1. Работа сталей при повторных нагрузках

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

При работе материала в упругопластической стадии повторная на­грузка ведет к увеличению пластических деформаций (рис. 2.22) в ре­зультате необратимых искажений структуры металла предыдущим нагружением и увеличением числа дислокаций. При достаточно боль­шом перерыве (отдыхе) упругие свойства материала восстанавливают­ся и достигают пределов предыдущего цикла (рис. 2.22,б). 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 железобетонных конструкций; в стальных конструкциях оно не используется, поскольку наклепанная сталь по­лучается более жесткой и склонной к хрупкому разрушению.

2. Усталостная прочность стальных элементов

При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости металла, выражающееся в понижении его прочности, при­ближающейся к некоторой величине σ_вб, ниже которой разрушения ста­ли не происходит (рис. 2.23, а). Эта величина называется пределом усталостной прочности (выносливости). Пределу выносливости стали отвечает примерно 10 млн. циклов нагрузки.

Однако уже при 2 млн. циклов усталостная прочность мало отлича­ется от ее предела, поэтому испытания на выносливость применительно к стальным конструкциям обычно производятся на базе 2х10⁶ циклов нагрузки.

Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что способствует разрыхлению металла в этом месте и, наконец, образованию трещины, которая, развиваясь, приводит к разрыву. При каждом нагружении деформации в поврежденном месте нарастают. Линии разгрузки не совпадают с линиями нагрузки, образуя петли гистерезиса (см. рис. 2.22, в, г). Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре и дислокаций. В начале образования трещины металл в этом месте как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, за­тем трещина быстро развивается и происходит отрыв изделия без пере­тирания. Таким образом, поверхность излома при усталостном разрушении имеет две характерные области - гладкую истертую при образовании трещины и зернистую при окончательном отрыве (рис. 2.24).

3. Влияние пределов изменения напряжений в течении цикла на усталостную прочность стальных элементов

П омимо числа циклов усталостная прочность зависит от вида нагружения, который характеризуется коэффициентом асимметрии р = σ_мин/ σ_макс (рис. 2.25). Для пластин из малоуглеродистой стали марки СтЗ при однознач­ных циклах нагружения (при р от 0 до +1, рис. 2.26, кривая 1) предел выносливости равен пределу текучести, при знакопеременных нагруже­ниях он снижается, достигая 140 МПа при р= -1, составляя таким об­разом примерно 59 % предела текучести или 67 % расчетного сопротив­ления. На предел выносливости оказывает влияние и вид напряжения: при преобладании сжатия он выше, чем при преобладании растяжения (кривые 1 и 2,рис. 2.26).

Весьма большое влияние на предел выносливости оказывает кон­центрация напряжений; достаточно в полосе просверлить отверстие, как предел выносливости заметно снижается (рис. 2.26, кривая 3).Особенно резко снижается предел выносливости при большем значе­нии коэффициента концентрации, например около начала флангового шва, где предел выносливости снижается при р = - 1 до 40 МПа (рис. 2.26, кривая 7), т. е. составляет всего 17 % предела текучести или 19 % расчетного сопротивления.

Низколегированная сталь повышенной прочности с пределом теку­чести 340 и 400 МПа в исходном состоянии (полоса без мест концент­рации напряжений) имеет предел выносливости выше, чем у стали марки СтЗсп (рис. 2.26, кривая 4). При наличии мест с концентрацией напряжений предел выносливости этих сталей в процентном отношении снижается больше, чем у стали марки СтЗсп, и достигает по абсолютной величине таких же значений, как и у стали марки СтЗсп, при полном знакопеременном цикле и при больших значениях коэффициента кон­центрации (сравните кривые 7, 8 и 5, 6 на рис. 2.26).

Поэтому в конструкциях, воспринимающих переменные воздействия, не всегда выгодно применять стали повышенной прочности без приня­тия специальных мер.

Предел выносливости стали высокой прочности с пределом текучес­ти 450-750 МПа мало отличается от предела выносливости сталей по­вышенной прочности. Поэтому применение таких сталей в конструкци­ях, в которых может проявиться усталость, по экономическим сообра­жениям не всегда оправдано.

До недавнего времени считалось, что усталость может вызвать толь­ко очень большое число перемен нагрузки. Однако практика показыва­ет, что усталость может проявиться и при не очень большом числе цик­лов нагрузки, но при достаточно больших напряжениях, т. е. будет так называемая малоцикловая усталость, например, частое наполнение и опорожнение резервуаров большой вместимости, понижение и снятие внутреннего давления в воздухонагревателях и т. п. При числе перемен нагрузок до 10000 поверхность излома напоминает обычный излом при однократном нагружении; при большем числе циклов излом имеет ха­рактерный вид усталостного разрушения (см. рис. 2.24).

При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости металла, выражающееся в понижении его прочности, приближающейся к некоторой величине σуст, ниже которой разрушения стали не происходит. Эта величина называется предел усталостной прочности (выносливости). (см. рис.).

Схема влияния величины напряжения на разрушение при динамических нагрузках:

Пределу выносливости стали отвечает примерно 10 млн. циклов нагрузки. Однако уже при 2 млн. циклов усталостная прочность мало отличается от ее предела, поэтому испытания на выносливость применительно к стальным конструкциям обычно произвдится на базе 2*10⁶ циклов нагрузки. Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что способствует разрыхлению металла в этом месте и, наконец, образованию трещины. Трещина, развиваясь, приводит к разрыву. Текучесть металла приводит к сдвигу зерен относительно друг друга. Важно учитывать, что опасным считается состояние, когда напряжение достигает предела текучести многократно. Для сейсмостойкого строительства используются пластичные, однородные, спокойные стали, такие как Ст3 сп, 09Г2, 10Г2С, 15ХСНД, 10 ХСНД.