2.8.Крихкість сталі

Стальні конструкції можуть руйнуватися в’язко або крихко.

Під в’язким (пластичним) руйнуванням конструкцій розуміють повільне руйнування внаслідок розвитку значних пластичних деформацій в матеріалі при досягненні ним межі текучості. При цьому не порушується суцільність перерізу елементів, тобто не відбувається механічних пошкоджень матеріалу (матеріал не розривається). Але наявність значних пластичних деформацій (прогинів, кутів повертання) робить подальшу експлуатацію конструкцій неможливою, і такий стан конструкції вважається руйнуванням. Таке руйнування характерне при роботі сталі на розтяг. Зображена вище діаграма роботи сталі на розтяг є діаграмою в’язкого руйнування, при якому сталь досягає межі текучості.

Під крихким руйнуванням розуміють раптове руйнування, яке відбувається при малих деформаціях в межах пружної роботи матеріалу, що дуже небезпечно. При цьому відбувається розрив матеріалу.

Діаграма крихкого руйнування показана на рис.2.5, при цьому сталь руйнується, не досягаючи межі текучості.

Рис.2.4. Діаграма крихкого руйнування

За показник, який характеризує схильність сталі до крихкого руйнування, приймають значення ударної в’язкості, тобто здатність чинити опір удару.

Для її визначення із сталі виготовляють зразки з надрізом з однієї сторони, які піддаються удару на маятниковому копрі (ударний згин, рис.2.6.).

Під час експерименту заміряють кути відхилення маятника до удару і після руйнування зразка. Різниця потенціальних енергій маятника – це робота, затрачена на руйнування зразка.

Ударною в’язкістю називається робота, затрачена на злам зразка, віднесена до площі його перерізу. Вимірюється в Дж/см².

Рис. 2.5. До визначення ударної в’язкості

Для сталі Cт3 ударна в’язкість при нормальній температурі – 70…100 Дж/см².

Чим більша ударна в’язкість, тим якісніша сталь, і тим краще вона працює в умовах динамічних навантажень. Ударна в’язкість сталей різко знижується при пониженні температури (див. графік, рис.2.7.). Ударна в’язкість алюмінієвих сплавів практично не змінюється при зміні температури.

Рис.2.6. Залежність ударної в’язкості

від температури

Одна і та ж сталь залежно від різних умов може руйнуватися в’язко або крихко. Основними факторами, які впливають на роботу сталі і сприяють крихкому руйнуванню, є наступні: наклеп, старіння, нерівномірність розподілення напружень (концентрація напружень), стомленість сталі, вплив температури.

2.8.1. Наклеп

Наклепом називається підвищення межі текучості (умовної) і пружних властивостей сталі з одночасним зменшенням подовження, викликаних повторними (з перервами) навантаженнями сталі за межею текучості.

Проілюструємо явище наклепу на діаграмі розтягу сталі при повторних навантаженнях з повним розвантаженням. Навантаження і розвантаження металу в межах пружності не викликає змін в роботі металу. Графіки навантажень та розвантажень співпадають. Коли ж сталь довести до пластичних деформацій і розвантажити, то діаграма розвантаження піде паралельно до лінії деформацій (рис.2.8, а).

Рис. 2.7. До виникнення явища наклепу: а) початкове навантаження за межею текучості; б) наступні повторні навантаження з розвантаженнями

Наступні повторні навантаження і розвантаження наведені на рис. 2,8, б. При другому навантаженні діаграма піде спочатку по лінії розвантаження попередньої діаграми до точки, в якій навантаження було знято, а далі по діаграмі одноразового навантаження. Якщо порівняти цю другу діаграму з діаграмою одноразового навантаження, то

.

Аналогічна картина спостерігається при подальших повторних навантаженнях. Четверта діаграма вже повністю збігається з формою діаграми крихкого руйнування. Отже, послідовні форми діаграми розтягу сталі після повторних навантажень приводять до діаграми крихкого руйнування.

Як побічне явище, що є небезпечним для металоконструкцій, наклеп спостерігається при різанні металу ножицями, гнутті, пробиванні отворів тощо. Явище використовується для підвищення міцності арматури залізобетонних конструкцій, дротів ліній електропередач, тощо.