Работа стали в значительной степени зависит от прочности и работы контактных поверхностей и прослоек между зернами. В отдельных зернах феррита пластические деформации начинаются весьма рано, значительно раньше, чем напряжения стали в целом достигают предела текучести (поэтому модуль упругости стали, строго говоря, не является постоянным). Однако эти деформации сдерживаются в своем развитии сопротивлениями контактных поверхностей (более прочных, чем сами зерна), прослоек между зернами и перлитовых включений. После достижения сталью предела пропорциональности число зерен, перешедших в пластическое состояние, становится настолько большим, что оно заметно сказывается на наклоне кривой диаграммы растяжения. На пределе текучести в малоуглеродистых (С»0,2%) и низколегированных сталях сопротивления не очень мощных перлитовых включений, прослоек и контактных поверхностей исчерпываются; энергия, накопленная в кристаллитах феррита от сдерживающего влияния межкристаллических сопротивлений, проявляется вовне, происходит общий сдвиг, появляется площадка текучести (рис.1). Таким образом, площадка текучести есть результат запаздывания пластических деформаций в зернах феррита вследствие сдерживающего влияния указанных факторов. По этой причине в мелкозернистых сталях площадка текучести оказывается более протяженной, а предел текучести более высоким, так как контактных сопротивлений на границах зерен в мелкозернистой стали больше, чем в крупнозернистых.

Площадка текучести появляется далеко не у всех сталей: в сталях, содержащих очень мало углерода (С<0,1°/о), площадка текучести обычно не появляется, так как ничтожные включения и прослойки не могут оказать сдерживающего влияния на зерна феррита; в сталях, достаточно углеродистых (0,3%) или высоколегированных, площадка текучести также не появляется, так как перлитовые включения в этих сталях достигают значительной величины (по размерам одного порядка с зернами феррита) и все время сдерживают деформации феррита,—сталь становится более жесткой при увеличении содержания углерода. Таким образом, площадка текучести является особенностью небольшой группы сталей, к которым относятся и строительные стали. Для сталей, не имеющих площадки текучести, за условный предел текучести принимают напряжение, отвечающее удлинению в 0,2%.

При пластической работе стали сдвиги проявляются по определенным направлениям, зависящим от направления силового воздействия и ориентации структуры феррита. Это особенно четко заметно при деформациях на площадке текучести при массовом развитии сдвигов, когда они проходят через несколько кристаллов, образуя целые полосы. Видимым проявлением этих полос являются линии Чернова—Людерса, по которым при нагружении при большом развитии пластических деформаций отскакивает окалина или слабо нанесенная краска. Эти полосы появляются на некотором расстоянии друг от друга и могут быть установлены прямыми наблюдениями и непосредственными измерениями. Между полосами сталь сохраняет свои упругие свойства; сохраняются упругие свойства стали также и по направлениям, не совпадающим с направлением сдвигов. Непосредственными опытами было доказано, что если после развития значительных пластических деформаций в одном направлении образец вновь подвергнуть нагружению того же знака, но в другом направлении, то сталь снова работает упруго при прежнем модуле упругости (рис. 7, а). Если новая нагрузка имеет знак, противоположный первой, сталь также снова становится работоспособной, но новый модуль упруго-пластических деформаций значительно ниже первоначального (рис. 7, б). Такие нагружения, когда нагрузки изменяются по разным законам, называются сложными; работа стали при сложном нагружении более благоприятна, чем при простом. Обычная работа конструкции отвечает сложному нагружению, поэтому указанное обстоятельство дает дополнительные запасы прочности. Однако теория, учитывающая развитие пластических деформаций при сложных нагружениях, еще не разработана.

Рис. 7. Работа стали при сложном нагружении:

а — при однозначных нагружениях; б — при разнозначных нагружениях

 

Поскольку причиной образования площадки текучести является энергия, накопленная в зернах феррита от запаздывания пластических деформаций, площадка имеет ограниченную протяженность и заканчивается, как только эта энергия будет исчерпана. После этого сталь снова восстанавливает сопротивление (область самоупрочнения), но работает как типично пластическое тело с весьма малым и переменным модулем деформаций. Для строительных сталей стадия самоупрочнения начинается при удлинении около 1 — 2%. По мере увеличения деформаций полосы сдвигов все более пронизывают металл, преодолевая оставшиеся сопротивления сдвигу. В результате различных сопротивлений направления сдвигов искривляются, и скорости сдвигов в разных точках тела становятся различными, что повышает сопротивления пластическим деформациям.

По мере нарастания деформаций связь между смещающимися частями кристаллитов уменьшается, модуль пластических деформаций снова начинает уменьшаться—достигается предел прочности, определяющий наибольшую нагрузку, которую может выдержать напряженный элемент. В дальнейшем равновесие между нагрузкой и внутренними напряжениями становится невозможным, что характеризуется нисходящей частью диаграммы растяжения (рис.1). Элемент вновь теряет сопротивление; внутренних напряжений уже недостаточно для восприятия нагрузки; пластические деформации концентрируются у мест будущего разрыва, образуется шейка; центральная часть сечения перенапрягается; резко растет разность скоростей деформаций в разных точках сечения, приводящая к разрыву по вогнутой поверхности (начиная с середины), как только смежные точки сечения разойдутся на величину, отвечающую нарушению атомных связей (рис. 8).

Рис. 8. Разрыв круглого стального стержня

 

Таким образом, разрушение (разрыв) является следствием:

а) касательных напряжений по поверхностям скольжения, обусловливающих пластические сдвиги;

б) нормальных напряжений, получающихся в результате неодинаковых скоростей деформаций смежных точек тела и приводящих к нарушению сплошности (разрыву), как только разность этих скоростей превзойдет предел, отвечающий возможности слитной деформации элемента.

В этом процессе вследствие уменьшения площади сечения элемента нормальные средние напряжения все время повышаются; если это не отмечается на диаграмме растяжения, то только потому, что, как известно, диаграмма растяжения не учитывает изменения площади сечения образца. Таким образом, предел прочности является условным напряжением, характеризующим не разрушающее напряжение, а наибольшую возможную для образца нагрузку.

Область пластической работы стали в стадии самоупрочнения очень велика; она в 200 раз больше области упругой работы и представляет собой огромный резерв прочности стальных конструкций, способствующий тому, что стальные конструкции почти никогда не разрушаются в результате вязкого пластического разрыва. Разрушение получается обычно после перехода стали в хрупкое состояние от дефектов конструкции, препятствующих развитию пластических деформаций. Средний модуль пластических деформаций очень невелик, он составляет обычно около 1 % от модуля упругости. Это дает возможность пренебрегать им и принимать его равным нулю, т. е. и к сталям, не имеющим площадки текучести, применять теорию идеального упругопластического тела (рис.9) 

Рис. 9. Диаграмма растяжения идеального упругопластического материала