11. Работа стали при концентрации нагрузок.

Концентрация напряжений в поперечном сечении элементов конструкций наблюдается в случаях резкого изменения сечения. Например, перехода от одного сечения к другому, наличие отверстий, трещин, выточек, подрезов. Концентрацией напряжений называют неравномерное распределение нормальных и касательных напряжений по сечению элемента, вызванное резким изменением сечения. Для примера рассмотри стальную пластинку подверженную растяжению в одном направлении ( одноосное напряженное состояние).

Отношение максимального напряжения в месте концентрации к среднему, равномерно распределенному сечению, называется коэффициентом концентрации.

При резком перепаде напряжений общие сдвиговые деформации происходить не могут (из-за задержки соседними менее напряженными участками). Поэтому в этих областях метал разрушается путем отрыва по плоскостям нормальным к действующей силе. При этом разрушение происходит по отдельным зернам и по отдельным мелким плоскостям, наклоненным друг к другу и расположенным на общей поверхности, нормальной к усилию. На каждом маленьком участке разрушение происходит при наличии пластического течения металла. Разрушение на участке концентрации напряжений происходит при более высоких напряжениях, чем на участках с близким к равномерному распределению напряжений. При этом разрушение начинается у мест концентрации напряжений в связи с тем, что на этих участках при разрушении пластические деформации малы. При статической нагрузке и нормальной температуре концентрация напряжений существенного влияния на несущую способность не оказывает.

12. Ударная вязкость.

Ударная вязкость – это способность различных материалов поглощать энергию ударной нагрузки, что является одним из важнейших показателей прочности. Ударная вязкость того или иного материала чаще всего определяется путем ударного изгиба прямоугольного образца материала, при этом оценивается работа до разрыва либо разрушения определенного образца при ударной нагрузке, которая и является показателем ударной вязкости. Определение ее проводится на специальном приспособлении – маятниковом копре. Образец материала с надрезом посередине испытывают, ударяя по нему ножом маятника. Испытание этого показателя металла может проводиться при температуре от -100°С до 1200°С, в зависимости от металла и цели испытания. Ударная вязкость металлов является показателем надежности того или иного материала, указывает на его возможности сопротивляться разрушению, вызванному растягивающим напряжением между атомами.

Значение ударной вязкости стали определяется по величине той работы, которой достаточно для разрушения образца этой стали. Ее обозначают совокупностью букв и цифр. Первые две буквы – это символ ударной вязкости (КС). Третья буква показывает вид концентратора. Затем идут цифры. Первая из них показывает максимальную энергию от удара маятника, вторая указывает на глубину концентратора, а третья – на ширину испытуемого образца. Если образец испытывался при пониженной либо повышенной температуре, то тогда дополнительно указывается цифровой индекс, означающий тот уровень температуры, при котором испытание проводилось.

Падение ударной вязкости металлов при большом снижении температуры является показателем их хладноломкости. Хладноломкость – это увеличение уровня хрупкости металлов при снижении температуры. Такому явлению, как хладноломкость, подвержены низколегированные стали и некоторые другие металлы – тантал, вольфрам, хром, молибден, которые состоят из объемоцентрированной кубической решетки атомов металла. Ударная вязкость металлов зависит в первую очередь от температуры.

Ударная вязкость стали определяется структурой испытуемой стали, в том числе величиной ее зерен и является хорошим показателем качества металла. Поэтому испытание на ударную вязкость широко распространено. Интервал температур, в котором ударная вязкость стали резко падает, называют областью температурной хрупкости. И необходимо, чтобы эта область температурной хрупкости не совпадала с температурой работы стали. Другими словами, рабочая температура изделий из металла должна быть выше того порога, за которым начинается область температурной хрупкости. Это нужно для того, чтобы материал детали не начал трескаться и в конце концов не подвергся разрушению. Критерий области температурной хрупкости тесно связан с уровнем ударной вязкости металлов.

Оптимальной ударной вязкостью стали обладают термически обработанная сталь и спокойная мартеновская сталь, показатели области температурной хрупкости которых позволяют им обладать такими характеристиками. Для каждого вида стали ГОСТ устанавливает свою температуру, при которой определяется ударная вязкость, а также температуру, которая является оптимальной для работы с тем или иным видом стали. Ударная вязкость стали зависит не только от температуры, но также и от различных примесей, наличия легирующих элементов и от самого состава стали. Формирование в стальных изделиях закалочных структур серьезно снижает ударную вязкость стали. К примеру, если при сварке с определенным нарушением технологии работы образовался мартенсит, то ударная вязкость металла в зоне сварки может снизиться в 13 раз.