На участке от точки 1 до точки 2 деформации остаются еще упругими, но закон Гука уже не выполняется

На первом участке (до точки 1) деформации упругие и они пропорциональны напряжениям. На этом участке выполняется закон Гука

Напряжения в образце определяются отношением растягивающей силы к площади рабочей части образца

(5.1)

Деформации образца определяются отношением удлинения рабочей части образца к её первоначальной длине

(5.2)

Рисунок 1. Диаграммы растяжения (напряжений) различных сталей.

На диаграмме напряжений стали выделяют характерные точки, которые отражают её основные механические характеристики.

, (5.3)

где – модуль упругости при растяжении или модуль Юнга;

- угол наклона участка пропорциональности на диаграмме деформирования.

Напряжения в точке 1 называются пределом пропорциональности .

После точки 2 начинается область упругопластических деформаций, а напряжения в точке 2 называются пределом упругости .

Наиболее важным является участок между точками 3 – 4, который называется площадкой текучести. На этом участке увеличение деформаций происходит при постоянной нагрузке, которая характеризуются пределом текучести _т. Площадку текучести имеют не все стали, поэтому для них определяется условный предел текучести . При испытании его величина соответствует остаточной деформации 0,2%.

Участок 4 – 5 называется зоной упрочнения стали. На этом участке при увеличении напряжений происходит рост как упругих, так и пластических деформаций. Несмотря на развитие пластических деформаций, эту стадию работы строительных конструкций используют при расчетах, вызывающих интерес с точки зрения экономии стали.

Точка 5 вторая, после предела текучести, из важнейших механических характеристик стали. В этой точке напряжения достигаю максимального значения, и они называются пределом прочности или временным сопротивлением .

Важнейшей характеристикой пластичности сталей является относительное остаточное удлинение при разрыве

, (5.4)

где - первоначальная длина образца;

- остаточная длина образца после разрыва.

Материалы, обладающие значительной величиной относительного остаточного удлинения при разрыве , называются пластичными. Материалы, у которых остаточное удлинение меньше 3%, относят к хрупким материалам. Для элементов строительных конструкций, как правило, необходимо применять достаточно пластичные материалы. Пластичные материалы обладают повышенным сопротивлением в условиях концентрации напряжений, ударных и тепловых нагрузок, при наличии трещин и других поверхностных повреждений.

Как следует из сравнительного анализа диаграмм напряжений различных сталей (рисунок 1), при увеличении предела прочности стали, уменьшается площадка текучести, а для некоторых сталей она отсутствует. Кроме того, для более прочных материалов характерно уменьшение остаточного удлинения при разрыве . Это означает, что более прочные стали, как правило, менее пластичны, у них снижается надежность при динамических нагрузках, увеличивается способность к хрупкому разрушению.

· Ударная вязкость стали. Это еще одна характеристика хрупкости и пластичности сталей, необходимая для правильного выбора материалов строительных конструкций. Она обязательно учитывается при оценке свойств сталей в конструкциях, работающих при динамических нагрузках, например, при больших скоростях нагружения или при ударных нагрузках. Принципиальная схема испытаний на удар показана на рисунке 2. В основу методики испытаний положено представление о том, что для более хрупких материалов при разрушении затрачивается меньше энергии, чем для пластичных материалов. Надрез образца позволяет сосредоточить всю деформацию, поглощающую энергию удара, в срединном сечении.

Рисунок 2. Схема образца для определения ударной вязкости.

Рисунок 3. Схемы испытательных машин (маятниковых копров) для создания ударной нагрузки.

Для испытаний на ударную вязкость сталей используются специальные маятниковые копры (рисунок 3). Перед испытанием маятник поднимают на исходную высоту . Падая с этой высоты маятник ударяет образец, разрушает его и взлетает на высоту . Работа на разрушение образца определяется по разности потенциальной энергии маятника до разрушения и после разрушения

, (5.5) где - высота копра до разрушения;

– высота копра после разрушения.

Ударная вязкость определяется отношением работы , необходимой для разрушения образца, к площади его поперечного сечения

. (5.6)

Для сталей ударная вязкость лежит в пределах . Материалы с ударной вязкостью относятся к числу хрупких.

· Ползучесть – свойство материала деформироваться при постоянных нагрузках в условиях повышенных температур. Свойство ползучести проявляется у углеродистых сталей при температуре выше , а для легированных сталей при температуре выше .

· Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации при внедрении в него индентора из более твердого материала. Показатели твердости связаны с показателями прочности и пластичности и могут служить для косвенной оценки механических свойств материалов. На практике широкое распространение получили пробы твердости по Бринелю и Роквеллу. Твердость по Бринелю обозначается и определяется диаметром отпечатка при вдавливании в материал твердого шарика диаметром 10 мм под нагрузкой 30 кН. Твердость по Бринеллю принимается равной напряжению сжатия на поверхности полученного отпечатка

, (5.6)

где – сила вдавливания шарика;

– диаметр вдавливаемого шарика;

– диаметр отпечатка на поверхности материала.

Твердость по Роквеллу обозначается (по шкале С) и определяется как разность глубины проникновения алмазного конуса от основной нагрузки (1,5 кН) и от предварительной (0,1 кН). Твердость по Роквеллу применяют для контроля более твердых, как правило, закаленных элементов конструкций. Важно отметить, что в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

· Концентрация напряжений – повышение опасности разрушений из-за концентратов напряжений: отверстий, надрезов, выточек и т.п. Например, при растяжении полосы с отверстием (рисунок 4) закон равномерного распределения напряжений вблизи отверстия нарушается, у края отверстия появляется пик осевого напряжения . Основным показателем концентрации напряжений является теоретический коэффициент концентрации напряжений

. (5.7)

Рисунок 4. Схема концентрации напряжений у отверстия.

Концентрация напряжений менее опасна, если в зоне концентратора могут проявляться пластические свойства стали. В этом случае при достижении максимальными напряжениями предела текучести _т происходит выравнивание напряжений у концентратора из-за наличия площадки текучести на диаграмме напряжений материала.

· Усталостное разрушение металла происходит под воздействием многократно повторяющихся нагрузок. Процесс постепенного накопления микропластических деформаций приводит к образованию микротрещин. На следующей стадии происходит длительный рост трещины, т.е. медленное, но стабильное увеличение размеров трещины за каждый цикл переменного нагружения. Усталостное разрушение материала и конструкции в целом опасно тем, что существуют критические размеры трещины, при достижении которых начинается неконтролируемый рост трещины, при этом конструкция разрушается практически мгновенно.

Способность материала сопротивляться повторно-переменным нагрузкам называется выносливостью материала. Максимальное напряжение, при котором материал будет работать не разрушаясь любое произвольно большом числе циклов нагружений, называется пределом выносливости материала .

Предел выносливости определяется экспериментально на специальных испытательных машинах. Наиболее распространенными являются испытания вращающихся цилиндрических образцов на чистый изгиб. За один оборот образца получается один синусоидальный цикл нагружения. Нагрузка на образец постепенно снижается, а число циклов нагружений до разрушения растет. Опыт испытаний стальных образцов показывает, что если образец не разрушился до 10⁷ циклов, то он не разрушится и при более длительном испытании. Такое число циклов называется базой испытаний.

Дата добавления: 2014-12-26