Работа стали на одноосное растяжение
6.1. Работа стали при одноосном растяжении
Из курса «Сопротивления материалов» известно, если мы будем растягивать плоский образец из стали (рис. 6.1), то увидим, что сначала удлинение образца будут происходить пропорционально возрастанию нагрузки. На диаграмме это представлено отрезком 0-1. Далее, при возрастании нагрузки удлинение быстро нарастает – участок 1-2, а затем наблюдается только удлинение, без увеличения нагрузки – участок 2-3. Участок, где наблюдается рост деформаций, без увеличения нагрузки, называется площадкой текучести.
После образования площадки текучести при увеличении силы Р, металл снова начинает сопротивляться дальнейшему растяжению. Точка 4 соответствует наибольшей величине напряжений.
После момента, когда нагрузка достигает величины, соответствующей т.4, начинает образовываться местное сужение поперечного сечения, образуется, так называемая «шейка», которая постоянно утончается и, наконец, в точке 5 происходит разрыв образца.
Рассмотрим, что происходит со структурой стали в различные периоды работы на растяжение.
Более точно любая деформация происходит из-за изменения расстояний между атомами и искажений атомной решетки (рис. 3.1), но упрощенно можно рассмотреть процессы, происходящие в зернах феррита.
Как было отмечено выше, сталь состоит из зерен феррита в оболочке и с прослойками перлита (см. п. 3.2, рис.3.2). Феррит и перлит значительно различаются по прочности, упругости и пластичности, что и определяет работу стали под нагрузкой.
Рассматриваемую диаграмму работы стали удобнее изображать (рис. 6.2) в координатах:
- по оси ординат – напряжение;
- по оси абсцисс – относительное удлинение
Упругая работа стали – участок 0-1 (рис.6.2). При нагружении стального образца в пределах упругости, внутри зерен феррита происходят сдвиговые деформации, но упругость перлитных прослоек не дает зерну феррита свободно деформироваться (рис. 6.3, б). В упругой стадии работы деформации удлинения происходят только в результате упруго-возвратимого деформирования т.е.– после снятия нагрузки деформации исчезают, а размеры образца возвращаются к первоначальным (рис. 6.3, в, г).
Упруго-возвратимые деформации происходят до величины напряжений, называемых пределом пропорциональности – ?пц (т.1. рис. 6.2 и 6.4). Остаточных деформаций в зоне упругой работы стали нет.
На рис. 6.4 стрелками показано изменение напряжений при нагрузке до предела пропорциональности (стрелка вверх) и разгрузке (стрелка вниз).
Для малоуглеродистой стали предел пропорциональности примерно равен ?пц = 20 кН/см2. При напряжениях равных пределу пропорциональности величина временных (упругих) деформаций равна примерно ?упр= 0,02% (рис. 6.2).
В упругой области модуль упругости постоянен и равен Е = 20600 кН/см2 или 2,06х105 МПа.
Упруго-пластическая работа стали – участок 1-2 (рис. 6.2 и 6.5). При дальнейшем увеличении нагрузки пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается. В отдельных зернах феррита, в силу начальных несовершенств (дислокаций) или при больших размерах зерна, происходят большие сдвиги, которым уже не могут препятствовать оболочки и прослойки перлита. Деформации начинают расти быстрее, чем напряжения Модуль упругости на участке 1-2 постоянно меняется и уменьшается.
После снятия нагрузки (рис. 6.5 –стрелка вниз) упругая часть деформаций ?упр исчезает, а образовавшаяся необратимая пластическая деформация остается, образуя остаточные деформации ?ост. Последующее нагружение (рис. 6.5 — стрелка вверх) начинается с деформации ?ост. и график нагружения проходит параллельно отрезку 0-1, соответствующего упругой работе стали, нона расстоянии ?ост от него.
Площадка текучести – участок 2-3 (рис. 6.2). Последующее увеличение напряжений приводит к образованию сдвиговых деформаций, происходящих в большом количестве зерен феррита. Перлит не может препятствовать развитию этих сдвигов. Сдвиговые деформации, происходящие в зернах феррита, приводят к образованию линий сдвига (рис.5й,а) и образованию больших необратимых деформаций (рис.5й,б).
Металл в этот промежуток времени как бы течет, т.е. растут деформации без увеличения нагрузки. Во время течения металла на поверхности его образуются линии взаимного перемещения частиц металла — линии Людерса-Чернова.
