Вплив умов роботи конструкцій (зміна мікроструктури в часі, швидкість навантаження, температура й агресивність середовища) на властивості та характер руйнування металу

1.Вплив умов роботи конструкцій (зміна мікроструктури в часі, швидкість навантаження, температура й агресивність середовища) на властивості та характер руйнування металу.

До лекції 2:   2 години самостійної роботи,( 3, стор. 35 – 50).

         Структура і робота сталі і алюмінієвих сплавів під навантаженням

Сталь при пружній роботі поводиться як типово квазіізотропне тіло: чим зерна дрібніші і чим їх число більше, тим сталь більш ізотропна. Модулі пружності фериту по різних напрямках змінюються від 29 000 до 13 500 кг/мм², складаючи в середньому приблизно 19 000 кг/мм². Межа міцності фериту в середньому дорівнює всього 25 кг/мм² при відносному подовженні 50%, межа міцності цементита 80—100 кг/мм² при подовженні 1%; таким чином, цементит майже абсолютно крихкий. Перлит має середні характеристики між феритом і цементитом.

Структура низьколегованных сталей, які також складаються з фериту і перлиту, аналогічна структурі сталі С235. Як вже було відзначено, низьколеговані сталі містять мало вуглецю і підвищення їх міцності відбувається за рахунок легуючих добавок (марганцю, кремнію, нікелю, хрому і т. д.), які, як правило, знаходяться в твердому розчині з феритом і цим його зміцнюють; деякі з них, окрім того, утворюють карбіди і зміцнюють також прошарки між зернами фериту. Розпад аустеніту і утворення фериту в низьколегованих сталях відбувається при більш низьких температурах, ніж у сталі 3 (500—450°).

Мал.  1. Мікроструктура сталі

 Робота сталі під навантаженням як наслідок її структури

Робота сталі в значній мірі залежить від міцності і роботи контактних поверхонь і прошарків між зернами. В окремих зернах фериту пластичні деформації починаються вельми рано, значно раніше, ніж напруження сталі в цілому досягають межі текучості (тому модуль пружності сталі, строго кажучи, не є постійним). Проте ці деформації стримуються в своєму розвитку опорами контактних поверхонь (більш міцних, ніж самі зерна), прошарків між зернами і перлитових включень. Після досягнення сталлю межі пропорційності число зерен, що перейшли в пластичний стан, стає настільки великим, що воно помітно позначається на нахилі кривої діаграми розтягування. На межі текучості в маловуглецевих (С < 0,2%) і низьколегованих сталях опори не дуже могутніх перлитових включень, прошарків і контактних поверхонь

вичерпуються; енергія, накопичена в кристалітах фериту від стримуючого впливу міжкристалічних опорів, виявляється зовні, відбувається загальний зсув, з'являється площадка текучості). Таким чином, площадка текучості є результатом запізнювання пластичних деформацій в зернах фериту внаслідок стримуючого впливу вказаних чинників. З цієї причини в дрібнозернистих сталях площадка текучості виявляється більш протяжною, а межа текучості більш високою, оскільки контактних опорів на межах зерен в дрібнозернистій сталі більше, ніж в грубозернистих.

Площадка  текучості з'являється далеко не у всіх сталей: в сталях, що містять дуже мало вуглецю (С<0,1%), площадка текучості звичайно не з'являється, оскільки незначні  включення і прошарки не можуть зробити стримуючого впливу на зерна фериту; в сталях, достатньо вуглецевих  (С = 0,3%)  або високолегованих,    площадка  текучості також не з'являється, оскільки перлитові включення в цих сталях досягають значної величини (за розмірами одного   порядку із зернами фериту) і весь час стримують деформації фериту, — сталь стає більш жорсткою при збільшенні змісту вуглецю.

Таким чином, площадка  текучості є особливістю невеликої групи сталей, до яких відносяться і будівельні   стали. Для сталей,  що    не мають площадки текучості, за умовну межу текучості приймають напруження, яке відповідає подовженню в 0,2%.

При пластичній роботі сталі зсуви виявляються по певних напрямах, залежних від напряму силової дії і орієнтації структури фериту. Це особливо чітко помітно при деформаціях на площадці текучості при масовому розвитку зсувів, коли вони проходять через декілька кристалів, утворюючи цілі смуги.

. Видимим проявом цих смуг є лінії Чернова—Людерса, по яких при завантаженні і  при великому розвитку пластичних деформацій відскакує окалина або слабо нанесена фарба. Ці смуги з'являються на деякій відстані один від одного і можуть бути встановлені прямим спостереженням   і безпосередніми вимірюваннями.

. Між смугами сталь зберігає свої пружні властивості; зберігаються пружні властивості сталі також і по напрямах, не співпадаючих з напрямом зсувів. Безпосередніми дослідами було доказано, що якщо після розвитку значних пластичних деформацій в одному напрямі зразок знов піддати завантажению того ж знаку, але в іншому    напрямі, то сталь знову працює пружно при тім же модулі пружності).

Якщо нове навантаження має знак, протилежний попередньому, сталь також знову стає працездатною, але новий модуль пружно-пластичних деформацій значно нижчий за первинний. Такі завантаження, коли навантаження    змінюються по різних    законах, називаються складними; робота сталі при складному   завантаженні більш сприятлива, ніж при простому. Звичайна робота конструкції відповідає складному завантаженню,  тому вказана обставина    дає додаткові запаси міцності.

Проте теорія, що враховує розвиток пластичних деформацій при складних    завантаженнях,    ще не розроблена.