мк экзамен / шпоры металлы / 3

3.Работа стали и алюминиевых сплавов при концентрации напряжений и повторных нагружений.

В местах искаже­ния сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений и т. п.) про­исходит искривление линий силового потока и их сгущение около пре­пятствий , что приводит к повышению напряжений в этих местах. Рис. 2 17 Траектория и концентрация напряжений у мест резкого изменения формы элемента

a — около отверстий, б — около трещины, в — в сварном соединении лобовыми швами

Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруглых выточек имеет значение 2—3. В местах острых надрезов оно выше и тем больше, чем меньше радиус кривизны надреза и чем гуще собирается в этих местах силовой поток; коэффициент концентрации в этом случае достигает значения 6-9. Напряженное состояние изделия при наличии концентрации напря­жений очень сложное, однако в основном по характеру работы металла можно установить две зоны: зону резкого перепада напряжений (зоны 2—3) и зону с распределением напряжений, близким к рав­номерному (зона /). Развитие пластических деформаций и разрушение при равномерном распределении напряжений происходят под воздействием касательных напряжений, наибольшее значение которых возникает на плоскостях, наклонных под углом 45° к действующей силе (зона 1). При резком перепаде напряжений (зона 2) общие сдвиговые деформации происхо­дить не могут (из-за задержки соседними, менее напряженными участ­ками), поэтому в этих областях металл разрушается путем отрыва по плоскостям, нормальным к действующей силе. Характерно, что соответ­ствующий рентгенографический анализ указывает на наличие при отрыве на этих плоскостях участков с явно выраженным пластическим течением металла. Поэтому такой отрыв можно назвать техническим, а отвечающая ему прочность много ниже, чем прочность монокристалла на отрыв, но выше, чем прочность при сдвиге. При сдвиге в упругопластической стадии развиваются большие деформации при техническом отрыве пластические деформации малы; ме­талл в этом месте ведет себя как более жесткий, а сопротивление внешним воздействиям повышается (кривая 2). Такое поведение ме­талла приводит к началу разрушения (возникновению трещин) у мест концентрации напряжений. При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений существенного влияния на несущую способность не оказы­вает (не учитывая некоторого повышения разрушающей нагрузки). Поэтому при расчетах элементов металлических конструкций при тако­го вида воздействиях их влияние на прочность не учитывается. При понижении температуры прочность на разрыв гладких образ­цов повышается во всем диапазоне отрицательных температур; проч­ность же образцов с надрезом повышается до некоторой отрицательной температуры, а затем понижается . При длительном воздействии нагрузки сопротивление разрушению понижается. Испытаниями установлено, что конструкции из низколегированных, особенно термоупрочненных сталей сопротивляются разрушению луч­ше, чем малоуглеродистые стали. При испытании образцов из наклепанной стали и наличии острой концентрации напряжений разрушающие напряжения получаются ни­же предела текучести уже при температуре—30 °С, вследствие чего воз­можно хрупкое разрушение конструкций при пониженных температу­рах даже в обычных условиях эксплуатации. Особо неблагоприятное влияние на прочность при низких температурах оказывают ударные и другого рода динамические воздействия, а также резкое снижение тем­пературы, носящее характер температурного удара. Ударная вязкость. Склонность металла к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрации напряжений проверяются испыта­нием на ударную вязкость — определением величины работы, затрачи­ваемой на разрушение надрезанного образца , на маятнико­вом копре. Ударная вязкость измеряется удельной работой, затрачиваемой на разрушение образца. В надрезанном образце напряжения распределены неравномерно, с пикой у корня надреза. Ударное дейст­вие на образец увеличивает возможность перехода металла образца в хрупкое состояние. Чтобы иметь сравнимые результаты, испытание производится на стандартных образцах .При испытании тонкого металла применяют образцы толщи­ной 5 мм, но при этом норма ударной вязкости обычно повышается по сравнению с ударной вязкостью стандартных образцов сечением10Х10мм.

Рис. 2.20. Образец для испытания на ударную вязкость (размеры, мм)

Температура, при которой происходит спад ударной вязкости , или ударная вяз-кость снижается ниже 0,3 МДж/м², принимается за порог хладоломкости.

Ударная вязкость особенно резко снижается у состаренного метал­ла. Поэтому для особо ответственных конструкций ударную вязкость определяют после искусственного старения. Браковочные значения ударной вязкости установлены в стандартах на сталь. О сопротивлении стали разрушению судят также по виду поверхно­сти излома. Бархатистая часть излома свидетельствует о вязком изло­ме, фасеточная часть — о хрупком. Чем больше бархатистой части излома, тем лучше сталь сопротивляется хрупкому разрушению. Работа стали и алюминиевых сплавов при повторных нагрузках. При работе материала в упругой стадии повторное эагружение 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 . 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 железо-бетонных конструкций; в стальных конструкциях оно не используется, поскольку наклепанная сталь по­лучается более жесткой и склонной к хрупкому разрушению. При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости металла, выражающееся в понижении его прочности, при­ближающейся к некоторой величине (σ_уст, ниже которой разрушения ста­ли не происходит (рис. 2.23,а)

