Работа стали при одноосном и сложном напряженном состояниях.

Ответ:

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 поликристалла 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 о 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 о и е нарушается.

Деформации начинают расти быстрее напряжений (участок между опц и о 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 о в)

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

При опытном изучении образцов на растяжение устанавливается значение предела текучести σ т. При этом в образцах развиваются нормальные линейные напряжения, т. е. имеет место одноосное напряженное состояние.

В случае сложного напряженного состояния (например, плоского напряженного состояния, когда образец растягивается в двух направлениях, или при совместном действии нормальных и касательных напряжений при изгибе) переход в пластическое состояние, согласно энергетической теории, характеризуется предельным значением удельной работы деформации тела (при изменении под влиянием сдвига кристаллов только формы тела, а не объема его).

Этот переход в пластическое состояние обычно выражают через приведенное напряжение, приравнивая его пределу текучести, найденному при простом растяжении.

Следовательно, приведенное напряжение — это напряжение такого одноосного напряженного состояния, которое по условию перехода в пластическое состояние соответствует данному сложному напряженному состоянию.

В случае простого изгиба при действии нормальных и касательных напряжений, а также и при изгибе и кручении приведенное напряжение выразится следующим образом1:

В случае чистого сдвига, когда а — 0, мы получим из формулы (З.II) условие текучести при максимальных возможных значениях касательных напряжений (полагая R = σ т)

Для плоского напряженного состояния

где σ 1 и σ 2 — напряжения в двух перпендикулярных направлениях.