Работа стали на 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)

Содержание

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

Работа стали при сложном напряженном состоянии

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Сложное напряженное состояние характеризуется наличием двух или трех главных нормальных напряжений s1, s2 и s3, действующих одновременно (рис. 2.4). Если при одноосном напряженном состоянии (s1 ¹ 0; s2 = s3 = 0) пластические деформации развиваются при напряжениях, равных пределу текучести, то при сложном напряженном состоянии переход в пластическое состояние зависит от знака и соотношения действующих напряжений.

При однозначном поле напряжений, когда все напряжения либо растягивающие, либо сжимающие, напряжения s2 иs3 сдерживают развитие деформаций в направлении напряжения s1. В этом случае развитие пластических деформаций запаздывает, предел текучести повышается, а протяженность площадки текучести уменьшается, возникает опасность хрупкого разрушения.

Рис. 2.4 — Сложное напряженное состояние

При разнозначных напряжениях (сжатие в одном и растяжение в другом направлении) наблюдается обратная картина. Пластические деформации начинаются раньше, чем главные напряжения достигли предела текучести одноосного нагружения. Сталь становится как бы более пластичной.

То же самое при двухосном напряженном состоянии (рис. 2.5).

1 — σ1σ2 < 0; 2 — σ1σ2 > 0; 3 — σ2 = 0

Рис. 2.5 — Работа стали при плоском напряженном состоянии

Явление текучести можно представить как процесс изменения формы тела без изменения его объема. Удельная энергия изменения формы при сложном напряженном состоянии будет равна соответствующей энергии одноосного напряженного состояния, для которого напряжение перехода стали в пластическую стадию известно и равно пределу текучести σу. Следовательно, условие перехода стали в пластическую стадию при сложном напряженном состоянии:

Левую часть этого выражения называют приведенным напряжением. Приведенное напряжение при плоском напряженном состоянии равно:

Концентрация напряжений

В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений и т. п.) происходит искривление линий силового потока и их сгущение около препятствий (рис. 2.6), что приводит к повышению напряжений в этих местах.

Рис.2.6. Траектория и концентрация напряжений у мест резкого изменения формы элемента

а -около отверстий; б -около трещины; в -в сварном соединении лобовыми швами

Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруглых выточек имеет значение 2-3. В местах острых надрезов оно выше и тем больше, чем меньше радиус кривизны надреза и чем гуще собирается в этих местах силовой поток; коэффициент концентрации в этом случае достигает значения 6-9.

Развитие пластических деформаций и разрушение при равномерном распределении напряжений происходят под воздействием касательных напряжений, наибольшее значение которых возникает на плоскостях, наклонных под углом 45° к действующей силе (зона 1). При резком перепаде напряжений (зона 2) общие сдвиговые деформации происходить не могут (из-за задержки соседними, менее напряженными участками), поэтому в этих областях металл разрушается путем отрыва по плоскостям, нормальным к действующей силе.

При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений существенного влияния на несущую способность не оказывает (не учитывая некоторого повышения разрушающей нагрузки). Поэтому при расчетах элементов металлических конструкций при таком виде воздействиях их влияние на прочность не учитывается.

При понижении температуры прочность на разрыв гладких образцов повышается во всем диапазоне отрицательных температур; прочность же образцов с надрезом повышается до некоторой отрицательной температуры, а затем понижается.

При длительном воздействии нагрузки сопротивление разрушению понижается.

Испытаниями установлено, что конструкции из низколегированных, особенно термоупрочненных сталей сопротивляются разрушению лучше, чем малоуглеродистые стали.

13:

Работа стали при изгибе

В изгибаемом элементе нормальные «напряжения распределяются по сечению неравномерно (как известно, в стадии упругой работы — по линейному закону): максимальные напряжения будут в фибровых (крайних) волокнах, по нейтральной оси они равны нулю. Если изгибающий момент будет продолжать увеличиваться, напряжения в крайних волокнах вследствие развития пластических деформаций останутся равными ат, а дополнительный момент будет восприниматься менее напряженными волокнами, расположенными ближе ^нейтральной оси. Наконец, Наступит время, когда напряжения по всему сечению балки будут равными пределу текучести — образуется так называемый шарнир пластичности и балка превратится в статически изменяемую «систему. Несущая способность балки полностью исчерпана.

Для разрезных прокатных и сварных (постоянного сече- по длине) балок, воспринимающих статическую нагрузку, закрепленных от потери общей устойчивости, а также при условии, что касательные напряжения в месте наибольшего изгибающего момента не превышают 0,3 расчетного сопротивления,нормы допускают развитие пластических деформаций.

В балках при изгибе, как известно, кроме нормальных возникают и касательные напряжения. Значения их изменяются как по длине балки, так и по высоте сечения. Так, для балки с шарнирными опорами при равномерно распределенной нагрузке на опоре изгибающий момент и нормальные напряжения равны нулю, в середине пролета М и а — максимальные. Касательные напряжения, являющиеся функцией поперечной силы, будут максимальными в опорном сечении и равными нулю в середине пролета балки.

Во всех остальных сечениях между опорой и серединой балки одновременно действуют нормальные и касательные напряжения. В этой зоне балки и в первую очередь в балках с измененным по длине сечением необходимо определять их суммарные значения — приведенные напряжения.

14-15:

25. Работа стали на растяжение. Диаграмма растяжения стали.

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.

Д РАБОТА СТАЛИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЙ еформации происходят за счет упруго возвратных искажений кристаллической решетки и исчезают после снятия нагрузки.

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.

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.).

РАБОТА СТАЛИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЙ 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.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Литература:

Daremberg, «Histoire des sciences médicales» (П., 1966).
ОФС.1.2.1.1.0003.15 Спектрофотометрия в ультрафиолетовой и видимой областях // Государственная фармакопея, XIII изд.
Baas, «Geschichte d. Medicin».
https://webkonspect.com/?room=profile&id=875&labelid=7805.
https://www.ktovdome.ru/58/369_2/103/11146.html.
https://infopedia.su/9x25f5.html.
https://studfile.net/preview/9491229/page:14/.
Puccinotti, «Storia della medicina» (Ливорно, 1954—1959).
Debjit B., Rishab B., Darsh G., Parshuram R., Sampath K. P. K. Gastroretentive drug delivery systems- a novel approaches of control drug delivery systems. Research Journal of Science and Technology;10(2): 145–156. DOI: 10.5958/2349-2988.2018.00022.0.