Робота сталі у конструкціях
Робота сталі на розтяг
Залежність між напруженнями і деформаціями для різних матеріалів встановлюється експериментально.
| Діаграма розтягу сталі |
|
| Рис. 2.2. Діаграма розтягу сталі. 1 – маловуглецеві сталі (сталі звичайної міцності); 2 – сталі високої міцності; 3 – полікристал заліза sм – межа міцності (тимчасовий опір); sт – межа текучості; sl – межа пропорційності; s02 –умовна межа текучості |
, де s, МПа – нормальне напруження; Е – модуль пружності; e – відносне подовження зразка після розриву є показником пластичності. Для маловуглецевих сталей – e= 20¸25%; для високоміцних сталей – e = 8¸10%.
При sт/sм=0,6 Ст3.
При sт/sм=0,8 високоміцні сталі.
.
.
Характер деформацій сталі під дією навантаження визначається сумісним деформуванням її складових частин (фериту та перліту). Перліт розміщується між зернами фериту у вигляді прошарків та окремих включень. На початкових стадіях завантаження пластичні деформації зерен фериту стримуються опором прошарків перліту. При напруженнях, що дорівнюють межі текучості, опір перліту долається. Відбувається загальний зсув. На діаграмі з¢являється ділянка текучості.
У високоміцних сталей опір перлітових включень, легуючих елементів та їх сполук настільки великий, що ділянка текучості не виявляється. В цьому випадку відзначають умовну межу текучості s02. Коли відносне видовження досягає певної величини (близько 2,5%), матеріал перестає текти і стає знову здатним чинити опір. Діаграма розтягу стає криволінійною. Зі збільшенням навантаження при пластичних деформаціях зв'язок між частинами кристалів на площинах ковзання зменшується. Відповідно до цього зменшується і модуль деформації, діаграма стає щораз пологішою, поки не буде досягнута межа міцності sм, при якій метал руйнується.
При пластичних деформаціях маловуглецевих сталей на розтягнутих зразках помітна поява характерних ліній, які називаються лініями текучості або лініями Чернова-Людерса, що йдуть під кутом 45° до лінії розтягувальних зусиль. Напрямок їх збігається з напрямком найбільших дотичних напружень.
Руйнування буває в'язке (пластичне) – від зсуву; крихке – внаслідок відриву і змішане.
Дотичні напруження і пластичні деформації – причина в'язкого руйнування. Крихке руйнування є наслідком розвитку пружних деформацій металу до величини руйнувальних в умовах, коли утруднені пластичні зсуви. У цьому випадку спостерігається розрив міжатомних зв'язків кристалічних граток зерен при дуже незначних зсувах в окремих зернах.
Робота сталі на стиск
При роботі на стиск метал поводить себе, як і при розтягові.
Значення межі текучості, модуля пружності та довжини ділянки текучості дорівнюють показникам при розтягові.
Тобто, сталі гарно працюють як на розтяг, так і на стиск. Це дуже важлива особливість.
Нормативні та розрахункові опори
Основними показниками опору металу силовим впливам є нормативні опори Ryn та Run, встановлені відповідно до межі текучості (чи умовної межі текучості) та межі міцності.
Значення Ryn та Run регламентуються нормами проектування. При цьому враховується статистична мінливість опорів. Треба, щоб забезпеченість становила не менш 0,95.
| Гістограма розподілу міцностей металу |
|
| Рис. 2.3. Гістограма розподілу міцностей металу. |
Значення нормативного опору приймають залежно від характеру роботи конструкції і властивостей сталі.
У більшості випадків при обчисленнях користуються нормативним опором за межею текучості, тому що при перевищенні напруженнями межі текучості в елементах, що згинаються чи розтягуються, розвиваються пластичні деформації і спостерігаються великі переміщення. Стиснуті елементи втрачають стійкість. У випадках, коли застосовуються пластичні сплави і згідно з характером роботи конструкції допускаються значні деформації, нормативний опір приймають за межею міцності.
Розрахунковий опір визначають шляхом ділення нормативних опорів на коефіцієнт надійності за матеріалом gm.
Цей коефіцієнт враховує:
- те, що механічні властивості металів перевіряються на металургійних заводах шляхом вибіркових випробувань і в конструкції може потрапити метал з властивостями нижчими, ніж встановлені стандартами;
- механічні властивості контролюють при осьовому розтягові на невеликих зразках, а в дійсності метал працює у великорозмірних конструкціях при складних напружених станах;
- сортамент металопрокату може мати від¢ємні (мінусові) допуски до розмірів.
Значення коефіцієнта надійності за матеріалом gm залежить від статистичних даних про однорідність металу. Для вуглецевих сталей, які масово випускаються тривалий час за добре опрацьованою технологією і для яких добре відомо, як вони поводять себе у конструкціях, значення gm найменші gm=1,025. Адже відносно нових сталей gm=1,15. Значення нормативних Ryn, Run і розрахункових Ry, Ru опорів та коефіцієнтів надійності за матеріалом вміщені у СНиП II-23-81*. Зазначені опори служать для оцінки міцності елементів конструкцій на дію розтягу, стиску, згину.
Для інших напружених станів: зсув (Rs), зминання торцевої поверхні (Rp), розтяг поперек товщини прокату (Rth) – нормативні документи встановлюють інші значення опору.
Робота сталі при складному напруженому стані
У випадку складного напруженого стану (наприклад, плоского напруженого стану, коли зразок розтягується у двох напрямках, або при спільній дії нормальних і дотичних напружень при згині) роботу металу прийнято оцінювати через приведені напруження, обчислені за енергетичною теорією
,
де si, tij – відповідно нормальні та дотичні напруження.
Вид напруженого стану впливає на механічні характеристики металу.
Діаграми деформування сталі при різних напружених станах:
| 1. s1 ¹ 0 s2 = s3 = 0 2. s1 > 0 s2 < 0 s3 = 0 3. s1 > 0 s2 > 0 s3 = 0 4. s1 > 0 s2 > 0 s3 > 0 |
| Рис. 2.4. Діаграми деформування сталі при різних напружених станах. |
Однозначні плоский і об¢ємний напружені стани (криві 3, 4) значно знижують відносне подовження металу, але підвищують характеристику міцності.
Напруження різних знаків сприяють розвитку пластичних деформацій (крива 2), але погіршують характеристики міцності. Таким чином, можна сказати, що складний напружений стан завжди погіршує експлуатаційні якості металу. У першому випадку підвищується крихкість металу, у другому – знижується його міцність.
У випадку простого згину при дії нормальних і дотичних напружень приведені напруження обчислюються
Для плоского напруженого стану
Через головні напруження s1, s2 , s3
Робота сталі при концентрації напружень