Влияние особых условий на работу стальных элементов

07.07.2016

Под влиянием изменения формы элемента (у врезок или отверстий, а также у дефектных мест материалов или конструкций) в нагруженных элементах происходят местные повышения напряжений. Изменение формы стержня вызывает искривление силовых потоков (тем резче, чем резче изменение формы) и способствует переходу элемента в двухосное напряженное состояние.
Местные напряжения могут быть значительными даже при малых средних напряжениях (в несколько раз больше последних). На рисунке II—13 представлено влияние формы и размеров надреза на величину местных напряжений в центрально растянутой полосе. Неглубокие, но острые надрезы вызывают местные перенапряжения значительно более высокие, чем глубокие, но закругленные вырезы.
Если на конструкции воздействуют статические нагрузки, местные напряжения при переходе части перенапряженного материала в пластическое состояние выравниваются и не оказывают заметного влияния на величину разрушающей нагрузки. Поэтому расчетом их можно не учитывать.
Влияние особых условий на работу стальных элементов

Однако при динамических нагрузках и при низких температурах местные перенапряжения способствуют хрупкому разрушению стали и сказываются на ее несущей способности. При быстром нарастании нагрузок резкое изменение формы стержня может способствовать повышению предела текучести и исчезновению площадки текучести в мягких сталях (рис. II—14). Такой образец может разрушиться даже при несколько повышенном значении временного сопротивления. Последнее, однако, не следует рассматривать как положительное явление. Такое разрушение имеет ярко выраженный хрупкий характер при весьма малом относительном удлинении и малой работе, затрачиваемой на разрушение. На рисунке II—14 работа, затрачиваемая на разрушение образцов 1 и 4, представлена заштрихованными площадями. Сопоставление этих площадей свидетельствует о значительном снижении реального запаса надежности в образце 1 с резкой выточкой по сравнению с образцом 4, совсем не имевшим выточки, хотя временное сопротивление образца 1 стало почти на 2/3 выше, чем у образца 4. Надежность образца 1 снижена вследствие его хрупкого разрушения.
Концентрация местных напряжений способствует преждевременному старению стали.
Борьба с вредным влиянием местных перенапряжений сводится к устранению причин, их вызывающих, или при невозможности полного устранения к принятию конструктивных мер, уменьшающих величину местных напряжений: например, плавным переходом от одного сечения к другому, заменой входящего угла выкружкой и т. п. (см. рис. II—13).
В элементах конструкций наблюдаются напряжения, которые зависят от обстоятельств, связанных, например, с условиями проката, с изготовлением конструкций (последовательность и другие условия сварки) и т. д.
Такие напряжения называют начальными.
Большие начальные напряжения имеются, например, в прокатных балках. Вертикальная стенка балки, более тонкая по сравнению с полками, остывает раньше последних и препятствует затем свободному уменьшению длины полок при их продолжающемся остывании. При этом в полках возникают растягивающие напряжения, а в стенке — сжимающие. На рисунке II—15 представлена типичная эпюра внутренних начальных напряжений в широкополочном двутавре (высотой 475 мм), построенная по опытным данным ЦНИИ железнодорожного транспорта. Величина начальных напряжений в широкополочных напряжений достигала 700 кг/см2 в полках (растяжение) и 1100 кг/см2 в стенке (сжатие). В двутавре нормального профиля той же высоты начальные напряжения были значительно ниже; они составляли соответственно 520 и 880 кг/см2. С увеличением высоты двутавра величина начальных растягивающих напряжений в полках возрастает.
Влияние особых условий на работу стальных элементов

Значительные начальные напряжения могут возникнуть в результате воздействия связей, препятствующих свободным деформациям элементов, особенно в процессе наложения сварных швов.
