное время по хорошо отработанной технологии и для которых хорошо известно, как они ведут себя в конструкциях, значения g_m наименьшие g_m = 1,025. Ведь для новых сталей g_m = 1,15. Значение нормативных R_yn, R_un и расчетных R_y, R_u сопротивлений и коэффициентов надежности по материалу помещены в СНиП II-23-81*. Указанные сопротивления служат для оценки прочности элементов конструкций на действие растяжения, сжатия и изгиба.

Для других напряженных состояний: смещение (R_s), смятие торцевой поверхности (R_p), растяжение поперек толщины проката (R_th) - нормативные документы устанавливают другие значения сопротивлений.