Вплив температури

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. 2.8. 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.

2.8.2. Старіння

Старінням називають зміну властивостей сталі в часі в результаті видалення з твердого розчину надлишкових компонентів (вуглецю, азоту та ін.), які утворюють з’єднання з залізом. В процесі старіння зменшується пластичність і підвищується крихкість матеріалу. Одночасно сталь стає більш міцною. Розрізняють термічне старіння (при нагріванні або нормальній температурі) і деформаційне. При розрахунках конструкцій природне старіння сталі не враховується.

2.8.3. Концентрація напружень

При одноосному напруженому стані гладкого зразка силовий потік у зразку розподіляється рівномірно. Якщо в зразку зробити отвір або проріз, то лінії силового потоку будуть огинати ці перешкоди і поблизу них будуть зкупчуватись – виникає концентрація напружень (рис. 2.9).

Концентрація напружень характеризується коефіцієнтом концентрації:

,

де s_max – максимальне напруження в перерізі зразка в місці порушення форми (в місці концентратора);

s_o – напруження в перерізі аналогічного зразка без концентратора напружень.

Рис.2.9. Явище концентрації напружень: а – зразки з концентраторами

напружень; б – епюри напружень в місцях концентраторів

Чим вищий рівень концентрації напружень, тим менші пластичні деформації при руйнуванні, а залежність напружень від деформацій наближається до діаграми крихкого руйнування.

2.8.4. Стомленість металу

Якщо метал піддавати дії багатократно повторного навантаження, то виникає явище стомленості, яке проявляється у зниженні міцності металу. Здатність металу чинити опір руйнуванню внаслідок стомленості називається витривалістю. Максимальні напруження, що виникають в стані стомленості, обмежуються вібраційною міцністю .

Вібраційна міцність залежить від кількості циклів навантажень та їх характеру.

Циклом називається зміна напружень в часі від -s_max до +s_max. Розрізняють (рис.2.10): 1) повний симетричний цикл (при зміні напружень від -s_max до +s_max); 2) повний асиметричний цикл (при зміні напружень від 0 до +s_max).

Рис.2.10. Графіки зміни напружень в часі при цикловому навантаженні

Залежно від того, в яких межах знаходяться напруження при циклічних навантаженнях, розрізняють два випадки:

Випадок 1 - .

Руйнування конструкції відбувається при малому числі циклів навантажень (в межах від одиниць до сотень) внаслідок нарощування залишкових деформацій , які призводять до крихкого руйнування конструкції. Таке руйнування називається малоцикловою стомленістю. Приклад – руйнування дроту, якщо його гнути декілька разів в різні сторони.

Випадок 2 – .

Це основний випадок для МК. Прикладом конструкції, що працює при симетричному циклі, є вісь колісної пари вагону (рис. 2.11).

Рис.2.11. Приклад повного симетричного циклу

При обертанні осі вагону точка “С” послідовно займає положення 1-2-3-4 і напруження в ній змінюються від +s до -s.

Прикладом конструкції з асиметричним циклом є поперечна балка моста. При наїзді на неї колісної пари напруження в її перерізі досягають максимуму, а при відсутності навантаження – падають до нуля (але знаку не змінюють).

Чим більше циклів навантажень, тим нижчою стає вібраційна міцність металу. Зі збільшенням циклів навантажень вібраційна міцність сталі знижується до певної величини, яка називається межею витривалості s_вт (це найменше значення s_вб).

Рис.2.12. Графік залежності s_вб від кількості циклів

Прийнято, що межі витривалості сталі відповідає приблизно 2 млн. циклів прикладання навантажень. Подальше збільшення циклів навантаження майже не позначається на межі витривалості.

На відміну від сталей, у алюмінієвих сплавів спостерігається неперервне зниження вібраційної міцності зі збільшенням числа циклів (див. графік, рис.2.12).

Стомлене руйнування відбувається раптово. При цьому воно починається з утворення невидимої мікротріщини, яка поступово розростається і відіграє роль різкого концентратора напружень. В місці тріщини поступово зменшується переріз, а коли він стає недостатнім для сприйняття навантаження – відбувається крихке руйнування.

Явище стомленості проявляється в конструкціях, які піддаються динамічним навантаженням (мости, естакади, підкранові балки та ін.), і повинно враховуватися при розрахунках.

Зміна температури впливає на механічні властивості сталі. При від’ємних температурах міцність сталі дещо підвищується, але зменшується пластичність. Маловуглецеві сталі можуть використовуватися при температурі не нижче –45…-50°С, а низьколеговані – при температурі не нижче –55…-60°С.

При підвищенні температури до 250°С механічні властивості сталі практично не змінюються. При температурі 300…330°С сталь стає крихкою. При більш високих температурах крихкість зникає, але відбувається різке падіння значень s_у та s_u. А при t = 600…650°С настає так звана температурна пластичність, коли межа текучості наближається до нуля.

Таким чином, нагрівання МК під час пожеж надзвичайно небезпечне і приводить до швидких деформацій конструкцій та їх руйнування. А тому протипожежному захисту МК слід приділяти особливу увагу.

2.9. Корозія металевих конструкцій та методи боротьби з нею

Конструкції, виготовлені із сталі, піддаються корозії в процесі їх експлуатації. Корозія – це руйнування металу під дією зовнішнього середовища, що призводить до зменшення поперечного перерізу та несучої здатності елементів.

Розрізняють хімічну (в результаті безпосереднього впливу на метал агресивних рідин або газів) та електрохімічну корозію (під впливом вологи та атмосфери на поверхневий шар металу).

Корозія проявляється у вигляді іржі. На швидкість корозії впливає форма поперечного перерізу та ступінь агресивності середовища. Інтенсивність корозії збільшується з накопиченням пилу на поверхні конструкції та при періодичному її змочуванні.

Втрати металу внаслідок корозії перевищують втрати від руйнування конструкцій внаслідок недостатньої несучої здатності. Тому захисту від корозії слід приділяти особливу увагу. Основні захисні заходи наступні:

1) проектувати МК з найменшою зовнішньою поверхнею, без вузьких щілин і пазух, із перерізами, які не утримують пилу та вологи, відкритими для огляду та фарбування;

2) високоякісно загрунтовувати виготовлені конструкції, покривати їх вірно підібраним лако-фарбовим покриттям;

3) періодично очищати та фарбувати МК у процесі експлуатації;

4) застосовувати дешеві спеціальні атмосферостійкі сталі (наприклад, 10ХНДП), а також інші низьколеговані сталі, що містять мідь, хром, нікель (літерою “П” в марці сталі позначається фосфор. На поверхні таких сталей утворюється тонка окисна плівка, яка має достатню міцність і захищає сталь від розвитку корозії. Такі сталі використовуються в конструкціях, що піддаються атмосферним впливам. Одночасно в таких сталях знижується здатність до зварювання та знижується пластичність при низьких температурах);

5) покривати сталі шаром стійкого до корозії металу (цинком або чистим алюмінієм).

2.10. Сортамент сталі

Сортаментом називається перелік первинних елементів МК із зазначенням розмірів, геометричних характеристик перерізів і маси довжиною в 1 м.

Перший сортамент в Росії був розроблений в 1900 р. під керівництвом професора М.О.Белелюбського і пізніше багато разів вдосконалювався.

Первинні елементи, з яких складаються МК, - це профільна та листова сталь. Профільна сталь, в свою чергу, поділяється на: 1) гарячокатані профілі, які отримують гарячою прокаткою на прокатних станах; 2) гнуті профілі, які отримують холодною прокаткою (гнуттям) тонких стальних листів.

Дата добавления: 2014-01-04