Главная » Книжные издания

1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 76

©

Рис. 1.12. Точечные дефекты кристаллической структуры

а - вакансия; б - атом замещения; в - атом внедрения

Ё

>

/ / -


Рис. 1.13. Краевая (а) и винтовая (6) дислокации

Расхождение между теоретической и реальной прочностью объясняется несовершенствами (дефектами) кристаллической структуры^.

Различают четыре вида дефектов кристаллической решетки: точечные (рис. 1.12), линейные (рис. 1.13), поверхностные и объемные.

К точечным дефектам относятся отсутствие атома в узле решетки - вакансия (рис. 1.12,а), наличие инородного атома в узле решетки (рис. 1.12,6), например, замещение основного атома в узле атомом легирующего элемента, а также расположение атома вне узла решетки - межузельный, или внедренный атом (рис. 1.12,в).

К линейным дефектам относятся краевые (рис. 1.13,а) и винтовые (рис. 1.13,6) дислокации.

Поверхностные дефекты включают границы зерен, двойниковые прослойки и т.д., а объемные - поры и инородные включения.

фридман Я.Б. Механические свойства металлов. - М.: Машиностроение, 1974.



П

Рис. 1.14. Зависимость напряжений сдвига от плотности дислокаций


Рис. 1.15. Микростурктура стали в месте прохождения плоскости сдвига

В окрестностях дефектов кристаллическая структура искажается и создаются поля внутренних уп-ругах напряжений.

Наибольшее влияние на механические свойства металла оказывают линейные структурные дефекты, называемые дислокациями.

Если при сдвиге одной части идеального кристалла по другой необходимо преодолеть силы межатомного сцепления между всеми атомами по плоскости скольжения, то в кристалле с нарушенной структурой перемещение происходит за счет смещения отдельных групп атомов (см. рис. 1.13,а) и требуемое усилие значительно меньше.

Прочность монокристалла зависит от плотности дислокаций и числа дислокаций на единицу объема (рис. 1.14). С увеличением числа дислокаций прочность кристалла (зерна) падает.

Однако при большой плотности дислокации начинают взаимодействовать друг с другом, затрудняя перемещения, и прочность снова возрастает.

Для повышения прочности материалов можно идти двумя путями: первый - уменьшение числа дефектов кристаллической структуры и приближение к идеальной структуре; второй - направленное изменение кристаллической решетки и повы-например с помощью легирования, пред-

шение плотности дислокации, варительной пластической деформации и т.д.

При поликристаллическом строении границы зерен создают дополнительные препятствия движению дислокаций.

Кроме феррита в структуру стали входит перлит, обладающий более высокой прочностью (см. рис. 1.5) и тормозящий движение дислокаций, что способствует увеличению сопротивления пластическим деформациям и повышению прочности стали.

Свойства монокристалла различны по разным направлениям. При большом числе хаотично ориентированных кристаллов сталь ведет себя как изотропный материал. Однако в объеме металла всегда находятся плоскости, совпадающие по направлению с площадками действия главных касательных напряжений, на которых большинство кристаллов ориентировано бла-



гоприятно для сдвига. Когда напряжения достигают предела текучести, по этим отдельным плоскостям и происходит пластическое течение (рис. 1.15). Между плоскостями интенсивного течения материал находится или в упругом состоянии, или слабо затронут пластичностью. На поверхности металла плоскости интенсивного течения образуют линии Людерса-Чернова.

Накопление больших пластических сдвигов может привести к зарождению трещины, развитие которой в конечном итоге вызывает разрушение материала.

При вязком разрушении остаточная пластическая деформация достигает нескольких десятков процентов.

Если развитие пластических сдвигов затруднено, то дислокации, скапливаясь у препятствий, сливаются вместе и образуют микротрещину. Упругая энергия, освободившаяся при образовании трещины, способствует ее распространению. Если сопротивление развитию трещины велико, например, в пластичном металле, трещина может остановиться, завязнуть . В противном случае она может увеличиваться и привести к лавинообразному разрушению тела.

Таким образом, хрупкое разрушение происходит в три стадии: зарождение микротрещины, увеличение ее до критических размеров и лавинообразное распространение и разрушение материала. При этом, в отличие от вязкого разрушения, хрупкое разрушение происходит при малых общих деформациях.

