Работа стали при повторных нагрузках

При работе стали в упругой стадии повторное заг­ружение не отражается на работе материала, т.к. упругие деформации обратимы. В упругопластической области возникает наклеп. Область упругой работы увеличивает­ся, а пластичность падает, сталь становится более хруп­кой.

Многократное (миллионы раз) повторное нагруже­ние может привести к разрушению при напряжениях меньше, чем σ_u и даже предел текучести. Это явление называется усталостью металла, а разрушение – уста­лостным. Способноть металла сопротивляться усталост-ному разрушению называют выносливостью, а напряже-ние, при котором происходит разрушение – вибрацион­ной прочностью s_вб.

Снижение прочности (усталостное разрушение) происходит за счет скопления дислокаций в структуре металла в одном месте, при этом создается очаг зарож-дения трещины. При последующих нагружениях дефор-мации в поврежденном месте нарастают. Линии разгруз­ки не совпадают с линиями нагрузки образуя петли гис­терезиса. В месте образования трещины металл как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, а затем трещина быстро развивается и происходит разрыв. Таким образом, поверхность излома имеет две характер­ные области – гладкую истертую и зернистую, а процесс усталостного разрушения проходит три стадии: цикли­ческое нагружение до образования трещины, рост тре­щины и хрупкий излом.

Вибрационная прочность зависит от числа циклов нагружения n (рис. 1.23) и вида нагружения, который характеризуется коэффициентом ассиметрии:

r = s_min / s_max

При большом числе циклов кривая вибрационной прочности (кривая Веллера) асимптотично приближается к некоторому пределу, называеомому пределом вынос­ливости (усталости) (рис. 1.23, кривая 1).

При 2 млн. циклов вибрационная прочность мало отличается от предела усталости, поэтому испитания для определения предела выносливости стали прозводиться обычно на базе 2 млн. циклов нагружения.

Алюминиевые сплавы не имеют предела усталости и их вибрационная прочность при увеличении числа цик-лов постоянно снижается (рис. 1.23, кривая 2).

При изменении ρ от +1 до –1 усталостная проч-ность падает. Для низколегированной стали при ρ = 0 предел усталости равен пределу текучести, а при ρ = –1 примерно 0,6∙σ_y

При преобладании сжатия предел выносливости выше.

Если циклические напряжения превышают предел текучести, то разрушение может произойти и при числе циклов порядка нескольких тысяч. Такое разрушение на­зывают малоцикловой усталостью. Оно характерно для листовых конструкций резервуаров, газгольдеров и т.п., испытывающих периодическое нагружение при запол­нении и разгрузке, при опорожнении и при снятии внут­реннего давления.

Повысить усталостную прочность можно путем снижения концентраторов напряжений (механическая обработка кромок, зачистка швов, обеспечение плавного изменения сечений и т.д.); создания в местах концентра­ции напряжений сжатия, например, с помощью нагрева­ния мест концентрации, предварительной вытяжкой конструкций, например, обкаткой подкрановых балок кранами с допустимой перегрузкой и т.д.

Выбор стали для стальных конструкций

Выбор стали производят на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа сталей и профилей.

Выбор стали в соответсвии с СП 16.13330.2011 зависит от следующих факторов:

- Температура среды в которой монтируется и эксплуатируется конструкция. Этот фактор учитывает опасность хрупкого разрушения;

- Характер нагружения, определяющего способ-ность работы конструкции при динамических, вибра-ционных и переменных нагрузках;

- Вид напряженного состояния (сжатие или растя-жение; плоское или объемное напряженное состояние) и уровень возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы);

- Способ соединения элементов, определяющий уровень собственных напряжений, степень концентра-ции напряжений и св-ва материала в зоне соединения;

- Толщины проката, применяемого в элементах. Этот параметр учитывает изменение свойств стали с из­менением толщины.

При выборе стали необходимо учитывать группу конструкций [СП 16.13330.2011, прил. В]:

К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвер­гающиеся непоср. воздействию динамических, вибрац. или подвижных нагрузок (подкр. балки, эстакады и т.п.).

Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растяги­вающих напряжений (фермы, ригели рам и т.п.), а так же несварные конструкции первой группы.

К третеьй группе относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжи­мающих напряжений (колонны, стойки и т.п.) или нес­варные конструкции второй группы.

К четвертой группе относятся вспмогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а так же несварные конст­рукции третьей группы.

В материалах для сварных конструкций обяза­тельно следует оценивать свариваемость. Требования для несварных конструкций могут быть снижены.

Окончательный выбор должен выполняться на ос­новании ТЭП и возможности заказа металла. В состав­ных конструкциях целесообразно применение двух ма­рок сталей.

[страница 43].