Начальные напряжения можно разделить на напряжения ориентированные в определенном направлении и напряжения дезориентированные. Как те, так и другие взаимно уравновешены, причем вторые охватывают относительно малые площади или объемы элементов и по характеру своих воздействий подобны местным напряжениям. Начальные ориентированные напряжения могут, суммируясь с основными, оказать влияние на работу элементов конструкции. Они могут понизить или повысить предел текучести, увеличить остаточные прогибы и иногда привести к хрупкому разрушению.
Начальные напряжения не зависят от внешних силовых воздействий и потому при расчете сооружений их обычно не учитывают. Борьба с их вредным влиянием сводится к надлежащей организации изготовления и к ряду конструктивных мер.
Если на некоторое время сохранить постоянство напряженного состояния материала, в котором начались пластические деформации, то величина этих деформаций с течением времени будет увеличиваться, материал будет «ползти», «течь». Это явление называется ползучестью. При обычных температурах оно сказывается на работе стальных образцов весьма слабо, но при высоких температурах (более 300°) его необходимо учитывать.
Если у материала, в котором начались пластические деформации, сохранить каким-либо приемом величину деформаций постоянной на длительный срок, то напряженное состояние тела начнет уменьшаться. Такое явление называется релаксацией. Оно имеет затухающий во времени характер. Влияние его на работу обычных стальных элементов (не предварительно напряженных) ничтожно.
Наконец, если при испытании весьма тщательно проводить измерения, то можно заметить, что материал совершает в течение некоторого времени после остановки загружения дополнительные деформации. После быстрого разгружения замечается обратный процесс, причем в итоге обоих процессов деформации взаимно погашаются — это явление называют упругим последействием.
В сталях, получивших пластические деформации и имевших между действиями повторных нагрузок интервалы — «отдых», предел текучести повышается, а удлинение уменьшается. При длительном сроке эксплуатации такое явление может повторяться многократно, что приводит к распаду твердого раствора стали, к изменению ее структуры и повышению хрупкости. Этот процесс называется старением. Искусственными мерами (нагрев до 100—200°) можно вызвать процесс старения стали в весьма короткий срок. Наибольшую склонность к старению имеют мягкие стали.
Температура оказывает весьма сильное влияние на работу стали. При температурах выше 600° предел текучести и временное сопротивление стали снижаются до нуля. С понижением температуры предел текучести и прочности повышается. При отрицательных температурах повышение предела текучести происходит значительно быстрее, чем предела прочности, отчего разница между ними сокращается, а материал становится менее пластическим, более хрупким.
Весьма неблагоприятным для работы стали является нагрев ее до 200—300°, при котором появляется своеобразная хрупкость, называемая синеломкостью.
Влияние температуры очень сильно сказывается на работе стали при неравномерном распределении напряжений. Эта работа оценивается испытаниями на ударную вязкость. Так, например, ударная вязкость стали марки ВМСт.3 при изменении температуры от +5 до —(20—40°) падает в несколько раз, что особенно важно учитывать при проектировании и эксплуатации незащищенных сооружений, работающих в условиях суровых зим. При температурах более высоких (до температуры синеломкости) изменение ударной вязкости происходит менее интенсивно. То обстоятельство, что некоторые стали уже при температуре -20° переходят в хрупкое состояние, заставляет проводить специальные дополнительные испытания на ударную вязкость (для низколегированных сталей при t° = -40 и -70°).
Работа строительных материалов, в том числе и стали, зависит от скорости загружения. Даже при малых скоростях возрастания нагрузок, которые обычно относят к статическим, фактор времени сказывается. С повышением скорости загружения испытуемых образцов предел прочности и особенно предел текучести повышаются, а разница между ними уменьшается.
Для полного развития пластических деформаций от воздействия внешних сил требуется некоторый период времени. При быстром нарастании внешних нагрузок развитие пластических деформаций в материале запаздывает, что усиливает отрицательное влияние неравномерного распределения напряжений. Особенно сильно это сказывается при ударном и динамическом воздействиях и низких температурах, делая характер разрушения от этих воздействий хрупким, внезапным и увеличивая опасность разрушения.