Диаграммы работы материала при вязком и хрупком разрушении показаны на рис. 1.11, г.

Основными факторами, способствующими хрупкому разрушению стали, являются:

величина зерна (крупнозернистая сталь более склонна к хрупкому разрушению, чем мелкозернистая);

повышенное содержание вредных примесей (фосфор, сера, азот, кислород, водород и т.д.);

старение;

наклеп;

низкая температура эксплуатации;

наличие поля однозначных растягивающих напряжений; концентрация напряжений; динамический характер воздействий; толщина проката.

1.4.2. Работа стали при одноосном растяжении. Работу стали при одноосном напряжении можно проследить по испытанию образца на растяжение (рис. 1.16).

В стадии I до предела пропорциональности ё р связь между напряжениями и деформациями подчиняется закону Гука (1.1) - это стадия упругой работы. Деформации происходят за счет упруговозвратных искажений кристаллической решетки и исчезают после снятия нагрузки.

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 упругопластической работы между &р и hy). Последующее увеличение напряжений приводит к интенсивному движению




i ~ ВОЗВРАТНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ >ОСТАТ0ЧНЫЕ~ДЕ ОРМДЦИИ

- ПОЛНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ

Рис. 1.16. Диаграмма растяжения стали и образование шейки

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 пластических необратимых сдвигов. При снятии нагрузки упругая часть деформации исчезает (линия разгрузки идет параллельно упругой части линии нагрузки), а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям.

Дальнейшее развитие деформации сдерживается у границ зерен. Линии сдвига искривляются, движение дислокации затрудняется, и рост деформаций возможен только при увеличении нагрузки (стадия самоупрочнения). В этой стадии (стадия 4) материал работает как упругопластический.

При напряжениях, близких к временному сопротивлению (ёи), продольные и поперечные деформации локализуются в наиболее слабом месте, и в образце образуется шейка. Площадь сечения в шейке интенсивно уменьшается, что приводит к повышению напряжений в месте сужения, поэтому, несмотря на то что нагрузка на образец снижается, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного сцепления и происходит разрыв.

На диаграмме (см. рис. 1.16) напряжения получены путем деления нагрузки на первоначальную площадь сечения. Истинная диаграмма растяжения (при напряжениях с учетом уменьшения площади сечения) не имеет нисходящей части.

Площадка текучести свойственна сталям с содержанием углерода 0,1 - 0,3%. При меньшем содержании углерода перлитовых включений мало, и они не могут оказать сдерживающего влияния на развитие сдвигов в зернах феррита.

В высокопрочных сталях при большом числе включений развитие сдвигов полностью блокируется, и они также не имеют площадки текучести. Условный предел текучести для таких сталей устанавливается по остаточному удлинению, равному 0,2%.





Рис. 1.17. Унификация диаграмм рабспы сталей

Помимо основных характеристик & у, § щ определяемых по результатам испытаний на растяжение, важными показателями сталей являются отношения предела текучести к временному сопрочвлению и предела пропорциональности к пределу текучести.

Отношение ёу/ и характеризует резерв прочности стали, поскольку рабочие напряжения в элементах металлических конструкций обычно не превышают предела текучести.

В сталях обычной и повышенной прочности это отношение близко к 0,6, что свидетельствует о достаточно большом запасе работы материала и позволяет использовать в широких пределах пластические свойства стали.

Для высокопрочных сталей предел текучести близок к временному сопротивлению (ё 02/ § и ~ 0,8-0,9), что ограничивает использование работы материала в упругопластической стадии. Отношение ё> р/ & у характеризует сопротивление малым пластическим деформациям. Если на общих перемещениях конструкций пониженное значение предела пропорциональности сказывается слабо, то на устойчивость сжатых элементов этот показатель оказывает большое влияние.

У большинства сталей ё р/ S> у составляет 0,8-0,85. Однако для термообработанных сталей при низкой температуре отпуска (ниже 600°С) сопротивление малым пластическим деформациям падает и S) р/ i> у может понизаться до 0,5. Это следует учитывать при проверке устойчивости конструкций из этих сталей.

Диаграммы работы разных сталей при растяжении существенно различаются (рис. 1.17,а) по значениям параметров. Если же построить эти диаграммы в относительных координатах ё/ёо2И £/£о2, где ё02 и £,02 - соответственно предел текучести и относительные деформации в начале площадки текучести, то различия будут достаточно малы (рис. 1.17,6), что позволяет использовать при расчетах унифицированную диаграмму (рис. 1.17,в).

