3. Пластичность стали. Вязкое и хрупкое разрушение стали, хладноломкость стали. Концентрация напряжений. Усталостное разрушение.

Мерой пластичности материала служит относительное остаточное удлинение при разрыве δ. Перед разрушением в образце в месте разрыва образуется «шейка», попере­чное сечение образца уменьшается и в зоне шейки развиваются большие местные пла­стические деформации. Относительное удлинение при разрыве складывается из равно­мерного удлинения на всей длине образца δ_равн и локального удлинения в зоне шейки δ_ЛОК. Последнее зависит от размеров и формы образца, наличия местных дефектов и других случайных факторов, поэтому более показательной характеристикой пластично­сти является равномерное относительное удлинение δ_равн. Мерой пластичности может служить также относительное сужение при разрыве, %:

где А и А₀ — первоначальная и конечная после разрыва площади сечения образца.

Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е = tga, где а— угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости σ_е т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.

Несколько ниже σ_е находится предел пропорциональности σ_р — напряжение, до которого материал работает линейно по закону Гука

σ = Еξ.

В известной степени σ_е и σ_р являются условными напряжениями, значения которых зависят от точности определения. Обычно принимают, что предел пропорционально­сти соответствует напряжениям, при которых Е= tga уменьшается в 1,5 раза, а предел упругости — напряжениям, при которых относительная деформация составляет 0,05%.

Вязкое и хрупкое разрушение стали, хладноломкость стали.

Склонность металла к хрупкому разрушению оценивается по результатам испыта­ния на ударную вязкость на специальных маятниковых копрах. Под действием удара молота копра образец разрушается. Ударная вязкость КС определяется затрачен­ной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения, и измеряется в Дж/см².

Один и тот же материал может разрушаться как вязко, т.е. с развитием значитель­ных пластических деформаций, так и хрупко, в зависимости от целого ряда факторов

Таким образом, ударная вязкость является комплексным показателем, характеризу­ющим состояние металла (хрупкое или вязкое), сопротивление динамическим (удар­ным) воздействиям и чувствительность к концентрации напряжений, и служит для сравнительной оценки качества материала.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва, без заметных деформаций, внезапно. Пластичное разрушение является результатом сдвига и сопровождаются значительными деформациями, которые могут быть своевременно обнаружены, и поэтому менее опасно.

Хрупкое разрушение происходит в три стадии: зарождение микротрещины, увеличение ее до критических размеров, лавинообразное распространение и разрушение материала. При этом в отличие от вязкого разрушения хрупкое разрушение происходит при малых общих деформациях.

Основными факторами, способствующими хрупкому разрушению стали, являются:

величина зерна (крупнозернистая сталь более склонна к хрупкому разрушению, чем мелкозернистая);

повышенное содержание вредных примесей (фосфор, сера, азот, кислород, водо­род и т.д.);

старение;

наклеп;

низкая температура эксплуатации;

наличие поля однозначных растягивающих напряжений;

концентрация напряжений;

динамический характер воздействий;

толщина проката.

Работа стали при неравномерном распределении напряжений. Концентрация напряжений. При растяжении гладкого образца правильной формы напряжения во всех сечениях, удаленных от места приложения нагрузки, распределяются равномерно и траектории главных напряжений прямолинейны.

В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, трещин и т.д.) линии главных напряжений искривляются и, обтекая границы, сгущаются (рис. 1.21). Сгуще­ние траекторий главных напряжений характеризует повышение напряжений в этих местах, а их искривление свидетельствует о появлении двух главных напряжений σ₁ и σ₂ т.е. о возникновении плоского напряженного состояния. При большой толщине элемента возникает третье главное напряжение σ₃ напряженное состояние будет объемным.

Рис. 1.21. Концентрация напряжений в местах резкого изменения формы элемента:

Неравномерность распределения напряжений характеризуется коэффициентом кон­центрации

к = σ_max/ σ_h

где σ_max — максимальное напряжение в месте концентрации; σ_h = N/A_o — номинальное напряжение в ослабленном сечении; А₀ — площадь ослабленного сечения.

Значение коэффициента концентрации зависит от радиуса кривизны r (остроты) надреза. Чем меньше радиус надреза, тем выше коэффициент концентрации. Так, у круглых надрезов к= 1,5... 3, у острых он может достигать 6 — 9. Теоретически при r→ 0 (надрез типа трещины) в идеально упругом материале коэффициент концентрации стремится к бесконечности.

При резком перепаде напряжений и однозначном поле растягивающих напряжений пластические сдвиги затруднены. Соседние менее напряженные участки сдерживают их развитие. Чем выше концентрация напряжений, тем меньше пластические деформации (рис. 1.22). Разрушение происходит путем отрыва и носит хрупкий характер.

При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений в большинстве случаев существенного влияния на несущую способность не оказывает (если не учитывать некоторое повышение разрушающей нагрузки). Поэтому в расчетах элемен­тов металлических конструкций влияние таких воздействий на прочность не учитывается. Крайне неблагоприятное влияние на прочность при концентрации напряжений ока­зывают динамические воздействия, а также резкое снижение температуры, носящее характер температурного удара.

Рис. 1.22. Диаграммы растяжения образца с концентра­тором напряжений:

1 — гладкий образец; 2 — образец с круглым отверстием; 3 — образец с трещиной: N — нагрузка; ∆ — удлинение

Усталостное разрушение.

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

При повторном загружении металла в упругопластической области возникает наклеп. Область упругой работы увеличивается, а пластичность падает. Сталь становится более хрупкой.

Многократное (миллионы раз) повторное нагружение может привести к разрушению при напряжениях меньше, 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.

Дислокация – дефекты кристаллической структуры стали на атомарном уровне.

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

Концентрация напряжений зависит от конструктивной формы элементов и узлов, поэтому для учета влияния концентрации напряжений на выносливость металлических конструкций в нормах проектирования все элементы и соединения разделены на во­семь групп.

Обычно усталость наблюдается в конструкциях, испытывающих миллионы циклон нагружения. Это явление называется многоцикловой усталостью.

Если циклические напряжения превышают предел текучести, то разрушение может произойти и при числе циклов порядка нескольких тысяч. Такое разрушение называет­ся малоцикловой усталостью.

Повысить усталостную прочность конструкций можно путем снижения концентрации напряжений (механическая обработка кромок, зачистка швов, обеспечение плавного изменения сечений и т.д.), создания в местах концентрации напряжений сжатия, напри­мер с помощью нагревания мест концентрации, предварительной вытяжкой конструк­ций например обкаткой подкрановых балок кранами с допустимой перегрузкой, и т.д.