Работа стали в сложном напряженном состоянии

В случае сложного напряженного состояния (например, плоского напряженного состояния, когда образец растягивается в двух направлениях, или при совместном действии нормальных и касательных напряжений при изгибе) работу металла принято оценивать через приведенные напряжения, вычисленные по энергетической теории

,

где s_i, t_ij – соответственно нормальные и касательные напряжения.

Вид напряженного состояния влияет на механические характеристики металла.

Диаграммы деформирования стали при различных напряженных состояниях:

	1. s1 ¹ 0 s2 = s3 = 0 2. s1 > 0 s2 < 0 s3 = 0 3. s1 > 0 s2 > 0 s3 = 0 4. s1 > 0 s2 > 0 s3 > 0
Рис. 8.3. Диаграммы деформирования стали при различных напряженных состояниях.

Однозначные плоское и объемное напряженные состояния (кривые 3, 4) значительно снижают относительное удлинение металла, но повышают характеристику прочности.

Напряжения различных знаков способствуют развитию пластических деформаций (кривая 2), но ухудшают характеристики прочности. Таким образом, можно сказать, что сложное напряженное состояние всегда ухудшает эксплуатационные качества металла. В первом случае повышается хрупкость металла, во втором - снижается его прочность.

В случае простого изгиба при действии нормальных и касательных напряжений приведенные напряжения вычисляются

Для плоского напряженного состояния

Через главные напряжения s₁, s₂, s₃

Работа стали при концентрации напряжений.

Негативно влияют на прочность конструкций концентраторы напряжений. К концентраторам относятся любые изменения формы образца (отверстия, надрезы).

В гладких образцах правильной формы напряжения во всех сечениях распределяются равномерно, а силовые линии прямолинейно.

 

Рис. 8.4. Траектории главных напряжений та их концентрация в местах изменения сечения.

Если в плоском образце сделать отверстия или надрезы, линии силового потока будут огибать новые границы. Отклонения силовых линий от прямой свидетельствуют о наличии напряжений, действующих в двух направлениях, т.е. возникает двухосное напряженное состояние. Отношение наибольшего напряжения в месте концентратора до среднего напряжения по сечению образца называется коэффициентом концентрации. Чем меньше радиус кривизны концентратора, тем выше значение коэффициента концентрации.

Наличие вблизи концентраторов сложного напряженного состояния с высоким уровнем напряжений создает условия хрупкого разрушения и образования трещин. Поэтому при конструировании необходимо избегать острых концентраторов, а сопряжение выполнять плавно.

Концентрация напряжений не очень влияет на прочность при статических нагрузках.

При динамических нагрузках, низких температурах, пластических деформациях, возникающих в процессе холодной обработки металла, концентраторы значительно снижают пластичность стали.

Старение металла

Старением называют свойство материала изменять свою структуру и свойства со временем. Это связано с тем, что, несмотря на небольшую растворимость углерода в феррит, со временем атомы углерода диффундируют к границам зерен. Количество хрупкого карбида железа увеличивается. Вследствие этого возрастает прочность стали, но снижаются ее пластичность и сопротивление хрупкому разрушению динамической нагрузкой. Старение ускоряется под действием переменных напряжений, повышении температур.

Влияние температуры

При росте температуры уменьшаются значения модуля упругости, предела текучести и прочности стали. При температуре 600°С предел текучести и модуль упругости стремятся к нулю.

Низкие температуры повышают хрупкость стали потому, что ухудшаются пластические свойства металла. При температурах ниже -10°С пластичность заметно уменьшается.

Ударная вязкость

Склонность стали к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрации напряжений оцениваются по ударной вязкости.

Ударная вязкость - это работа, необходимая для разрушения стандартного образца с надрезом, относительно поперечного сечения.

Разрушение образца происходит ударным изгибом.

 

 

Рис. 8.5. Образец для испытания на ударную вязкость.

Значение ударной вязкости зависит не только от состава и структуры стали, но и от температуры. С понижением температуры ниже 0°С значение ударной вязкости резко падает.

 

Рис. 8.6. Ударная вязкость стали: 1 – Ст3сп; 2 – Ст3кп; 3 – 10Г2С1.

Температура, при которой происходит уменьшение ударной вязкости менее 0,3 МДж/м², называется порог холодноломкости.

Очень сильно уменьшается ударная вязкость после старения стали. Для строительных сталей значение ударной вязкости при различных температурах и после старения помещены в нормативные документы.

Снижение показателя ударной вязкости ниже 0,3 МДж/м² не допускается.