Металл в этот промежуток времени как бы течет, т.е. развитие больших деформаций происходит без увеличения нагрузки. Начало площадки текучести ? 0,2%.
Протяженность площадки текучести составляет примерно 1,5-2%. Здесь также наблюдаются остаточные деформации. Причем упругая часть деформаций возвращается, а необратимая пластическая деформация остается, образуя остаточные деформации. Напряжение, соответствующее площадке текучести, называют – пределом текучести – ?т.
Образование площадки текучести присуще только сталям, содержащим около 0,1-0,3 % углерода. При меньшем содержании углерода получается недостаточно зерен перлита для сдерживания сдвиговых деформаций (рис.6й кривая 1).При большом содержании углерода или при большом содержании легирующих добавок зерен перлита получается много. Они полностью блокируют зерна феррита и не дают возможности развиваться по ним сдвигам (рис.6й кривая 2). Эти стали не имеют площадки текучести. Условный предел текучести у таких сталей устанавливают по остаточному удлинению 0,2 %.
В сталях повышенной и высокой прочности наличие легирующих элементов приводит к повышению прочности. Дело в том, что карбиды и нитриды легирующих элементов располагаются в теле зерен феррита и по их стыкам. Они создают дополнительное сопротивление сдвигу в зернах феррита и сдвигу всей структуры.
При этом повышается как предел текучести, так и временное сопротивление.
Зона самоупрочнения – участок 3-4. При дальнейшем нагружении развитие деформаций затрудняется более прочными и жесткими прослойками перлита. И для развития общих сдвиговых деформаций в металле необходимо преодолеть сопротивление перлита. Для этого необходимо увеличение напряжений.
Зону работы металла, где происходит вновь сопротивление внешним воздействиям, называют зоной самоупрочнения. В этой зоне металл работает как упруго-пластический. Точка 4 соответствует наибольшему напряжению, вызванному наибольшей нагрузкой. Его называют предел прочности или временное сопротивление разрушающим воздействиям – ?вр. Временное сопротивление малоуглеродистой стали возникает при деформации 15-20%.
В дальнейшем возникает местное сужение поперечного сечения, образуется так называемая «шейка» и наступает разрыв образца (линия 5-6 диаграммы).
Основные показатели, характеризующие свойства стали
- Предел текучести – ?т, – характеризующий начало развития больших пластических деформаций.
- Временное сопротивление – предел прочности – ?вр,– характеризующее предельную нагрузку, воспринимаемую материалом.
- Относительное удлинение – характеризующее пластические свойства материала.
Эти показатели обязательно приводят в сертификатах или в сопровождающей документации на каждую партию стали.
В целях упрощения расчетов конструкций без большой погрешности диаграмму работы сталей, имеющих площадку текучести, заменяют идеализированной диаграммой работы упругопластического материала. При этом принимают, что материал работает совершенно упруго до предела текучести и совершенно пластично после него (диаграмма Прандтля) (рис.8й)
Источник
Работу стали при одноосном напряжении можно проследить по испытанию образца на растяжения (рис.1.4.).
В стадии 1 до предела пропорциональности Ơр связь между напряжением и деформациями подчиняется закону Гука (Ơ=Еε) – это стадия упругой работы.
Деформации происходят за счет упруго возвратных искажений кристаллической решетки и исчезают после снятия нагрузки.
Рис.1.4. Диаграмма растяжения стали и образование шейки
При дальнейшем увеличении нагрузки (стадия 2) появляются отдельные сдвиги в зернах феррита, дислокации начинают скапливаться около границ зерен; прямая пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается (участок упруго пластической работы между Ơр и Ơy). Последующее увеличение напряжений приводит к интенсивному движению дислокаций и увеличению их плотности, развитию линий сдвига в зернах феррита; деформации растут при постоянной нагрузке. На диаграмме появляется площадка текучести (стадия 3).
Протяженность площадки текучести низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей составляет 1,5 – 2,5%.
Развитие деформаций происходит в результате упругого деформирования и необратимых пластических сдвигов. При снятии нагрузки упругая часть деформаций исчезает, а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям (линия разгрузки идет параллельно упругой части линии нагрузки).
Дальнейшее развитие деформации сдерживается у границ зерен. Линии сдвига искривляются, движение дислокации затрудняется, и рост деформаций возможен только при увеличении нагрузки (стадия 4 – самоупрочнение), материал работает как упругопластический.
