Влияние концентрации напряжений

Большие местные напряжения, возникающие в местах резкого изменения формы или размеров тела, около выточек, отверстий, вырезов и т. д (концентрация напряжений), оказывают значительное влияние на прочность. Особенно чувствительны к концентрации напряжений хрупкие материалы, прочность которых при наличии концентраторов напряжений резко снижается. С повышением пластичности чувствительность к концентрации напряжений обычно снижается. Пластичные материалы (малоуглеродистая сталь) малочувствительны, так как возникающие под действием высоких местных напряжений пластические деформации смягчают эффект концентрации напряжений. На рис. 1 показано распределение напряжений в пластинке с отверстием при растяжении за пределом упругости. Однако возникающее в зоне концентрации напряжений объемное напряженное состояние может затруднить развитие пластических деформаций и вызвать в некоторых случаях хрупкое разрушение (в растянутой зоне).

Особенно сильно концентрация напряжений сказывается при переменных напряжениях. Для количественной оценки ее влияния используется эффективный коэффициент концентрации К_σ, равный отношению предела выносливости гладкого образца σ_-1 к пределу выносливости образца с концентрацией напряжений σ_-1k

Остаточные напряжения - упругая деформация и соответствующее ей напряжение, уравновешенное внутри тела при отсутствии внешних сил. В отличие от временных напряжений (напряжение внутреннее), остаточное напряжение сохраняются во времени. В зависимости от степени локальности различают: остаточное напряжение 1-го рода (макроскопические), уравновешивающиеся в объемах одного порядка с размерами всего тела; существующие методы оценивают гл. обр. остаточное напряжение 1-го рода; остаточное напряжение 2-го рода (микроскопические), уравновешивающиеся в объемах одного порядка с размерами зерен; определяются рентгенографич. методами; Н. о. 3-г о р о д а (субмикроскопич. искажения), уравновешивающиеся в объемах одного порядка с размерами атомно-кри- сталлич. решетки; надежные методы определения Н. о. 3-го рода еще недостаточно разработаны. Осн. причиной возникновения остаточного напряжения является неоднородность деформированного состояния ввиду различного изменения длины (объема) в разных зонах тела. Причиной появления этой неоднородности может быть: температурный градиент, напр. при резком нагреве или охлаждении (термические или температурные напряжения); неоднородность теплового расширения разных структурных или конструктивных составляющих тела (гетерогенные структуры, биметаллы и др.); фазовые превращения (фазовые напряжения); неоднородность пластич. деформации (остаточное напряжение после поверхностного наклепа). Остаточные напряжения могут быть как вредными (приводят к появлению недопустимых остаточных деформаций, поводок, трещин, к полному разрушению, ускоряют коррозию и т. п.), так и полезными (повышают предел упругости системы, предел выносливости, коррозионно-механич. и коррозионную стойкость и т. п.). Вредными большей частью оказываются растягивающие остаточные напряжения, особенно при двух- и трехосном напряженном состоянии, а полезными — сжимающие Н. о. Как правило, охрупчивающие факторы (понижение темп-ры, наличие объемного растяжения, резкое повышение скорости деформирования) усиливают влияние Н.о., и наоборот, чем пластичнее состояние материала, тем быстрее и полнее снимается Н. о. В наиболее напряженных поверхностных слоях (вблизи вершин надрезов и т. п.) стремятся создать значительные по величине местные сжимающие Н.о. Эти напряжения уравновешены во внутр. зонах распределенными на больших сечениях и потому меньшими по величине и менее опасными растягивающими остаточными напряжениями.

При статической нагрузке остаточные напряжения не влияют на прочность соединений и конструкций, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными напряжениями, наступает местная пластическая деформация, в результате которой увеличения напряжений выше предела текучести не происходит. Местная текучесть обычно захватывает небольшие участки соединения и не исчерпывает пластических свойств металла, однако это явление нежелательно в конструкциях точных станков и приборов. Металл с низкими пластическими свойствами склонен к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени, чем пластичный. В виду этого соединения и конструкции из высокопрочных сталей весьма чувствительны к наличию остаточных напряжений. Эффективность влияния остаточных напряжений на усталостную прочность увеличивается при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла. Хрупкое разрушение при наличии сварочных напряжений имеет следующие особенности: разрушение носит внезапный характер и не имеет следов пластических деформаций: хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение, разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях. В этом случае поле остаточных сварочных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины. Высокие остаточные сварочные напряжения являются также необходимым (силовым) компонентом условий для возникновения и развития холодных технологических трещин в период времени, непосредственно следующий за сваркой. Остаточные сжимающие напряжения могут быть также причиной потери устойчивости листовых сварных конструкций (резервуаров различного рода, трубопроводов), а также колонн и стоек. Потеря устойчивости элементов или конструкции в целом может иметь место даже при отсутствии рабочих напряжений, если уровень остаточных напряжений превысит критический.

Дата добавления: 2015-12-08