Негативно влияют на прочность конструкций концентраторы напряжений. К концентраторам относятся любые изменения формы образца (отверстия, надрезы)

В гладких образцах правильной формы напряжения во всех сечениях распределяются равномерно, а силовые линии прямолинейно.

Рис. 4.21. Траэктории главных напряжений и их концентрация в местах изменения сечения.

Если в плоском образце сделать отверстие или надрез, линии силового потока будут отклоняться, искривляться и обтекать новые границы. Факторы, вызывающие искривление плавного силового потока, называют концентраторами и у таких мест происходит концентрация напряжений.

Увеличение плотности линий силового потока указывает на повышение напряжений в этих местах. В силу действия принципа Сен-Венана, концентрация напряжений сравнительно быстро затухает с удалением очага концентрации. (Одним из первых ученых, пришедших к понятиям концентрации и концентраторов напряжения был Леонардо да Винчи). Отношение максимального напряжения в месте концентрации к условному, равномерно распределенному в данном сечении называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации определяется либо при помощи методов теории упругости (только для определенного класса задач), либо экспериментально. Экспериментальное изучение концентрации напряжений основано на исследовании траекторий напряжений вблизи отверстий. Здесь наибольшее распространение получил оптический метод. Наименьшую величину коэффициент концентрации имеет у круглых отверстий a = 2-3. Величина этого коэффициента увеличивается с уменьшением радиуса надреза r. Теоретически в точках, соответствующих вершине острого угла, напряжения равны бесконечности. Практически же за счет пластических деформаций они конечны, но достигают очень больших значений. Т.е. можно считать, что при r ® 0 (надрез типа трещины) a ® ¥, что может вызвать рост трещины. Чтобы этого не допустить, часто производят рассверливание ее концов, тем самым снижая коэффициент концентрации напряжений.

Но, даже при самом благоприятном распределении линий силового потока в образце с нарушенной сплошностью, напряжения у мест концентрации напряжений превышают условные равномерно распределенные» в 3 раза.

Почему же такой образец не разрушается и более того, может нормально эксплуатироваться? Ответ на этот вопрос может дать теория дислокации. Для того, чтобы нарушить сплошность образца, его нужно подвергнуть механическому воздействию. Любое механическое воздействие ведет к созданию новых дефектов кристаллической решетки, т.е. – к увеличению плотности дислокаций в этом месте, что резко снижает возможность их движения. Как известно, блокировка движения дислокаций ведет к увеличению прочности стали и снижению пластических сдвигов. Поэтому у мест концентраторов напряжений наблюдается увеличение прочностных характеристик материала и снижение пластичности. Итак, с одной стороны, нарушение сплошности образца вызывает концентрацию линий силового потока и увеличение напряжений в определенных местах. С другой стороны, отклонение силовых линий от прямой говорит о существовании напряжений, действующих как минимум в двух направлениях. Т.е. имеет место плоское (двухосное) напряженное состояние, возникающее исключительно в результате конструктивных изменений границ контура. Из курса сопротивления материалов известно, что при плоском напряженном состоянии экстремальные касательные напряжения при разных знаках главных напряжений равны

t_max = (s₁ - s₂)/2

Таким образом, чем больше вторая составляющая напряжений (резче изменение границ контура), тем меньше величина касательных. Текучесть же материала в значительной степени является следствием сдвигов под влиянием касательных напряжений t. Поэтому в зонах концентрации напряжений пластичность снижается и если s₁ = s₂, то t = 0 и разрушение может произойти в виде хрупкого излома.

Итак, при нарушении сплошности опасным является не само отверстие или любое другое ослабление, учесть которое всегда можно введением в расчет геометрических характеристик нетто, а связанные с ним концентрация напряжений и неизбежный переход систем в хрупкое состояние.

Большое количество аварий стальных конструкций связано с явлением концентрации напряжений и переходом стали в хрупкое состояние.

