Работа стали при переменном нагружении

Стальные конструкции ассоциируются с надежностью, престижем, долговечностью, поэтому их часто можно увидеть на строительных площадках.

Виды стали

Чтобы описать все многообразие стали не хватит даже учебника. Для всех отраслей промышленности черная металлургия выпускает различную по механическим, химическим и физическим свойствам продукцию.

Классификация позволит понять принцип разделения ее на виды.

Современная классификация сталей делит стали на категории по следующим признакам:

• по химическому составу стали могут быть легированные и углеродистые;
• по качеству стали бывают обыкновенные, качественные, высококачественные и особовысококачественные;
• по назначению стали бывают конструкционные, инструментальные и специальные;
• по способу раскисления стали бывают кипящие, спокойные и полуспокойные;
• по структуре стали бывают в отожженном и нормализованном состоянии.

Для целей строительства используют конструкционные стали, которые бывают как углеродистые, так и легированные. Сфера применения накладывает определенные требования к химическому составу, эксплуатационным свойствам, технологическим характеристикам. Конструкционные стали могут быть цементируемыми, улучшаемыми и высокопрочными, к сталям может применяться термическая обработка, улучшающая эксплуатационные свойства и увеличивающая прочность. В зависимости от технологии изготовления стали могут быть штампуемые, свариваемые, литейные. Химический состав конструкционных сталей может быть различным, стали могут выпускаться коррозионностойкие, кислостойкие, окалиностойкие.

В маркировке сталей используются обозначения, позволяющие расшифровать способ раскисления, состав, качество. К примеру буквы «Ст» относятся к сталям обыкновенного качества, «Г» - означает высокое содержание марганца, «КП» - означает кипящую сталь, «СП» спокойную сталь. После букв следуют цифры, которые означают условный номер марки, чем больше число, тем выше содержанием углерода и других химических элементов. Если после марки стоят буквы «СВ», это означает гарантию свариваемости стали.

Работа стали при переменном нагружении

Рассматривая принцип работы стали при нагружении выделяют два возможных сценария - постоянное нагружение и временные (повторные и переменные) нагрузки.

При переменном нагружении важна геометрия сечения, на нее обращают особое внимание, если имеются ослабления, к примеру:

• местные сужения;
• выточки;
• отверстия.

При наличии подобных ослабляющих элементов, которые называются концентраторами напряжений, силовой поток внутри элемента будет сгущаться у отверстий, он будет искривляться, стремясь обойти возникшее на пути препятствие.

Коэффициент концентрации равен отношению максимального напряжения в месте концентрации к условному напряжению в сечении.

Переменные напряжения увеличивают пределы текучести и прочности, при этом уменьшается относительное удлинение, материал работает хрупко. Чем острее концентратор напряжений, тем больше искривлений испытывает силовой поток.

В тех случаях, когда нельзя избежать отверстий и выточек стараются предотвратить разрушение, обеспечив плавное распределение силового потока. Вычислить величину напряжений у очага концентрации очень сложно, но именно этот фактор стал причиной нескольких крупных авиакатастроф.

Под действием переменной или многократной нагрузки ниже временного сопротивления возникает явление усталости металла, приводящее к разрушениям. Под выносливостью понимается способность материала сопротивляться подобному разрушению. Величина напряжения, вызывающая разрушение, называется вибрационной прочностью.

Рисунок 1. График работы стали при повторных нагрузках. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Под пределом выносливости металла понимается наибольшее напряжение, которое может испытывать материал и при этом вынести бесконечно большое число циклов нагружения при заданном коэффициенте асимметрии.

В нормах проектирования закладывается коэффициент, позволяющий учитывать фактор усталости металла и снижение расчетного сопротивления стали.