3. Работа стали при повторных нагрузках

Если загрузить стальной образец растягивающей внешней нагрузкой до уровня, вызывающего напряжения, равные пределу упругости _уп, затем разгрузить, дать полностью восстановиться упругим деформациям, а затем загрузить сжимающей нагрузкой до уровня, вызывающего напряжения, равные - _уп и затем снять внешнее воздействие, то такие повторные загружения в пределах упругих деформаций не изменяют вида диаграммы работы металла , т. е. разгрузка следует по линии нагрузки.

1. Работа стали при повторных нагрузках (с отдыхом).

Нагрузка и разгрузка металла в пределах упругости не вызывает изменений в работе металла. Графики деформаций является прямолинейными и совпадают. Если же сталь довести до пластических деформаций и разгрузить, то диаграмма разгрузки пойдет параллельно к линии деформаций.

Рис. 4.25. Диаграмма деформации стали с разгрузкой

Диаграмма повторной загрузки пойдет параллельно линии упругих деформаций и далее по диаграмме одноразовой загрузки. Если рассмотреть лишь диаграмму повторной загрузки, то можно отметить, что деформативность металла уменьшилась (  ₁  ), и условный предел текучести возрос до уровня ₁, достигнутого при первой загрузке. Это явление называется наклепом металла. Используется для повышения прочносных показателей стальной арматуры железобетонных конструкций и алюминиевых сплавов.

В металлах, которые не имеют достаточного запаса пластических деформаций, наклеп может приводить к хрупкому разрушению.

Наклеп наблюдается при всех видах холодной обработки металла, связанного с пластическими деформациями металла (резка, гнутье, пробитие отверстий).

В металлах, которые не имеют достаточного запаса пластических деформаций, наклеп может приводить к хрупкому разрушению.

Явление наклепа с точки зрения теории дислокаций можно объяснить следующим образом. После пластического деформирования резко повышается плотность дислокаций, что приводит к их малой подвижности. Вследствие этого происходит упрочнение стали в области упругой работы. Наклеп уменьшает пластичность стали, увеличивает ее хрупкость, поэтому в большинстве случаев для стальных строительных конструкций является нежелательным явлением. Итак, после пластического деформирования при повторном загружении величина предела текучести при растяжении возрастает. После того как величина предела текучести станет равной, допустим _а , начнем образец подвергать воздействию сжимающего усилия. Вначале напряжения начнут уменьшаться, достигнут нуля и далее начнут развиваться напряжения основного знака, т.е. сжимающие. И вот при этом оказывается, что величина предела текучести при сжатии в этом случае будет значительно ниже величины предела текучести при простом одноактном сжатии, а вся зона упругой работы (на растяжение и сжатие) остается примерно равной удвоенному значению _т. Это явление носит название эффекта Баушингера.

Таким образом, предшествующее пластическое деформирование в области растягивающих напряжений вызывает сокращение (иногда значительное) зоны упругой работы стали в области сжимающих напряжений, что необходимо учитывать при проектировании конструкций, подверженных влиянию знакопеременных нагрузок.

2. Работа стали при многократной повторной нагрузке без отдыха, если уровень напряжений в образцах от внешней нагрузки ниже предела текучести _т (материал находится в упругой стадии).

Работа стали при повторных нагрузках без отдыха приводит к усталости

Усталостью металла называется его разрушение в результате повторных нагрузок при напряжениях, меньших предела текучести.

Напряжение, при котором происходит разрушение, называется усталостной прочностью или пределом выносливости .

Способность металла противостоять такому разрушению называют выносливостью.

Рис. 4.26. Изменение усталостной прочности стали в зависимости от количества циклов загрузки N.

Для стали кривая усталостной прочности асимметрично приближается к некоторому предельному значению R_ – сопротивление стали усталости.

Сопротивление стали усталости отвечает количество циклов 10. Испытания делают на базе 210 циклов. На усталостную прочность влияют: наличие концентраторов; температура; технологические факторы, связанные с особенностями изготовления конструкций; характер загрузки (сжатие или растяжение); значение коэффициента асимметрии цикла

, R_v – изменяется от 145 МПа до 27 МПа.

Рис. 4.27. Характеристика асимметрии нагрузки.

Разрушение металла от усталости происходит в такой последовательности:

возле дефектов кристаллической решетки, нарушений структуры, концентраторов появляются микротрещины. Микротрещины являются очень острыми концентраторами. Концентрация напряжений возле них приводит к разрастанию микротрещин в макротрещины. При дальнейших циклах загрузки рост трещин приводит к разрушению.

Концентраторы напряжений очень негативно влияют на усталостную прочность металла. Поэтому при конструировании металлических конструкций необходимо избегать концентраторов всеми возможными способами.

Для исследования работы стали на выносливость специальный стандартный образец нагружается поперечной нагрузкой и вращается вокруг продольной оси, испытывая при этом, как правило, чистый изгиб. При повороте на 180^о каждое волокно образца то растягивается, то сжимается.

Изготавливают несколько одинаковых образцов и испытывают их. Первый образец загружается определенным значением _max и фиксируется количество циклов загружений после которого образец разрушился и на график наносится первая точка. Второй образец нагружается напряжением, по значению меньшим, чем первый, фиксируется количество циклов загружений после которого второй образец, разрушился, на график наносится вторая точка и так далее. При этом оказывается, что существуют такие значения напряжений, при которых образец выдерживает практически бесконечно большое количество циклов не разрушаясь.

