Главная | Обратная связь

Основные показатели механических свойств стали

Пластическое течение поликристалла железа происходит под воздействием касательных напряжений, путём сдвига по отдельным зёрнам кристалла. Хаотичное ориентирование громадного количества зёрен приводит к тому, что в упругой стадии такой материал работает как изотропный. При переходе в пластическое состояние при хаотичном расположении зёрен всегда находятся плоскости, по которым действует наибольшее касательное напряжение и большинство зёрен расположенных благоприятно для сдвига.

На плоскости интенсивного пластического течения поверхности изделий (образцов) видны линии текучести, называемые линиями Чернова-Людерса. Большое препятствие образования сдвигов в зёрнах феррита создают более прочные зёрна перлитов стали, поэтому прочность стали значительно больше прочности железа.

Рис. 4.2. Работа стали при растяжении (диаграмма растяжения): s_в – предел прочности;

s_Т – предел текучести.

 

Работа стали при концентрации напряжений.В местах искажения сечения и отверстий, выточек, надрезов, утолщений происходит искривление линий силового потоков и его сгущения около препятствия, что приводит к повышению напряжения в этих местах. Отношение максимального напряжения к номинальному характеризуется коэффициентом концентрации напряжений . Для выточек или отверстий =2¸3; для надрезов =6¸9.

Рис 4.3. Траектория и концентрация напряжений при наличии отверстия

 

Напряженное состояние изделия при наличии концентрации напряжений очень сложное. Однако, по характеру работы металла в изделии можно установить две основные зоны: зона резкого перепада напряжений; зона с распределением напряжений, близких к равномерному.

 

Явление хрупкости в сталях; наклеп, старение, неравномерное распределение напряжений,температурные воздействия, усталость материала. Ударная вязкость.

 

3. Явление хрупкости в сталях.

 

Ударная вязкость. Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре, образцы сечением 10´10 мм, длина 60 мм. Склонность металла к хрупкому разрушению и чувствительности к концентрации напряжений проверяется испытанием на ударную вязкость. Ударная вязкость измеряется удельной работой, затрачиваемой на разрушение образца.

В надрезанном образце напряжения распределяются неравномерно, с пиком у корня надреза. Ударное действие на образец увеличивает возможность перехода металла образца в хрупкое состояние. Температура при которой происходит спад ударной вязкости (ниже 30 Дж/см²) принимается за порог хладноломкости. Браковочное значение ударной вязкости устанавливается ГОСТ.

 

 

Рис. 4.4. Образец для испытания на ударную вязкость

Работа стали при повторных нагрузках.Например, стальная подкрановая балка за смену испытывает несколько циклов нагрузки от работы крана. При работе материала в упругой стадии, повторное нагружение не отражается на работе материала, так как упругие деформации возвратимы.

При работе материала в упруго – пластической стадии повторная нагрузка ведёт к увеличению пластических деформаций. При достаточно большом перерыве упругие свойства материала восстанавливаются и достигают пределов предыдущего цикла. При этом упругие свойства материала повышаются. Это повышение упругих свойств называется наклёпом.

Наклёп связан со старением и искажением атомной решётки кристаллов с закреплением её в новом деформированном состоянии. При этом металл становится жёстким в результате уменьшения полных остаточных деформаций. При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости металла, выражающееся в снижении его прочности.

 

 

Рис.1.2. Диаграммы деформирования стали при повторном нагружении:

а – в пределах упругих деформаций; б – с перерывом (после «отдыха»);

В – без перерыва

 

Рис.4.5. Графики повторных нагружений

 

У стали с увеличением числа нагружений прочность снижается, приближаясь к некоторой величине s_вб, при котором разрушение не происходит. Эта величина называется пределом усталостной прочности или выносливостью. При величине 2 млн. циклов усталостная прочность мало отличается от ее предела, поэтому испытания на выносливость применительно к стальным конструкциям проводятся базе 2´10⁶ циклов. Помимо числа циклов, усталостная прочность зависит от вида нагружения, который характеризуется коэффициентом асимметрии .

На вибрационную прочность влияют концентраторы напряжений. Повысить сопротивление усталостному разрушению конструкций можно рядом мероприятий: при отсутствии или незначительной концентрации напряжений в конструкции возможна замена малоуглеродистой стали на сталь повышенной прочности; в конструкции со значительной концентрацией напряжений необходимо сглаживание силового потока, предварительная вытяжка конструкций (например, обкатка подкрановых балок с допустимой нагрузкой), создание напряжений сжатия на поверхности металла (например, дробеструйная обработка), зачистка поверхности сварных швов.

 

Старение стали. С изменением температуры меняется растворимость входящих в сплав компонентов (азот, углерод и др.). При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все-таки углерод имеет стремление выделиться при благоприятных обстоятельствах.

При выделении он образует цементит, который в твёрдой среде феррита располагается между зёрнами, укрепляя прослойки между ними. Таким образом, происходит упрочнение, отличающееся от различных видов термической обработки, получается неравномерным только по границам зёрен. Укреплённые прослойки повышают предел прочности и предел текучести, а так же уменьшают пластичность и ударную вязкость.

Рассматриваемое явление называется старением стали, так как выделение компонентов (углерод, азот и др.) и изменение прочности происходят в течении достаточно длительного времени. Выделению компонентов способствуют:механические воздействия (колебания и пластические деформации, которые приводят к изменению формы зёрен).Это явление называется механическим старением. Изменения температуры, приводящие к изменению растворимости компонентов и их выделению, приводит к физико-химическому или дисперсионному старению.

Невысоким отпуском (нагревом до 150°С) можно резко усилитьпроцесс старения. Такой процесс называется искусственным старением. От совместного действия обеих причин интенсивность старения повышается.

Наибольшему старению подвержены кипящие стали, особенно крупнозернистые и весьма часто, загрязнённые посторонними примесями.

Поскольку при старении увеличивается хрупкость, механические характеристики материала не используются при работе стальных конструкций

 

Рис.4.6. Характеристики асимметрии напряжений

 

Основы метода расчета конструкций по предельным состояниям. Нормативные и расчетные нагрузки, их классификация.