Определить расчетом величину напряжений у очагов концентрации чрезвычайно трудно. Поэтому, чтобы предотвратить разрушение от концентрации напряжений и переход стали в хрупкое состояние, необходимы конструктивные мероприятия, обеспечивающие плавное распределение линий силового потока.

Склонность стали к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрациям напряжений оцениваются по ударной вязкости.

Ударная вязкость – это работа, необходимая для разрушения стандартного образца с надрезом, что отнесенная к поперечному перерезу.

Разрушение образца происходит ударным изгибом.

Рис. 4.22. Образец для испытания на ударную вязкость.

Значение ударной вязкости зависит не только от состава и структуры стали, но и от температуры. Со снижением температуры ниже 0°С значение ударной вязкости резко падает.

Рис. 4.23. Ударная вязкость стали: 1 – Ст3сп; 2 – Ст3кп; 3 – 10Г2С1.

Температура, при которой происходит уменьшение ударной вязкости меньше, чем 0,3 МДж/мм‑ имеет название порог хладноломкости.

Очень сильно уменьшается ударная вязкость после старения стали. Для строительных сталей значение ударной вязкости при разных температурах и после старения приведены в нормативных документах.

Снижение показателя ударной вязкости ниже 0,3 МДж/ммне допускается.

Работа стали при сложном напряженном состоянии.

В случае сложного напряженного состояния (например, плоского напряженного состояния, когда образец растягивается в двух направлениях, или при общем действии нормальных и касательных напряжений при изгибе) работу металла принято оценивать по приведенным напряжениям, вычисленным по энергетической теории

,

где s и t? – соответственно нормальные и касательные напряжения.

Вид напряженного состояния влияет на механические характеристики металла.

Диаграммы деформации постоянные при разных напряженных состояниях:

	1. s1 ¹ 0 s2 = s3 = 0 2. s1 > 0 s2 < 0 s3 = 0 3. s1 > 0 s2 > 0 s3 = 0 s1 > 0 s2 > 0 s3 > 0
Рис. 4.24. Диаграммы деформации стали при разных напряженных состояниях.

Однозначные плоское и объемное напряженные состояния (кривые 3, 4) значительно снижают относительное удлинение металла, но повышают характеристику прочности.

Напряжения разных знаков способствуют развитию пластических деформаций (кривая 2), но ухудшают характеристики прочности. Таким образом, можно сказать, что сложное напряженное состояние всегда ухудшает эксплуатационные качества металла. В первом случае повышается хрупкость металла, во втором – снижается его прочность.

В случае простого изгиба при действии нормальных и касательных напряжений приведенные напряжения вычисляются

Для плоского напряженного состояния

Для объемного напряженного состояния через главные напряжения s₁ s₂ s₃

Работа стали во времени; старение металла.

Старением называют свойство материала изменять свою структуру и свойства со временем. Это связано с тем, что, невзирая на небольшую растворимость углерода в феррите, со временем атомы углерода диффузируют к границам зерен. Количество хрупкого карбида железа увеличивается. Вследствие этого вырастает прочность стали, но снижаются ее пластичность и сопротивление хрупкому разрушению, динамическим нагрузкам. Старение ускоряется под действием переменных напряжений, повышении температуры.

Работа стали при изменении температуры.

При росте температуры уменьшаются значения модуля упругости, предела текучести и прочности стали. При температуре 600°С предел текучести и модуль упругости приближаются к нулю.

Низкие температуры повышают хрупкость стали потому, что ухудшаются пластические свойства металла. При температурах ниже -10°С пластичность заметно уменьшается.

4.2.3.3. Работа стали при повторных нагрузках

Если загрузить стальной образец растягивающей внешней нагрузкой до уровня, вызывающего напряжения, равные пределу упругости s_уп, затем разгрузить, дать полностью восстановиться упругим деформациям, а затем загрузить сжимающей нагрузкой до уровня, вызывающего напряжения, равные - s_уп и затем снять внешнее воздействие, то такие повторные загружения в пределах упругих деформаций не изменяют вида диаграммы работы металла, т. е. разгрузка следует по линии нагрузки.

Дата добавления: 2014-01-07