Рис 2.23. Зависимость между числом нагружений n и разрушающим напряжением а — для стали; б — для алюминиевых сплавов

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 2*10⁶ циклов нагрузки. Прочность алюминиевых сплавов снижается не-прерывно, и такого предела, как у стали, нет (рис. 2.23,б). Поэтому для практических целей за условный предел выносливости принимают вибрационную прочность при 2*10⁶ циклах нагрузки. Если фактическая нагрузка бу­дет иметь большую повторяемость, то с этим необходимо считаться при проектировании, соответственно снижая расчетное сопротивление или применяя другой материал. 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.

Рис2.22. Диаграммы деформирования при повторных нагрузках.

а- без перерыва;

б- с перерывом (после отдыха);

в-многократное однозначное;

г- многократное разнозначное.

Таким образом, поверхность излома при усталостном разрушении имеет две характерные области — гладкую истертую при образовании трещины и зернистую при окончательном отрыве. Помимо числа циклов усталостная прочность зависит от вида нагружения, который характеризуется коэффициентом асимметрии ρ = σ_min/σ_max (рис. 2.25)

Рис.2.25.Характеристики асимметрии напряжений Циклы: а — однозначный; 6 — полный однозначный; в — полный разнозначный

.Для пластин из малоуглеродистой стали марки СтЗ при однознач­ных циклах нагружения (при ρ от 0 до +1) предел выносливости равен пределу текучести, при знакопеременных нагруже­ниях он снижается, достигая 140 МПа при ρ =-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. Весьма большое влияние на предел выносливости оказывает кон­центрация напряжений; достаточно в полосе просверлить отверстие, как предел выносливости заметно снижается . Особенно резко снижается предел выносливости при большем значе­нии коэффициента концентрации. 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 При наличии мест 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. 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 вы-звать 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 10 000 поверхность излома напоминает обычный излом при однократном нагружении; при большем числе циклов излом имеет ха­рактерный вид усталостного разрушения. Отрицательная температура несколько повышает предел выносли­вости малоуглеродистых сталей. Внутренние напряжения, вызванные сваркой, неравно-мерным осты­ванием после прокатки и другими причинами, оказывают разное влия­ние на металл : если внутренние напряжения вызывают дополнительное растяжение, то это вредно сказывается на пределе выносливости, если дополнительное сжатие, то это оказывает положительное действие на предел выносливости. Повысить сопротивление усталостному разрушению конструкции можно рядом основных мероприятий: в конструкциях, где нет концентрации напряжений или она мала, переходом от малоуглеродистой стали к стали повышенной прочности ;в конструкциях со значительной концентрацией напряжений: сглаживанием силового потока, переходя от конструкций с резкой концентрацией напряжений к конструкциям с более мягкой концентрацией; снижением концентрации напряжений обработкой, например зачи­сткой поверхности сварного шва в стыковом соединении абразивным кругом или фрезой ; отводом силового потока от места острой концентрации; предварительной вытяжкой конструкций, например обкаткой подкрановых балок краном с допустимой перегрузкой; созданием благоприятных внутренних напряжений, например нагревом около мест концентрации напряжений с целью создания напряже­ний сжатия в местах концентрации; созданием напряжений сжатия и уплотнения металла на поверхно­сти, например дробеструйной обработкой. Хрупкое разрушение. Несущая способность элементов металличе­ских конструкций, изготавливаемых из малоуглеродистых сталей, зави­сит от условий нагружения и температуры эксплуатации. Вязкое разрушение, как было сказано, определяется развитием пластических деформаций по части или всему сечению, а несущая способность элементов металлических конструкций — разви­тием больших перемещений (прогибов). Квазихрупкое (кажущееся хрупкое) разрушение находится как бы в промежутке между вязким и хрупким. Хрупкое раз-рушение определяется разрушением при малых деформациях, без ярко выраженного развития пластичности. На хруп­кость стали оказывают существенное влияние в основном качество ста­ли, старение, концентрация напряжений, температура эксплуатации, характер силового воздействия. Загрязнение стали, включение серы и фосфора, избыточное содер­жание углерода способствуют увеличению ее хрупкости. Легирование и термическая обработка повышают сопротивление хрупкому разру­шению. При возможности хрупкого разрушения конструкций следует применять углеродистую сталь полуспокойных и спокойных плавок. Резкое изменение формы элемента конструкции — выточки, переги­бы и т. п., резко изменяющие направление силового потока, надрезы, трещины, внутренние напряжения (остающиеся после проката и свар­ки), резкие перепады температуры — приводят к существенному сни­жению прочности и сопротивления хрупкому разрушению вследствие повышения напряжений около этих мест , стеснения ме­стных деформаций и скоплений дислокаций.

Рис. 2.22. Диаграммы деформирования стали при повторных иагружениях

а