Работа стали на растяжение. Зависимость между напряжениями и деформациями для разных материалов устанавливается экспериментально

Диаграмма растяжения стали (см. рис. 3.1.) с содержанием углерода 0,2 - 0,3 % показывает, что линейная связь между напряжениями и деформациями сохраняется до достижения предела пропорциональности s_пц = 200 МПа. Несколько выше этой точки лежит предел упругости s_уп, соответствующий той предельной деформации, которая практически полностью исчезает после разгрузки, и ограничивающей область упругой работы стали. На этом этапе сталь работает с постоянным по величине модулем упругости Е. Далее модуль Е уменьшается и при достижении напряжением величины предела текучести (s_т = 240 МПа) становится равным нулю. Горизонтальный участок диаграммы называют площадкой текучести. Он характеризует область пластической работы стали.

Между s_в и s_т сталь работает как упруго-пластический материал. При относительном удлинении e = 2,5% течение заканчивается, наступает область самоупрочнения. При дальнейшем увеличении нагрузки сталь ведет себя как упруго-пластическое тело с переменным по величине модулем Е, удлинения продолжают нарастать, образуется шейка и при напряжениях, соответствующих временному сопротивлению, при относительном удлинении e = 21% происходит разрыв образца.

Временным сопротивлением называют условное напряжение разрыва растянутого образца.

Напряжение называют условным, потому что величину внешней силы, при которой происходит разрушение, делят не на площадь поперечного сечения в месте образования шейки, а на первоначальную площадь образца. Таким образом, временное сопротивление характеризует не напряжение в момент разрушения, а наибольшую возможную для образца нагрузку. Если бы величину внешней силы относили все время к изменяющейся фактической площади поперечного сечения в месте образования шейки, то диаграмма s - e представлялась бы кривой 1' с все возрастающими напряжениями вплоть до разрушения.

Указанная зависимость между напряжениями и деформациями на основе теории дислокаций была объяснена ранее.

Диаграммы работы на растяжение низколегированных сталей или углеродистых сталей с содержанием углерода > 0,3% показывают, что пределы текучести и временного сопротивления таких сталей увеличиваются, что можно объяснить следующим. Легирующие добавки, как известно входят в твердый раствор с ферритом, увеличивая плотность дислокаций и тем самым препятствуя их движению в кристалле и упрочняют прослойки между зернами, затрудняя выход дислокаций на границу зерна. Поэтому для того, чтобы потенциальная энергия, накопленная при прохождении дислокаций, проявилась бы вовне в виде сдвиговых деформаций, нужна большая величина внешней силы как основного источника энергии для дальнейшего продвижения дислокаций. Большое количество пришедших в движение дислокаций (в области самоупрочнения) тормозит их взаимное продвижение (вспомним, что теория дислокаций утверждает, что снижение реальной прочности связано с движением дислокаций), что ведет с одной стороны к увеличению значения временного сопротивления. Но, с другой - к некоторому снижению относительного удлинения.

Диаграмма работы мелкозернистых термоупрочненных низколегированных сталей аналогична предыдущей. В этом случае сдерживающее влияние движению дислокаций в сталях, в которых содержатся легирующие добавки, контактными силами сцепления между зернами, перлитными и карбидными прослойками и включениями, настолько велико, что потенциальная энергия накапливается в зерне феррита и вовне не проявляется практически вплоть до разрушения. Площадка текучести у таких сталей отсутствует. За условный предел текучести s_т принимают напряжения, соответствующие e = 0,2%. Величины параметров, характеризующих прочностные свойства, у таких сталей очень высоки, зато пластичность понижена.

Не имеют площадки текучести и стали с содержанием углерода <0,1%. С точки зрения теории дислокаций ее отсутствие можно объяснить следующим образом. В таких сталях, представляющих по существу зерна феррита, практически отсутствуют условия, блокирующие движение дислокаций, значит согласно теории дислокаций их реальная прочность должна быть невысокой, что подтверждает и практика. Дислокация, зародившись, под воздействием внешней нагрузки начинает двигаться к границе зерна. Поскольку на границах зерен нет сколько-нибудь мощных перлитовых прослоек, то для дальнейшего ее продвижения достаточно незначительного увеличения внешней нагрузки. По мере увеличения нагрузки все большее количество дислокаций начинает двигаться не встречая никакого противодействия, в одном направлении, сливаться, образуя пачки сдвигов, постоянно скапливающиеся в одном месте, месте образования шейки. Поскольку развитию пластических сдвигов ничего не препятствует, то такие стали являются очень пластичными.

Итак, диаграммы работы различных сталей на растяжение подтверждают, что чем выше плотность дислокаций, тем выше прочность стали и несколько ниже ее пластичность.

Что же такое дислокация - абстракция, научный вымысел или реальность. Если во времена Тейлора она была лишь теоретической моделью, то сегодня десяток методов позволяет видеть дислокацию и наблюдать за ее движением.

С течением времени наблюдается изменение свойств стали без существенного изменения ее макроструктуры, т.е. развивается процесс старения.

Процесс старения заключается в постоянном переходе из зафиксированной, менее устойчивой структуры пересыщенного твердого раствора в более устойчивое состояние. С течением времени из пересыщенного твердого раствора выделяется избыточный компонент в виде мельчайших частиц (в дисперсном состоянии). Например, в малоуглеродистых сталях выделяются включения цементита, препятствующие сдвигам

кристаллов феррита. В результате сокращается протяженность площадки текучести, несколько увеличиваются прочностные характеристики, но снижается относительное удлинение и повышается склонность к хрупкому разрушению т.е. для стальных строительных конструкций старение стали является негативным процессом. Протекание процесса старения зависит от состава стали и технологии ее изготовления.

4.2.3.2. Работа стали при неравномерном распределении напряжений (концентрация напряжений) при статической нагрузке.

В гладких образцах правильной формы напряжения во всех сечениях, удаленных от места приложения нагрузки, распределяются равномерно. Проводя траектории главных равных напряжений получим прямолинейный поток внутри образца, определяющий линейное одноосное напряженное состояние.

Дата добавления: 2014-01-07