При напряжениях, близких к временному сопротивлению (Ơu) продольные и поперечные деформации локализуются в наиболее слабом месте, и в образце образуется шейка. Площадь сечения шейки интенсивно уменьшается, напряжения в месте сужения растут, поэтому, несмотря на то, что нагрузка на образец снижается, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного
Сцепления и происходит разрыв.
Площадка текучести свойственна сталям с содержанием углерода 0,1-0,3%.
При работе конструкции в упругопластической области диаграмму работы стали Ơ — ε можно упростить в сторону некоторого запаса и заменить идеализированной диаграммой упругопластического тела, совершенно упругого до предела текучести и совершенно пластичного после него (диаграмма Прандтля, рис.1.5.).
Рис.1.5. Идеализированная диаграмма работы стали
При сжатии коротких образцов, которые не могут потерять устойчивость, сталь ведет себя также как и при растяжении, т.е. предел пропорциональности, предел текучести и модуль упругости совпадают.
Однако разрушить при сжатии короткие образцы, изготовленные из пластической стали, и определить временное сопротивление не представляется возможным, поскольку образец сжимается и в конечном результате расплющивается. Высокопрочные стали, с пониженной пластичностью, могут разрушаться по наклонному сечению от среза.
Так как в упругой и упругопластической стадиях работы сталь ведет себя при растяжении и сжатии одинаково, то соответствующие характеристики принимаются также одинаковыми.
Повышенная несущая способность при сжатии некоторых образцов в области само упрочнения используется при работе стали на смятие.
При работе материала в упругой стадии повторное загружение не отражается на работе, поскольку упругие деформации обратимы.
При повторном нагружении металла в упругопластической области возникает наклеп. Увеличивается область упругой работы, а пластичность падает. Сталь становится более хрупкой.
Многократное повторное нагружение может привести к разрушению при меньших напряжениях, чем временное сопротивление и даже предел текучести. Это явление называется усталостью металла, а разрушение – усталостным.
Способность металла сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью, а напряжения, при которых происходит разрушение – вибрационной прочностью Ơвб.
Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что приводит к рыхлению металла в этом месте и образованию трещин, которые развиваясь, приводят к разрыву. При каждом нагружении деформации в поврежденном месте нарастают. Линии разгрузки не совпадают с линиями нагрузки, образуя петли гистерезиса (см. рис.1.2,в). Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре и дислокаций там, где образуются трещины, металл как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, затем трещина быстро развивается и происходит разрыв.
Вибрационная прочность зависит от числа циклов загружения (рис.1.6.) и вида загружения.
При большом числе циклов кривая вибрационной прочности (кривая Вел Лера) асимметрически приближается к некоторому пределу, называемому пределом выносливости (усталости). Обычно проводят 2х106 циклов нагружения, чтобы определить выносливость, так как меньшее количество циклов мало отличается от предела усталости.
Алюминиевые сплавы не имеют предела усталости, и их вибрационная прочность при увеличении числа циклов постоянно снижается (см. рис.1.6).
Большое влияние на усталостную прочность оказывает концентрация напряжений. Так при круглом отверстии (кривая 3, рис. 1.7) предел упругости снижается в 1,4 раза, а при остром концентраторе (кривая 7) около начала флангового шва — в 3,5 раза.
Применение высокопрочных сталей в конструкциях, подвергающихся многократному воздействию повторных нагрузок, не всегда оправдывается по экономическим соображениям.
Значительное снижение усталостной прочности наблюдается даже при необработанных после огневой резки или гильотинных ножниц кромок деталей. Поэтому кромки следует обрабатывать механическим способом.
Особенно чувствительны к концентрации напряжений стали повышенной и высокой прочности.
Повысить усталостную прочность конструкции можно путем снижения концентрации напряжений (механическая обработка кромок, зачистка швов, обеспечение плавного изменения сечения и т. д.), создания в местах концентрации напряжений сжатия, например, с помощью нагрева мест концентрации, предварительной вытяжкой конструкций, обкаткой подкрановых балок кранами с допустимой перегрузкой и т. д.
——————————————————————————————————-
1. Развитие металлических конструкций, общая характеристика, область применения, достоинства и недостатки (стр.1-9).
2 . Как выбирают стали при проектировании? (9-10; 12-13).
3. Требуемые свойства металлов и их оценка (стр.10-11).
4. Классификация сталей (стр.11-12).
