Выбор марки стали для конструкции. Исследование свойств монокристалла железа. Работа стали при сложном напряженном состоянии

Вопрос 1. Выбор марки стали для конструкции

На работу стали в конкретных условиях влияют следующие параметры

температура среды (понижение температуры увеличивает склонность к хрупкому разрушению;

характер нагружения (статическое, динамическое, вибрационное и пр );

вид напряжённого состояния (одноосное, плоское, объемное);

способ соединения элементов (сварка, болты, заклепки).

Наиболее высокие требования к стали предъявляются при проектировании сварных конструкций, работающих под воздействием динамических и вибрационных нагрузок, испытывающих сложное напряженное состояние. Так как для них повышена опасность хрупкого разрушения. При прочих равных условиях конструкции, не имеющие сварных соединении, могут выполняться из стали более низкого качества.

Обычно нормы проектирования содержат рекомендации по выбору стали с учетом конкретных условий эксплуатации и требований. предъявляемых к конструкциям. Окончательное назначение марки стали для конструкции выполняется но результатам технико- экономического анализа.

Вопрос 2.Влияние условий работы конструкций на свойства и характер разрушения металла.

Работа стали при одноосном растяжении

Исследование свойств монокристалла железа показало, что сдвинуть одну часть монокристалла относительно другой значительно легче, чем оторвать, поэтому пластические деформации в зернах железа протекают от сдвига. При этом сдвиг происходит но плоскостям, наиболее густо усеянным атомами. Знаясилы сцепления атомов, можно теоретически определить силы, необходимые для сдвига одной части кристалла относительно другой. Однако реальная прочность кристаллов оказывается в сотни раз меньше.

Это расхождение объясняется несовершенствами (дефектами) кристаллической решетки. С увеличением числа дефектов прочность кристаллов уменьшается, но до определенного предела, после чего дальнейшее увеличение количества дефектов приводит к увеличению прочности. Это дает основание сделать вывод, что повышения прочности можно добиться двумя путями:  I - путем приближения к идеальной структуре, 2 - направленное изменение кристаллической решетки, например, с помощью легирования, пластической деформации и т.д.

Если перейти от работы монокристалла к работе noликристалла железато прежде всего надо отметить повышение сопротивляемости пластическим деформациям у последнего. Это объясняется тем. что в поликристалле каждое из зерен имеет разное ориентирование кристаллической решетки, что затрудняет их общий сдвиг.

Именно хаотичное ориентирование громадного количества зерен приводит к тому, что в упругой стадии такой материал работает как изотропный (однородный во всех направлениях). Однако и при хаотичном расположении зерен всегда находятся плоскости, по которым действуют наибольшие касательные напряжения, и большинство зерен на которых расположено благоприятно для сдвига. По этим плоскостям и происходит развитие пластических деформаций (сдвиг, течение). Между плоскостями течения материал находится, как правило, в упругом состоянии.

Наконец, рассмотрим работу стали. Значительное повышение прочности по сравнению с прочностью чистого железа объясняется наличием в ней зерен перлита, значительно более прочных, чем зерна чистого железа.

Вернемся еще раз к диаграмме растяжения стального образца и рассмотрим ее в зависимости от структуры стали. В первой стадии до предела пропорциональности σ _пц происходят упругие деформации за счет упруговозвратимого искажения стальной решетки. Если в этой стадии разгрузить образец, он примет первоначальные размеры.

Это стадия упругой работы.

При дальнейшем увеличении нагрузки происходят отдельные сдвиги в зернах феррита, пропорциональность между σ и ε нарушается. Деформации начинают расти быстрее напряжений (участок между σ_пц и σ Последующее увеличение нагрузки приводит к массовым необратимым сдвигам в зернах феррита На диаграмме это отражается в виде "площадки текучести⁴', протяженность которой обычно составляет 1.5-2 % Это стадия пластической работы.

С окончанием текучести дальнейшее развитие деформаций затрудняется более прочными и жесткими зернами перлита, а в сталях повышенной и высокой  прочности дополнительное сопротивление создается  нитридами  и   карбидами, расположенными в зернах феррита и по их границам  Повышение сопротивления стали внешним воздействиям после площадки текучести называют самоупрочнением. В стадии самоупрочнения сталь работает как упругопластичный материал.

В процессе растяжения образца его поперечное сечение  уменьшается. а при подходе к напряжениям, близким к временному сопротивлению, сужение концентрируется в наиболее слабом месте и образует так называемую «шейку». Сечение здесь интенсивно уменьшается и происходит разрыв (участок диаграммы после σ  в)

Построенная диаграмма является условной, так как напряжении вычисляются без учета уменьшения площади сечения. Фактически напряжения по сечению "шейки" увеличиваются вплоть до разрыва образца.