Виды реакций на нагружение
При приложении нагрузки к телу может произойти одно из трех событий:
- упругая деформация, которая не приведет к необратимым последствиям для формы и геометрии объекта. Она существует только в момент нагружения и исчезает при его прекращении. Упругая деформация характерная для эластичных материалов. которые способны сохранять целостность даже при значительных нагрузках и увеличении расстояния между атомами;
- вторым вариантом является пластическая деформация, которая уже вызывает необратимые последствия для объекта, изменяя его форму и размеру. Этот вид деформации будет сохраняться и после того, как нагружение перестанет воздействовать на объект. У металлов пластическая деформация возникает в результате движения специфических дефектов кристаллического строения;
- третьим вариантом является разрушение, то есть разделение на части, которое является результатом образования и раскрытия трещин.
Рисунок 1. Концентрация напряжений возникает в местах перемены сечения, выточках, отверстиях. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При анализе работы образцов оцениваются предельные напряжения при которых наступают необратимые деформации, и при которых возникает разрушение.
На основании выводов устанавливаются предельные значения для различных классов стали.
Предельные напряжения - это напряжения, которые характеризуются тем, что в металле возникают опасные состояния, разрушение или опасная деформация. Для пластичных материалов предельным называется предел текучести
Работа металлов при концентрации напряжений
Разрабатывая конструкцию того или иного элемента, чтобы уменьшить расход металла применяют переменные сечения, выполняют отверстия, искажения сечения и выточки. В этих местах возникает изменение силового потока и его концентрация у препятствия, приводящая к повышению напряжения. Область, где наблюдается подобное явление, называют концентратором напряжения.
Коэффициент напряжения характеризует это состояние, показывая, как относится максимальное напряжение к номинальному.
Изучая характер работы и концентраторы напряжений, можно выделить 2 зоны:
- зону резкого перепада;
- зону близких к равномерным напряжений.
Рисунок 2. Коэффициент концентрации напряжений. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Оценка коэффициента выполняется с помощью аналитических, численных, экспериментальных и графических методов. Недостатком теоретических методов является игнорирование чувствительности материала к концентрации, что приводит к неточному описанию снижения прочности при наличии области концентрации.
Также важным при расчетах будет эффективность коэффициента концентрации напряжений, то есть отношение пределов выносливости без концентратора и с ним.
Задача Кирша относится к задачам в области концентрации напряжений у отверстий. Согласно аналитическим данным, коэффициент концентрации будет равняться трем, а графический метод показывает, что напряжения будут сконцентрированы пропорционально густоте силовых линий.
Помимо расчетов важно оценивать, как концентрация может повлиять на прочность системы, исследуя характере нагружения. К примеру, при статической нагрузке местные напряжения слабо влияют на прочность. Отсутствуют условия для развития трещин, даже если они образуются при достижении предела текучести. И наоборот при циклическом нагружении, создаются благоприятные условия для развития трещин, которые будут прогрессировать и приводить к разрушению.
Чтобы бороться с отрицательным влиянием концентрации напряжений используют скругления и разгружающие надрезы, выполняют поверхностное упрочнение, а также обработку давлением. Эффективность показали и методы термической обработки, к примеру закалка высокочастотным током или азотом.
Примером разрушающего воздействия концентрации напряжений является коммерческий авиалайнер «Комета», разработанный в Великобритании в 1949 году. Его иллюминаторы имели квадратную форму, такая форма способствовала росту напряжений в углах, а за счет установки большого количество заклепок, конструкция была ослаблена еще больше. После трех аварий выпуск таких самолетов был приостановлен, и конструкция была переработана. В новых самолетах была учтена концентрация напряжений. Катастрофические разрушения трех самолетов стали причиной более глубокого исследования такого явления как усталость металла.