5. Какие факторы влияют на свойства стали? (стр.13-15).
6. Какие виды разрушения металла? (стр.15).
7. Как работает металл под нагрузкой при однократном нагружении?(стр.16-17)
8. Что такое усталость металла? Какие меры принимают для повышения усталостной прочности? (стр.18-19).
9. Что влияет на снижение усталостной прочности? (стр.19).
Источник
Если подвергнуть образец растяжению, последовательно увеличивая нагрузку Р, и производить при этом замеры получающихся удлинений ∆l, то можно построить опытную диаграмму растяжения, откладывая удлинение в функции нагрузки.
Для удобства сравнения эту диаграмму выражают в напряжениях и относительных удлинениях:
где σ — нормальное напряжение;
F — первоначальная площадь сечения образца; ε — относительное удлинение в процентах;
l0 — первоначальная длина образца.
Величина относительного удлинения зависит от длины и поперечного сечения образца и увеличивается с уменьшением отношения
. Поэтому для сохранения сравнимости результатов испытаний установлены два типа образцов — длинный и короткий — с соотношениями между длиной и площадью сечения1
Опытная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали марки Ст. 3 показана на фигуре.
Диаграмма растяжения стали марки Ст. 3
Вначале зависимость между напряжениями и относительными удлинениями определяется законом прямой линии, т. е. они пропорциональны между собой.
Это выражается линейным уравнением (зависимость Гука)
где Е — постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости при растяжении. Для стали Е = 2 100 000 кг/см2.
Пропорциональная зависимость между деформацией и напряжением имеет предел. То наибольшее напряжение в материале, при котором начинается отклонение от прямолинейной зависимости, называется пределом пропорциональности σпц.
Несколько выше этой точки лежит предел упругости σуп, соответствующий наибольшей деформации, которая полностью исчезает после разгрузки. Точное определение этой точки на кривой опытным путем затруднительно, поскольку она фиксируется моментом начала получения остаточных деформаций после снятия нагрузки, что означает переход материала в пластическую стадию.
Для малоуглеродистых сталей при нагружении выше предела пропорциональности кривая диаграммы растяжения отходит от прямой и, плавно поднимаясь, делает скачок (образуя характерный «зуб»), после чего с незначительными колебаниями идет параллельно горизонтальной оси. Образец удлиняется без приращения нагрузки, материал течет. То нормальное напряжение, практически постоянное, при котором происходит течение материала, называется пределом текучести σт.
Горизонтальный участок диаграммы, называемый площадкой текучести, для малоуглеродистых сталей находится в пределах относительных удлинений от ε = 0,2% до ε = 2,5%. Наличие у материала площадки текучести является положительным фактором в работе стальных конструкций.
В других сталях, не малоуглеродистых, переход в пластическую стадию происходит постепенно, без площадки текучести и без «зуба». Для них предел упругости и предел текучести, таким образом, принципиально не отличаются друг от друга. За предел текучести этих сталей принимается то напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2%.
При снятии нагрузки с образца, получившего пластическую деформацию, диаграмма разгрузки идет по прямой С — D параллельно упругой прямой нагрузки.
Когда относительное удлинение достигает определенной величины (ε ≈ 2,5% для Ст. 3), материал прекращает течь и становится опять способным к сопротивлению. Он как бы самоупрочняется. Однако зависимость между напряжениями и деформациями подчиняется уже криволинейному закону, с быстрым нарастанием деформаций, после чего в образце образуется шейка и, наконец, происходит полное разрушение его.
Предельная сопротивляемость материала, которая характеризует его прочность, определяется наибольшим напряжением в процессе разрушения. Это напряжение называется пределом прочности σпч (временным сопротивлением); оно условно; поскольку при построении диаграммы растяжения напряжения, относят к первоначальной площади сечения образца, не учитывая сужения и образования шейки.
Полное остаточное удлинение, замеренное после разрушения, является мерой пластичности стали.
Таким образом, важнейшими показателями механических свойств, характеризующими работу стали, являются: предел текучести, предел прочности и относительное удлинение. Эти показатели, так же как и химический состав, указываются в сертификатах, которые сопровождают каждую партию поставляемого металла.
Государственным стандартом на поставку строительной стали гарантируются следующие ее механические характеристики.
Таблица Показатели механических свойств строительных сталей
1 Н. А. Шапошников, Механические испытания металлов, Машгиз, 1951.
«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов
Источник