Ползучесть сталей. Твердость сталей. Концентрация напряжений. Усталостное разрушение металла

· Ползучесть – свойство материала деформироваться при постоянных нагрузках в условиях повышенных температур. Свойство ползучести проявляется у углеродистых сталей при температуре выше , а для легированных сталей при температуре выше .

· Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации при внедрении в него индентора из более твердого материала. Показатели твердости связаны с показателями прочности и пластичности и могут служить для косвенной оценки механических свойств материалов. На практике широкое распространение получили пробы твердости по Бринелю и Роквеллу. Твердость по Бринелю обозначается и определяется диаметром отпечатка при вдавливании в материал твердого шарика диаметром 10 мм под нагрузкой 30 кН. Твердость по Бринеллю принимается равной напряжению сжатия на поверхности полученного отпечатка

, (5.6)

где – сила вдавливания шарика;

– диаметр вдавливаемого шарика;

– диаметр отпечатка на поверхности материала.

Твердость по Роквеллу обозначается (по шкале С) и определяется как разность глубины проникновения алмазного конуса от основной нагрузки (1,5 кН) и от предварительной (0,1 кН). Твердость по Роквеллу применяют для контроля более твердых, как правило, закаленных элементов конструкций. Важно отметить, что в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

· Концентрация напряжений – повышение опасности разрушений из-за концентратов напряжений: отверстий, надрезов, выточек и т.п. Например, при растяжении полосы с отверстием (рисунок 4) закон равномерного распределения напряжений вблизи отверстия нарушается, у края отверстия появляется пик осевого напряжения . Основным показателем концентрации напряжений является теоретический коэффициент концентрации напряжений

.

Рисунок 4. Схема концентрации напряжений у отверстия.

Концентрация напряжений менее опасна, если в зоне концентратора могут проявляться пластические свойства стали. В этом случае при достижении максимальными напряжениями предела текучести _т происходит выравнивание напряжений у концентратора из-за наличия площадки текучести на диаграмме напряжений материала.

· Усталостное разрушение металла происходит под воздействием многократно повторяющихся нагрузок. Процесс постепенного накопления микропластических деформаций приводит к образованию микротрещин. На следующей стадии происходит длительный рост трещины, т.е. медленное, но стабильное увеличение размеров трещины за каждый цикл переменного нагружения. Усталостное разрушение материала и конструкции в целом опасно тем, что существуют критические размеры трещины, при достижении которых начинается неконтролируемый рост трещины, при этом конструкция разрушается практически мгновенно.

Способность материала сопротивляться повторно-переменным нагрузкам называется выносливостью материала. Максимальное напряжение, при котором материал будет работать не разрушаясь любое произвольно большом числе циклов нагружений, называется пределом выносливости материала .

Предел выносливости определяется экспериментально на специальных испытательных машинах. Наиболее распространенными являются испытания вращающихся цилиндрических образцов на чистый изгиб. За один оборот образца получается один синусоидальный цикл нагружения. Нагрузка на образец постепенно снижается, а число циклов нагружений до разрушения растет. Опыт испытаний стальных образцов показывает, что если образец не разрушился до 10⁷ циклов, то он не разрушится и при более длительном испытании. Такое число циклов называется базой испытаний.

Таким образом, предел выносливости это наибольшее напряжение цикла нагружения, при котором образец не разрушается до базы испытаний.

·. Старение – постепенное изменение свойств материала с течением времени под воздействием силовых и температурных колебаний. У стальных конструкций через определенный срок сильнее проявляются упругие качества, и снижается пластичность. В связи с этим, возникает необходимость периодической диагностики и оценки несущей способности строительных конструкций