Если бы сталь была идеально упругим и однородным материалом, то повторное действие нагрузок, не превосходящих предела упругости, не вызывало бы никаких заметных изменений в работе стали, так как деформации были бы полностью обратимыми. Однако вследствие неоднородного строения стали пластические деформации отдельных зерен начинаются значительно раньше так называемого предела упругости (среднего или технического).
Если стальной образец загрузить до появления в нем заметных пластических деформаций и сразу после разгрузки вторично загрузить, то пластические деформации начнут проявляться раньше, чем при первом загружении, а кривая деформаций будет более пологой (рис. II—16,а). По достижении верхнего значения предшествующей нагрузки кривая σ—ε в дальнейшем практически повторяет нормальную кривую однократного статического загружения. Таким образом, непосредственное, без перерыва повторение нагрузок способствует повышению пластичности стали при работе ее в пределах до верхнего значения предшествующей нагрузки. Окончательная величина деформации при разрушении от повторно приложенной нагрузки при этом будет уменьшена на величину ε1, полученную при первом загружении: ε2=ε—ε1 где ε — деформация при однократном статическом загружении до разрушения.
Повышение пластичности при непосредственном повторении нагрузки может рассматриваться в известных пределах как положительное свойство, так как благодаря ему процесс выравнивания местных перенапряжений происходит в более широких пределах.
Влияние особых условий на работу стальных элементов

Если образец вторично загрузить не сразу после первого загружения и разгрузки, а через несколько часов (при нормальной температуре), то окажется, что в пределах первого загружения материал будет работать упруго (рис. II—16,б). Заметные пластические деформации в нем начнутся лишь у верхнего предела предшествовавшей нагрузки. Таким образом, за время перерыва («отдыха») материал не только восстанавливает свои упругие свойства, но даже повышает их. По-видимому, на упорядочение внутриатомного напряженного состояния, нарушенного пластическими деформациями первого загружения, требуется значительное время, после чего новое загружение материал воспринимает уже в новом внутренне уравновешенном состоянии и потому показывает упругую работу до более высокого предела, чем при первом загружении. Если повторную нагрузку прикладывают без перерыва, то зерна, приведенные в пластическое состояние при первом загружении, находятся еще во внутренне неупорядоченном состоянии и потому новому загружению не оказывают полного сопротивления. Часть материала оказывается перегруженной ранее, чем при первом загружении, что и сказывается на более раннем проявлении пластических деформаций.
Повышение предела упругой работы стали в результате предшествовавшей пластической деформации носит название наклепа. Оно всегда связано с повышением хрупкости стали и потому рассматривается как неблагоприятный фактор, особенно для конструкций, работающих под динамической нагрузкой, при низких температурах, при резких падениях температуры, а также для конструкций, имеющих отверстия, надрезы, выточки и другие отклонения формы, где происходит концентрация напряжений.
Часто приходится иметь дело с местным наклепом материала, происходящим при пробивке отверстий, резании, штамповке и других видах холодной обработки, вызывающей пластические деформации. При неглубоком распространении структурных изменений поврежденный металл может быть удален; например, продавленные для болтов или заклепок отверстия потом рассверливают до диаметра на 3—6 мм больше начального. Восстановить нормальную структуру можно путем отжига.
Повторяющаяся непрерывно и многократно так называемая вибрационная нагрузка может вызвать разрушение стальных элементов при напряжениях ниже не только временного сопротивления, но и ниже предела текучести, определенных при статическом загружении. Такое разрушение называют разрушением от усталости материала. Обычно оно начинается у места изменения формы элемента (в частности, у внутреннего или внешнего ослабления). Разрушение сначала развивается медленно (до образования трещин), а затем ускоренно. На этом этапе разрушение имеет хрупкий характер.
