13. Работа стали при повторных нагрузках.

В упругой стадии повторное загружение не отражается на работе материала, т.к. упругие деформации обратимы. При переходе материала в упруго-пластичную стадию повторная нагрузка ведет к увеличению пластических деформаций в результате необратимых искажений структуры металла. При достаточно большом перерыве упругие свойства материала восстанавливаются и достигают предела предыдущего цикла. Это повышение упругих свойств называется наклепом. Наклеп связан со старением и искажением атомной решетки кристаллов и закреплением ее в новом деформированном положении. При повторных загружениях, в пределах наклепа, материал работает как упругий.

Наклепанная сталь более склонна к хрупкому разрушению, поэтому этим свойством в строит. конструкциях не пользуются. При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости материала- понижение ее прочности. Предел прочности металла при многократном нагружении называется пределом усталостной прочности ( или пределом выносливости). Величина предела выносливости зависит от характера нагружения, т.е. от ассиметрии цикла,а также от наличия концентрации напряжения. Предел выносливости стали определяют экспериментальным путем при повторных загружениях образцов на базе 2*10⁶ циклов нагрузки.

14. Хрупкое разрушение.

2-хрупкое разрушение

1-вязкое разрушение

Проблема хрупких разрушений возникла в 30-е гг. ХХ в. Опасность такого разрушения связана  с внезапностью, отсутствием заметных пластических деформаций стали перед разрушением элементов. Из 52 сварных мостов, построенных в Бельгии в 1934–1938 гг., пятая часть хрупко разрушилась к 1940 г. На построенных в годы Второй мировой войны 722 сварных корпусах судов типа «Либерти» было выявлено более 1000 случаев хрупких разрушений, начиная с ходовых испытаний. В США в 1945 г. хрупко разрушился сферический резервуар диаметром 11,34 м, который был предназначен для хранения жидкого водорода. В августе 1964 г. разрушилась 400-метровая мачта на станции «Лоран» в Гренландии. Число хрупких разрушений вплоть до 1962 г. продолжало увеличиваться. Обычно разрушение происходило при напряжениях  порядка 5070 МПа, для мостов – 100120 МПа, что значительно меньше предела текучести стали.

Главной причиной хрупких разрушений, как показали исследования, являлась низкая температура. При понижении температуры пластичность некоторых сталей существенно снижается, это создает предпосылки для хрупкого разрушения.

 В большинстве случаев хрупко разрушающиеся конструкции были изготовлены из кипящей стали Ст3 со значительным количеством посторонних включений, часто – выплавленной в томасовских конверторах. Это приводит к повышенному содержанию фосфора и, как следствие, к хладноломкости. Повышение содержания углерода, наклеп и старение стали также приводят к повышению прочности, снижению  пластичности и увеличивают опасность хрупкого разрушения.

Установлено, что сплошные сечения конструкции менее склонны к хрупкому разрушению, чем решетчатые, меньших размеров менее склонны к хрупкому разрушению, чем больших («масштабный фактор»).

Трещина при хрупком разрушении обычно начинается около какого-либо дефекта (надреза, инородного включения, концентратора напряжений) и развивается с очень большой скоростью; этим хрупкое разрушение отличается от усталостного.

Динамические (ударные) нагрузки  и сложное напряженное состояние (плоское или объемное, особенно растяжение в нескольких направлениях) повышают склонность стали к хрупкому разрушению, это связано со снижением ее пластичности в вышеперечисленных условиях.

Борьба с хрупким разрушением ведется устранением причин, способствующих ему. Применяют спокойные стали, раскисленные марганцем, кремнием, алюминием. До проката удаляют верхнюю, наиболее загрязненную неметаллическими включениями, часть слитка. Ограничивают содержание в строительных сталях углерода (не более 0,22 %) и фосфора (не более 0,030,05 %, кроме случаев, когда он используется как легирующий элемент).

Легирующими элементами, повышающими стойкость стали против хрупких разрушений, являются никель, хром, медь и особенно ванадий в сочетании с алюминием и азотом. Последняя комбинация используется для самых ответственных конструкций, включая конструкции «северного исполнения».

Благоприятно влияет на стойкость стали против хрупкого разрушения термоупрочнение (закалка плюс высокотемпературный отпуск), что связано с измельчением ее структуры.

Необходимо помнить, что усталостная трещина всегда начинается с концентратора напряжений, поэтому следует конструктивными мероприятиями снижать его влияние. Источником концентрации напряжений является электросварка, создающая пиковые напряжения из-за быстрого и неравномерного остывания соединения, вследствие чего появляются остаточные температурные напряжения. Для уменьшения этого недостатка сварки следует строго соблюдать технологию процесса, в частности исключить швы больших размеров (не более, чем это требуется по расчёту), замедлить остывание соединения, применять швы встык с подваркой корня шва и зачисткой поверхности, избегать соединений внахлестку и т. п.

Вместе с тем следует отметить, что стандартные испытания стальных образцов статической нагрузкой не могут полностью отразить условия хрупкого разрушения – влияние низкой температуры, концентраторов напряжений, динамической нагрузки. Поэтому и расчеты, основанные на результатах этих испытаний, не могут обеспечить надежность конструкций при хрупких разрушениях.