Экспериментальные точки на графике соединяют плавной кривой и получают кривую выносливости (или кривую усталостной прочности). Таким образом, величина вибрационной прочности не снижается бесконечно при увеличении количества циклов загружений, а асимптотически стремится к некоторой величине, называемой пределом выносливости _вп .На графике предел выносливости представлен ординатой асимптоты кривой усталостной прочности. Асимптота делит график на две части с  > _вп и  < _вп. Если фактические напряжение больше величины предела выносливости, то через определенное (пусть даже очень большое) число циклов загружений сталь разрушится. Если фактические напряжения от внешней нагрузки ниже величины предела выносливости, то такого разрушения не произойдет. Очевидно задача конструктора при проектировании в элементах, воспринимающих повторную нагрузку, не допустить появление напряжений выше величины предела выносливости.

Но не для всех металлов можно определить величину предела выносливости, вибрационную прочность, например, алюминиевых сплавов постепенно все время снижается с увеличением количества циклов загружений.

Величина предела выносливости гладких образцов из стали с одинаковой технологией изготовления зависит от характера циклов нагрузки.

Цикл соответствует периоду времени, в течении которого напряжение, вызванное приложением нагрузки, возвращается в исходное состояние. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии  = _min / _max. Самым опасным (при котором величина предела выносливости наименьшая) является полный симметричный цикл с  = -1, при  = 0 получают полный асимметричный цикл, при  > 0 – однозначный промежуточный

цикл. Величина предела выносливости зависит и от наличия концентраторов_. напряжения.

Отношение предела выносливости гладкого плоского образца к пределу выносливости образца с концентраторами называют эффективным коэффициентом концентрации.

При выборе сталей для конструкций, воспринимающих повторную нагрузку следует иметь ввиду, что вибрационная прочность низколегированных сталей с концентраторами напряжений снижается быстрее, чем малоуглеродистых.

Как показывают опыты, предел выносливости данной стали для образцов больших размеров всегда меньше, чем для малых. Влияние на усталостную прочность абсолютных размеров сечения детали оценивается масштабным коэффициентом. Масштабный коэффициент также зависит и от качества поверхностной обработки детали. Влияние технологического процесса механической обработки учитывается коэффициентом поверхностной чувствительности, равным отношению предела выносливости при симметричном цикле для образца с заданным состоянием поверхности к пределу выносливости такого же образца с тщательно полированной поверхностью. В течение длительного периода постоянно развиваются внутрикристаллические микротрещины, которые переходят затем на соседние кристаллы. Развитие усталостной микротрещины может начинаться с поверхности металла в зависимости от ее состояния. Поверхности трещины обминаются и стираются и поэтому становятся гладкими (почти зеркальными). Окончательное разрушение оставшейся части от усталости носит, как правило, хрупкий характер.

Вибрационная прочность снижается при oтрицательных температурах Но если  < _т , то образец выдерживает циклы нагрузки в несколько сот тысяч или миллионов раз.

Работа стали при повторных нагрузках, если уровень напряжений от внешней нагрузки выше предела текучести _т (материал находится в упругопластической стадии).

Стандартный образец подвергнем растягивающему усилию такой величины, что возникающие при этом напряжения _а будут больше величины предела упругости _уп , а затем разгрузим. Разгрузка будет происходить по линии, параллельной линии упругой работы, но полностью восстанавливаются лишь упругие деформации. Образец в первоначальное состояние не возвращается, появляются остаточные деформации _ост .

После полного восстановления упругой части деформаций приложим к этому образцу опять растягивающее усилие. При этом оказывается, что сталь работает упруго до достижения напряжений, равных _а (_а > _т), а далее следует диаграмме одноактного растяжения, т.е. происходит расширение области упругой работы.

Повышение упругой работы стали в результате предшествующей пластической работы с отдыхом называется наклепом.

Таким образом, предшествующее пластическое деформирование в области растягивающих напряжений вызывает сокращение (иногда значительное) зоны упругой работы стали в области сжимающих напряжений, что необходимо учитывать при проектировании конструкций, подверженных влиянию знакопеременных нагрузок.

При знакопеременной циклической нагрузке с  > _т линии разгрузки не следуют линиям загрузки, образуются петли упругопластического гистерезиса. Гистерезис - неоднозначная зависимость изменений физических характеристик тела от изменений действия внешних сил на тело.

Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре.

Усталостное разрушение происходит вследствие накопления дислокаций у границ зерен, что в конце концов приводит к образованию микротрещин. При каждом нагружении деформации в поврежденном месте нарастают.

Процесс достигает такой стадии, когда объем металла вокруг трещин за счет пластической деформации упрочнялся до предела. Трещина может вырасти до гриффитсовских (закритических) размеров. Значит, начиная с этого момента вся поступающая из напряженной конструкции энергия осваивается трещиной и только ею. Основной поток энергии идет на разрыв межатомных связей в вершине трещины. Теперь уже процесс становится либо подлинно хрупким, либо как говорят механики, квазихрупким. Трещина начинает стремительно разгоняться. Ускорение ее достигает 10 м/с , что в 110 миллионов раз больше ускорения земного тяготения. В стали за тысячную долю секунды трещина способна развить скорость порядка 2,2 км/с .

Из-за наличия остаточных деформаций при  > _т разрушение происходит при числе циклов загружений, измеряемых сотнями или даже единицами. Это явление называют упругопластической малоцикловой усталостью.

При расчете строительных конструкций на знакопеременные нагрузки регламентируется работа, как правило в упругой стадии с максимальными напряжениями ниже предела текучести. Однако фактические напряжения от действующих нагрузок часто существенным образом отличаются от теоретических. Особенно это относится к участкам конструкций с концентраторами напряжения различных типов. Возникающие местные напряжения на этих отдельных участках могут превышать предел прочности и при циклических загружениях способствовать появлению малоцикловой усталости. Поэтому при проектировании следует обращать большое внимание на конструктивные мероприятия, направленные на плавное изменение линий силового потока и на погашение энергии развития трещины.