2.20 2Ж

2.22

50 -40 -30 -20 -10 О +70 *20

Рис. 2.20. Образец для испытания на ударную вязкость (размеры, мм)

Рнс. 2.21. Ударная вязкость стали / - СтЗсп; 2 - СтЗкп. 3 - 10Г2С1

Рис. 2.22, Диаграммы деформирования стали при повторных иагружениях

а - без перерыва: б - с перерывом (после отдыха); в - многократное однозначное, г - MHoroKjiaTHoe разнозначное

Рис, 2,23, Зависимость между числом нагружении п и разрушакниим напряжением

а - для стали; б - для алюминиевых сплавов

Рис. 2.24. Характерная поверхность усталостной трещины в образце с отверстием

При работе материала в упругопластической стадии повторная нагрузка ведет к увеличению пластических деформаций (рис, 2.22) в результате необратимых искажений структуры металла предыдущим нагружением и увеличением числа дислокаций. При достаточно большом перерыве (отдыхе) упругие свойства материала восстанавливаются и достигают пределов предыдущего цикла (рис. 2.22,6). Это повышение упругих свойств называется наклепом. Наклеп связан со старением и искажением атомной решетки кристаллов и закреплением ее в

новом деформационном положении. При повторных иагружениях в пределах наклепа материал работает как упругий, но полное удлинение уменьшается в результате необратимых остаточных деформаций, полученных при первых иагружениях, т. е. металл становится как бы более жестким.

Повышение прочности благодаря наклепу используется в алюминиевых сплавах и арматуре железобетонных конструкций; в стальных конструкциях оно не используется, поскольку наклепанная сталь получается более жесткой и склонной к хрупкому разрушению.

При многократном непрерывном иагружении возникает явление усталости металла, выражающееся в понижении его прочности, приближающейся к некоторой величине Оуст, ниже которой разрушения стали не происходит (рис. 2.23,а). Эта величина называется пределом усталостной прочности (выносливости). Пределу выносливости стали отвечает примерно 10 млн. циклов нагрузки.

Однако уже при 2 млн. циклов усталостная прочность мало отличается от ее предела, поэтому испытания на выносливость применительно к стальным конструкциям обычно производятся на базе 2-10 циклов нагрузки.

Прочность алюминиевых сплавов снижается непрерывно, и такого предела, как у стали, нет (рис. 2.23,6). Поэтому для практических целей за условный предел выносливости принимают вибрационную прочность при 2-108 циклах нагрузки. Если фактическая нагрузка будет иметь большую повторяемость, то с этим необходимо считаться при проектировании, соответственно снижая расчетное сопротивление или применяя другой материал.

Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружений и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что способствует разрыхлению металла в этом месте и, наконец, образованию трещины, которая, развиваясь, приводит к разрыву. При каждом иагружении деформации в поврежденном месте нарастают. Линии разгрузки не совпадают с линиями нагрузки, образуя петли гистерезиса (см. рис. 2.22, б, г). Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре и дислокаций. В начале образования трещины металл в этом месте как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, затем трещина быстро развивается и происходит отрыв изделия без перетирания. Таким образом, поверхность излома при усталостном разрушении имеет две характерные области - гладкую истертую при образовании трещины и зернистую при окончательном отрыве (рис. 2.24).

Помимо числа циклов усталостная прочность зависит от вида нагружения, который характеризуется коэффициентом асимметрии р =

= Ommhmax (рИС. 2.25).

Для пластин из малоуглеродистой стали марки СтЗ при однозначных циклах нагружения (при р от О до ;+1, рис. 2.26, кривая 1) предел выносливости равен пределу текучести, при знакопеременных иагружениях он снижается, достигая 140 МПа при р=-1, составляя таким образом примерно 59 % предела текучести или 67 % расчетного сопротивления. На предел выносливости оказывает влияние и вид напряжения: при преобладании сжатия он выше, чем при преобладании растяжения (кривые / и 2, рис. 2.26).

Весьма большое влияние на предел выносливости оказывает концентрация напряжений; достаточно в полосе просверлить отверстие, как предел выносливости заметно снижается (рис. 2.26, кривая 3). Особенно резко снижается предел выносливости при большем значении коэффициента концентрации, например около начала флангового шва, где предел выносливости снижается при р=-1 до 40 МПа (рис. 2.26, кривая 7), т. е. составляет всего 17 % предела текучести или 19 % расчетного сопротивления.

Циклы нагрузки

Рис. 2.25, Характеристики асимметрии напряжений Циклы: а - однозначный; б - полный однозначный: в - полный разнозначный

Рнс. 2,26, Предел усталостной прочности для стали и соединений

/ - сталь марки СтЗсп с необработанной поверхностью, преобладает растяжение (такая же кривая для обработанного сварного соединения встык); 2 - то же. преобладает сжатие; 3 - сталь марки СтЗсп, полоса с отверстием, преобладает растяжение: 4 - то же, что и 1, ио сталь с пределом текучести 340 МПа; 5 - сталь марки СтЗсп, основной металл около сварного необработанного соединения встык, преобладает растяжение; 6 - то же, сталь с пределом текучести 340 МПа; 7 - сталь марки СтЗсп, основной металл около сварного соединения фланговым швом, преобладает растяжение; 8 - то же, сталь с пределом текучести 340 МПа

(Ь, МПа 300

250 200 150 100 50

-1 -0,75-0,5-0,23 О *0,25+0,5*0,75*1

Низколегированная сталь повышенной прочности с пределом текучести 340 и 400 МПа в исходном состоянии (полоса без мест концентрации напряжений) имеет предел выносливости выше, чем у стали марки СтЗсп (рис, 2,26, кривая 4). При наличии мест с концентрацией напряжений предел выносливости этих сталей в процентном отношении снижается больше, чем у стали марки СтЗсп, и достигает по абсолютной величине таких же значений, как и у стали марки СтЗсп, при полном знакопеременном цикле и при больших значениях коэффициента концентрации (сравните кривые 7, S и 5, б на рис. 2.26).

Поэтому в конструкциях, воспринимающих переменные воздействия, не всегда выгодно применять стали повышенной прочности без принятия специальных мер.

Предел выносливости стали высокой прочности с пределом текучести 450-750 МПа мало отличается от предела выносливости сталей повышенной прочности. Поэтому применение таких сталей в конструкциях, в которых может проявиться усталость, по экономическим соображениям не всегда оправдано.

До недавнего времени считалось, что усталость может вызвать только очень большое число перемен нагрузки. Однако практика показывает, что усталость может проявиться и при не очень большом числе циклов нагрузки, но при достаточно больших напряжениях, т. е. будет так называемая малоцикловая усталость, например, частое наполнение и опорожнение резервуаров большой вместимости, понижение и снятие внутреннего давления в воздухонагревателях и т. п. При числе перемен нагрузок до 10 000 поверхность излома напоминает обычный излом при однократном нагружении; при большем числе циклов излом имеет характерный вид усталостного разрушения (см. рис. 2.24).

Отрицательная температура несколько повышает предел выносливости малоуглеродистых сталей.