9. Влияние скорости загружения на прочность стальных элементов.

Если стальной образец испытать на рас­тяжение, то по результатам эксперимента можно уста­новить его основные прочностные и деформативные харак­теристики (предел текучести, предел прочности, модуль упругости и т. д.). Однако эти величины носят в достаточ­ной степени условный характер, в чем нетрудно убедиться, испытав тот же образец с иной скоростью нагружения. Оказывается, что при уменьшении скорости нагружения значения прочностных характеристик также уменьшают­ся, при увеличении скорости —- возрастают*.

Исследования стали показали, что ударная прочность на 20—40% выше статической, а предел текучести при ударе возрастает по сравнению со статическими испыта­ниями на 30—60% . Следует отметить, что мягкие стали, обладающие большими пластическими свойствами, обнаруживают значительно большее увеличение прочност­ных характеристик, чем хрупкие.

Несмотря на то, что в настоящее время зависимость между прочностью материалов и скоростью нагружения еще не установлена, из приведенных данных очевидно, что прочностные характеристики строительных материа­лов увеличиваются с ростом скорости приложения на­грузки.

Если образец металла подвергнуть испытанию на растя­жение, то зависимость между растягивающей силой Р и удлинением ∆L можно представить в виде диаграммы (рис. 11.21, а). Участок диаграммы Оа отвечает упругим деформациям материала, а остальная часть в основном неупругой деформации. Площадь, ограниченная кривой Оаbcde, представляет работу W, затраченную на разрушение образца. Само собой разумеется, что с изменением длины испытуемого образца L будет изменяться и его удлинение ∆L, а следовательно, и количество работы W затраченной на разрушение.

Если интересоваться не просто количеством энергии, затраченной на разрушение образца, а количеством работы, отнесенной к единице объема материала (т. е. V=W/FL, где F — площадь сечения образца), то окажется, что вели­чина эта достаточно стабильна и, например, для стали Ст. 3 составляет 1000—1500 кГ-см/см³.

Если при одних и тех же размерах образцов изменить скорость их загружения, то диаграмма Р — ∆L несколько изменится; с увеличением скорости загружения предел те­кучести σ_г н предел прочности R_пл будут возрастать. Для сравнения на рис. II. 21, а показаны две диаграммы в коор­динатах о σ— ε (напряжение — относительное удлинение) при обычном статическом загружения и при ударе. Прн этом, естественно, изменяются и площади диаграмм, т. е. изме­няется н количество энергии, затрачиваемой на разрушение образцов. Количество работы, расходуемое на разрушение

1 с:л!³ материала при ударе, V_л превышает величину, отве­чающую статическому разрыву, и для различных металлов различно отличается от V_СТ.

Как бы то ни было, статические и ударные значения V для стали Ст. 3 при однократном загружешш до разруше­ния не так уж сильно отличаются и поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы сооружения в целом будем при­нимать эту величину как единую общую характеристику материала, не зависяигую от скорости загружения.

Опыты показывают, что общее суммарное количество энергии, расходуемое на разрушение образца при таком повторном загружений, практически не отличается от коли­чества энергии, расходуемой на разрыв образца при одно­кратном иагружении*. /

Более тщательные опыты показывают, что необратимые процессы в материале имеют место также и при напряже­ниях, значительно меньших предела текучести. В этом случае, однако, работа, совер­шаемая внешней силой за один цикл загружения, весьма незна­чительна и поэтому для дове­дения материала до разруше­ния требуется очень большое число циклов нагружения. Прочность материала при таких многочисленных повторных за-гружениях, как известно, носит название предела выносли­вости (или усталости).

1 – нормальная скорость

2 – быстрее

3 – медленнее