Верхнее (предельное) значение напряжений, при которых не происходит разрушения материала, испытавшего заданное большое число перемен нагрузки, называют пределом выносливости (предел усталости или вибропрочность) и обозначают σв. Предел выносливости зависит от числа перемен нагрузки (количества циклов); поэтому при указании значения σв необходимо указывать и число циклов, при котором он определен. С увеличением числа циклов предел выносливости снижается. При испытаниях стали для строительных целей обычно число циклов назначают в 10в6, 2*10в6, 5*10в6 или 10*10в6.
Величина предела выносливости в сильной мере зависит от характера переменной нагрузки. Различают переменные нагрузки с симметричным циклом (рис. II—17,а) — верхний и нижний пределы нагрузки или напряжений одинаковы по величине, но противоположны по направлению (знаку) и с несимметричным циклом, когда верхний и нижний пределы имеют различные по абсолютной величине значения. Если при этом верхний и нижний пределы напряжений имеют и различные знаки (рис. II—17,б), цикл называется несимметричным знакопеременным, в противном случае — несимметричным знакопостоянным (рис. II—17,в,г). В частном случае, когда одно из предельных значений напряжений равняется нулю, цикл называют предельным знакопостоянным (рис. II—17,г).
Наиболее низкое значение предел выносливости имеет при симметричных циклах. Для строительных сталей в этом случае предел выносливости приближается к половине предела прочности (σв=0,5σпч). Переход к несимметричным циклам сопровождается повышением предела выносливости. При предельном знакопостоянном цикле σмин=0 для стали Ст. 3 предел выносливости близок к пределу текучести, а для низколегированных сталей несколько ниже. При дальнейшем уменьшении амплитуды в пределах несимметричного знакопостоянного цикла предел выносливости незначительно повышается, оставаясь все же близким к пределу текучести. У низколегированных сталей предел выносливости совпадает с пределом текучести примерно при σмин:σмакс=1:4. Предел выносливости при однозначном сжатом цикле несколько выше, чем при однозначном растянутом.
Сильное неблагоприятное влияние на предел выносливости оказывают резкие изменения формы образца и, в частности, отверстия и надрезы. Например, снижение предела выносливости у стали типа Ст. 3 под влиянием надреза составляет около 23% по сравнению с σв образца без надреза. На низколегированных сталях влияние этих факторов сказывается еще сильнее, что ограничивает применение их в конструкциях, работающих под вибрационной нагрузкой.
Коррозия также весьма неблагоприятно сказывается на вибрационной прочности стали, значительно понижая предел выносливости (особенно у сталей высокой прочности).
При проектировании стальных конструкций, непосредственно воспринимающих вибрационные, многократные подвижные или иные нагрузки, приводящие к усталостному разрушению, следует применять такие конструктивные решения, которые не вызывают большой концентрации напряжений. Основной металл конструкций и их соединения следует проверять расчетом на выносливость.
Расчет конструкций на выносливость ведут по нормативным нагрузкам без учета коэффициента динамичности путем снижения величины расчетных сопротивлений или допускаемых напряжений умножением их на коэффициент выносливости γ≤1. Для проверки удобнее сравнивать получаемые по расчету напряжения с постоянной величиной R или [σ], поэтому в практике коэффициент у принято помещать в знаменателе левой части расчетных формул прочности. Последние имеют вид:
Влияние особых условий на работу стальных элементов

Здесь [σмин] и [σмакс] — наименьшее и наибольшее по абсолютной величине напряжения в рассчитываемом элементе, вводимые в формулу II—48 со своим знаком. Указанные напряжения вычисляют от нормативных нагрузок по ослабленным сечениям, но без учета коэффициентов динамичности kдин, коэффициентов устойчивости φ, φвн и φб и коэффициентов α для определения боковых сил от крановых мостов.
В скобках знаменателя формулы II—48 принимают верхние знаки, если наибольшее по абсолютной величине напряжение является растягивающим, и нижние — в противоположном случае.
Стали высокой прочности нельзя применять в конструкциях, в которых могут возникнуть явления усталости.