Помимо основных характеристик & у, § щ определяемых по результатам испытаний на растяжение, важными показателями сталей являются отношения предела текучести к временному сопрочвлению и предела пропорциональности к пределу текучести.
Отношение ёу/ и характеризует резерв прочности стали, поскольку рабочие напряжения в элементах металлических конструкций обычно не превышают предела текучести.
В сталях обычной и повышенной прочности это отношение близко к 0,6, что свидетельствует о достаточно большом запасе работы материала и позволяет использовать в широких пределах пластические свойства стали.
Для высокопрочных сталей предел текучести близок к временному сопротивлению (ё 02/ § и ~ 0,8-0,9), что ограничивает использование работы материала в упругопластической стадии. Отношение ё> р/ & у характеризует сопротивление малым пластическим деформациям. Если на общих перемещениях конструкций пониженное значение предела пропорциональности сказывается слабо, то на устойчивость сжатых элементов этот показатель оказывает большое влияние.
У большинства сталей ё р/ S> у составляет 0,8-0,85. Однако для термообработанных сталей при низкой температуре отпуска (ниже 600°С) сопротивление малым пластическим деформациям падает и S) р/ i> у может понизаться до 0,5. Это следует учитывать при проверке устойчивости конструкций из этих сталей.
Диаграммы работы разных сталей при растяжении существенно различаются (рис. 1.17,а) по значениям параметров. Если же построить эти диаграммы в относительных координатах ё/ёо2И £/£о2, где ё02 и £,02 - соответственно предел текучести и относительные деформации в начале площадки текучести, то различия будут достаточно малы (рис. 1.17,6), что позволяет использовать при расчетах унифицированную диаграмму (рис. 1.17,в).
В целях упрощения расчетных предпосылок при работе конструкций в упругопластической области диаграмму работы стали ё - £ без большой
погрешности и в сторону некоторого запаса можно заменить идеализированной диаграммой упругопластического тела, совершенно упругого до предела текучести и совер-шенно пластичного после него (диаграмма Прандтля, рис. 1.18).
При сжатии (имеется в виду сжатие коротких образцов, которые не могут потерять устойчивость)
- сталь ведет себя так же, как и при
растяжении, т.е. предел пропорцио-Рис. 1.18. Идеализированная диаграмма рабо- нальности, предел текучести и модуль ты стали упругости совпадают.
Однако разрушить при сжатии короткие образцы, изготовленные из пластической стали, и определить временное сопротивление не представляется возможным, поскольку образец сжимается и в конечном результате расплющивается. Высокопрочные стали с пониженной пластичностью могут разрушиться по наклонным сечениям от среза.
Ввиду того что в упругой и упругопластической стадиях работы сталь ведет себя при растяжении и сжатии одинаково, соответствующие характеристики принимаются также одинаковыми.
Повышенная несущая способность при сжатии коротких образцов в области самоупрочнения используется при работе стали на смятие.
Как уже отмечалось (см. п. 1.2), при прокатке возникает некоторая анизотропия свойств стали вдоль и поперек направления проката. Однако эта разница невелика, и ее можно не учитывать.
В направлении, перпендикулярном плоскости прокатки листа, прочностные характеристики могут быть значительно ниже. Это объясняется как особенностями структуры стали, так и возможным "расслоем" проката, т.е. трещинами, параллельными поверхности листа. Пластичность стали в этом направлении также падает, относительное удлинение составляет всего 10% и ниже. Поэтому, если элементы металлических конструкций (например, фланцы) работают на растяжение в направлении толщины проката, их желательно изготовлять из более качественной стали, полученной путем электрошлакового переплава.
1.4.3. Работа стали при сложном напряженном состоянии. Сложное напряженное состояние характеризуется наличием двух или трех главных нормальных напряжений ё i, & 2 и § з, действующих одновременно (рис. 1.19).
Если при одноосном напряженном состоянии (Si=)t0;e2=&3 = 0) пластические деформации развиваются при напряжениях, равных пределу текучести, то при сложном напряженном состоянии переход в пластическое состояние зависит от знака и соотношения значений действующих напряжений.
При однозначном поле напряжений развитие пластических деформаций запаздывает, предел текучести повышается, а протяженность площадки текучести уменьшается (рис. 1.20, кривая У), повышается опасность хрупкого
3 J>
4>f
Рис. 1.19. Схема нагружения при сложном напряженном состоянии
6,КН/СМ 50
разрушения. При трехосном растяжении и §1 = &2= S3 материал разрушается хрупко без развития пластических деформаций (при трехосном сжатии разрушить металл не удается).
При разнозначных (сжатие в одном и растяжение в другом направлении) напряжениях наблюдается обратная картина. Пластические деформации начинаются раньше, чем главные напряжения достигли предела текучести одноосного нагружения (кривая 2). Сталь становится как бы более пластичной.
Условие перехода материала в пластическое состояние устанавливается на основании теории прочности .
Исследования показывают, что переход стали из упругого состояния в пластическое может быть достаточно близко описан как третьей теорией прочности - теорией касательных напряжений, так и четверной теорией - энергетической (см. п. 2.4.1). В нормах проектирования металлических конструкций соответствующие расчетные формулы получены на основании энергетической теории.
1.4.4. Работа стали при неравномерном распределении напряжений. Концентрация напряжений. При растяжении гладкого образца правильной формы напряжения во всех сечениях, удаленных от места приложения нагрузки, распределяются равномерно, и траектории главных напряжений прямолинейны.
В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, трещин и т.д.) линии главных напряжений искривляются и, обтекая границы, сгущаются (рис. 1.21). Сгущение траекторий главных напряжений характеризует повышение напряжений в этих местах, а их искривление свидетельствует о появлении двух главных напряжений ё i и Ь 2, т.е. о возникновении плоского напряженного состояния. При большой толщине элемента возникает третье главное напряжение S з, и напряженное состояние будет объемным.
30 20 10 О
1 в 12 16 20
2И 28 £,%
Рис. 1.20. Диаграммы работы стали при сложном напряженном состоянии
/ - однозначное поле напряжений; 2 - разнозначное поле напряжений; 3 - одноосное растяжение
Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1979