В целях упрощения расчетных предпосылок при работе конструкций в упругопластической области диаграмму работы стали ё - £ без большой



погрешности и в сторону некоторого запаса можно заменить идеализированной диаграммой упругопластического тела, совершенно упругого до предела текучести и совер-шенно пластичного после него (диаграмма Прандтля, рис. 1.18).

При сжатии (имеется в виду сжатие коротких образцов, которые не могут потерять устойчивость)

- сталь ведет себя так же, как и при

растяжении, т.е. предел пропорцио-Рис. 1.18. Идеализированная диаграмма рабо- нальности, предел текучести и модуль ты стали 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 разрушиться по наклонным сечениям от среза.

Ввиду того что в упругой и упругопластической стадиях работы сталь ведет себя при растяжении и сжатии одинаково, соответствующие характеристики принимаются также одинаковыми.

Повышенная несущая способность при сжатии коротких образцов в области самоупрочнения используется при работе стали на смятие.

Как уже отмечалось (см. п. 1.2), при прокатке возникает некоторая анизотропия свойств стали вдоль и поперек направления проката. Однако эта разница невелика, и ее можно не учитывать.

В направлении, перпендикулярном плоскости прокатки листа, прочностные характеристики могут быть значительно ниже. Это объясняется как особенностями структуры стали, так и возможным расслоем проката, т.е. трещинами, параллельными поверхности листа. Пластичность стали в этом направлении также падает, относительное удлинение составляет всего 10% и ниже. Поэтому, если элементы металлических конструкций (например, фланцы) работают на растяжение в направлении толщины проката, их желательно изготовлять из более качественной стали, полученной путем электрошлакового переплава.

1.4.3. Работа стали при сложном напряженном состоянии. Сложное напряженное состояние характеризуется наличием двух или трех главных нормальных напряжений ё i, & 2 и § з, действующих одновременно (рис. 1.19).

Если при одноосном напряженном состоянии (Si=)t0;e2=&3 = 0) пластические деформации развиваются при напряжениях, равных пределу текучести, то при сложном напряженном состоянии переход в пластическое состояние зависит от знака и соотношения значений действующих напряжений.

При однозначном поле напряжений развитие пластических деформаций запаздывает, предел текучести повышается, а протяженность площадки текучести уменьшается (рис. 1.20, кривая У), повышается опасность хрупкого



3 J>

4>f

Рис. 1.19. Схема нагружения при сложном напряженном состоянии

6,КН/СМ 50

разрушения. При трехосном растяжении и §1 = &2= S3 материал разрушается хрупко без развития пластических деформаций (при трехосном сжатии разрушить металл не удается).

При разнозначных (сжатие в одном и растяжение в другом направлении) напряжениях наблюдается обратная картина. Пластические деформации начинаются раньше, чем главные напряжения достигли предела текучести одноосного нагружения (кривая 2). Сталь становится как бы более пластичной.

Условие перехода материала в пластическое состояние устанавливается на основании теории прочности .

Исследования показывают, что переход стали из упругого состояния в пластическое может быть достаточно близко описан как третьей теорией прочности - теорией касательных напряжений, так и четверной теорией - энергетической (см. п. 2.4.1). В нормах проектирования металлических конструкций соответствующие расчетные формулы получены на основании энергетической теории.

1.4.4. Работа стали при неравномерном распределении напряжений. Концентрация напряжений. При растяжении гладкого образца правильной формы напряжения во всех сечениях, удаленных от места приложения нагрузки, распределяются равномерно, и траектории главных напряжений прямолинейны.

В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, трещин и т.д.) линии главных напряжений искривляются и, обтекая границы, сгущаются (рис. 1.21). Сгущение траекторий главных напряжений характеризует повышение напряжений в этих местах, а их искривление свидетельствует о появлении двух главных напряжений ё i и Ь 2, т.е. о возникновении плоского напряженного состояния. При большой толщине элемента возникает третье главное напряжение S з, и напряженное состояние будет объемным.

