Негативно впливають на міцність конструкцій концентратори напружень. До концентраторів належать будь-які зміни форми зразка (отвори, надрізи)

У гладких зразках правильної форми напруження у всіх перерізах розподіляються рівномірно, а силові лінії прямолінійно.

 

Рис. 2.5. Траєкторії головних напружень та їх концентрація в місцях зміни перерізу.

Якщо в плоскому зразку створити отвори чи надрізи, лінії силового потоку будуть огинати нові межі. Відхилення силових ліній від прямої свідчать про наявність напружень, що діють у двох напрямках, тобто виникає двоосний напружений стан. Відношення найбільшого напруження у місці концентратора до середнього напруження по перерізу зразка має назву коефіцієнта концентрації. Чим менший радіус кривизни концентратора, тим вище значення коефіцієнта концентрації.

Наявність поблизу концентраторів складного напруженого стану з високим рівнем напружень створює умови крихкого руйнування та утворення тріщин. Тому при конструюванні необхідно уникати гострих концентраторів, а спряження виконувати плавно.

Концентрація напружень не дуже впливає на міцність при статичних навантаженнях.

При динамічних навантаженнях, низьких температурах, пластичних деформаціях, які виникають у процесі холодного оброблення металу, концентратори значно знижують пластичність сталі.

Старіння металу

Старінням називають властивість матеріалу змінювати свою структуру і властивості з часом. Це пов'язано з тим, що, незважаючи на невелику розчинність вуглецю у фериті, з часом атоми вуглецю дифундують до меж зерен. Кількість крихкого карбіду заліза збільшується. Внаслідок цього зростає міцність сталі, але знижуються її пластичність та опір крихкому руйнуванню, динамічним навантаженням. Старіння прискорюється під дією змінних напружень, підвищенні температур.

Вплив температури

При зростанні температури зменшуються значення модуля пружності та межі текучості й міцності сталі. При температурі 600°С межа текучості й модуль пружності наближаються до нуля.

Низькі температури підвищують крихкість сталі тому, що погіршуються пластичні властивості металу. При температурах нижче як -10°С пластичність помітно зменшується.

Ударна в'язкість

Схильність сталі до крихкого руйнування та чутливість до концентрацій напружень оцінюються за ударною в'язкістю.

Ударна в'язкість – це робота, необхідна для руйнування стандартного зразка з надрізом, що віднесена до поперечного перерізу.

Руйнування зразка відбувається ударним вигином.

 

Рис. 2.6. Зразок для випробування на ударну в'язкість.

Значення ударної в'язкості залежить не лише від складу і структури сталі, але й від температури. Зі зниженням температури нижче 0°С значення ударної в'язкості різко падає.

 

Рис. 2.7. Ударна в'язкість сталі: 1 – Ст3сп; 2 – Ст3кп; 3 – 10Г2С1.

Температура, при якій відбувається зменшення ударної в'язкості менше, ніж 0,3 МДж/м , ‑ має назву поріг холодноламкості.

Дуже сильно зменшується ударна в'язкість після старіння сталі. Для будівельних сталей значення ударної в'язкості при різних температурах та після старіння вміщені у нормативні документи.

Зниження показника ударної в'язкості нижче 0,3 МДж/м не допускається.

Робота сталі при повторних та змінних навантаженнях

Навантаження і розвантаження металу в межах пружності не викликає змін в роботі металу. Графіки деформацій є прямолінійними та співпадають. Коли ж сталь довести до пластичних деформацій і розвантажити, то діаграма розвантаження піде паралельно до лінії деформацій.

 

Рис. 2.8. Діаграма деформування сталі з розвантаженням

Діаграма повторного завантаження піде паралельно лінії пружних деформацій і далі за діаграмою одноразового навантаження. Якщо розглянути лише діаграму повторного завантаження, то можна зазначити, що деформаційність металу зменшилася (e - e₁ < e), і умовна межа текучості зросла до рівня s₁, досягнутого при першому завантаженні. Це явище називається наклепом металу. Використовується для підвищення міцнісних показників сталевої арматури залізобетонних конструкцій.

Наклеп спостерігається при всіх видах холодного оброблення, пов'язаного з пластичним деформуванням металу (різання, гнуття, пробивання отворів).

У металах, які не мають достатнього запасу пластичних деформацій, наклеп може призводити до крихкого руйнування.

Втомою металу називається його руйнування внаслідок повторних навантажень при напруженнях, нижчих за межу міцності.

Напруження при яких відбувається руйнування, називається втомною міцністю.

Здатність металу протистояти такому руйнуванню називають витривалістю.

 

Рис. 2.9. Зміна втомної міцності сталі залежно від кількості циклів завантаження N.

Для сталі крива втомної міцності асимптотично наближається до деякого граничного значення R_v – опору сталі втомі.

Опору сталі втомі відповідає кількість циклів 10 . Випробування роблять на базі 2 ´ 10 циклів. На втомну міцність впливають: наявність концентраторів; температура; технологічні фактори, пов'язані з особливостями виготовлення конструкцій; характер завантаження (стиск чи розтяг); значення коефіцієнта асиметрії циклу

< <