30 20 10 О

1 в 12 16 20

2И 28 £,%

Рис. 1.20. Диаграммы работы стали при сложном напряженном состоянии

/ - однозначное поле напряжений; 2 - разнозначное поле напряжений; 3 - одноосное растяжение

Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1979



РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ


Рис. 1.21. Концентрация напряжений в местах резкого изменения формы элемента

а - около отверстия; б - около трещины

Неравномерность распределения напряжений характеризуется коэффициентом концентрации

к = ё> max/ ё и,

(1.5)

где (§ max - максимальное напряжение в месте концентрации; 8 н - NlAo - номинальное напряжение в ослабленном сечении; Аь - площадь ослабленного сечения.

Значение коэффициента концентрации зависит от радиуса кривизны г (остроты) надреза. Чем меньше радиус надреза, тем выше коэффициент концентрации. Так, у круглых надрезов к = 1,5-3, у острых он может достигать 6-9. Теоретически при г О (надрез типа трещины) в идеально упругом материале коэффициент концентрации стремится к бесконечности.



г

Рис. 1.22. Диаграммы растяжения образца с концентратором напряжений (N - нагрузка, Д - удлинение)

/ - гладкий образец; 2 - образец с круглым отверстием; 3 - образец с трещиной

При резком перепаде напряжений и однозначном поле растягивающих напряжений пластические сдвиги затруднены. Соседние менее напряженные участки сдерживают их развитие. Чем выше концентрация напряжений, тем меньше пластические деформации (рис. 1.22). Разрушение происходит путем отрыва и носит хрупкий характер.

Однако, как показывает рентгенографический анализ, даже при остром концентраторе напряжений (кривая 3 на рис. 1.22) в зоне отрыва имеются участки с ярко выраженным пластическим течением. Поэтому такой отрыв называют техническим.

При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений в большинстве случаев существенного влияния на несущую способность не оказывает (если не учитывать некоторое повышение разрушающей нагрузки). Поэтому в расчетах элементов металлических конструкций влияние таких воздействий 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, поэтому концентрация напряжений особенно опасна в конструкциях, эксплуатируемых при низких температурах.

Крайне неблагоприятное влияние на прочность при концентрации напряжений оказывают динамические воздействия, а также резкое снижение температуры, носящее характер температурного удара.

1.4.5. Работа стали при повторных нагрузках. При работе материала в упругой стадии повторное загружение не отражается на работе материала, поскольку упругие деформации обратимы.

При повторном загружении металла в упругопластической области возникает наклеп (см. п. 1.3.2). Область упругой работы увеличивается, а пластичность падает. Сталь становится более хрупкой.

Многократное (миллионы раз) повторное нагружение может привести к разрушению при напряжениях меньше, 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 ё вб.

Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что способствует разрыхлению




Рис. 1.23. Зависимость вибрационной прочности ё вб от числа циклов п для стали U) и алюминиевых сплавов (2)

металла в этом месте и, наконец, образованию трещины, которая, развиваясь, приводит к разрыву. При каждом нагружений деформации в поврежденном месте нарастают. Линии разгрузки не совпадают с линиями нагрузки, образуя петли гистерезиса (см. рис. 1.9,0). Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре и дислокаций. В месте образования трещины металл как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, затем трещина быстро развивается, и происходит разрыв. Таким образом, поверхность излома при усталостном разрушении имеет две характерные области - гладкую истертую при образовании трещины и зернистую при окончательном отрыве, а процесс усталостного разрушения проходит три стадии: циклическое нагружение до образования трещины, рост трещины и хрупкий излом.

Вибрационная прочность зависит от числа циклов загружения п (рис. 1.23), вида загружения, который характеризуется коэффициентом асимметрии jo = § min/ S max, где S max И S min - соответственно наибольшее и наименьшее по абсолютному значению напряжения (рис. 1.24).

При большом числе циклов кривая вибрационной прочности (кривая Веллера) асимптотически приближается к некоторому пределу, называемому пределом выносливости (усталости) (см. рис. 1.23, кривая ]). При 2 млн. циклов вибрационная прочность мало отличается от предела усталости, поэтому испытания для определения предела выносливости стали производятся обычно на базе 2 10 циклов нагружения.


циклы НАГРУЗКИ i


Рис. 1.24. Характеристика циклов напряжения

а - однозначный; 6 - полный однозначный; в - полный разнозначный (симметричный)



1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 76