СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Основные понятия. Связь между напряжениями и деформациями. Виды напряжений

Изменение формы и размеров твердого тела под действием силы называется деформацией. Если форма тела восстанавли­вается после прекращения действия силы, мы имеем дело с упругой деформацией. Если тело не принимает первоначальной формы, то говорят, что оно получило остаточную или пластическую деформа­цию. Остаточные деформации обычно бывают у тел малоупругих (пластичных) или при приложении к данному телу очень большого усилия.

Размеры деформации определяются величиной действующего усилия. Чем больше усилие, тем больше вызываемая им деформа­ция. О величине усилия судят также по напряжению, которое дан­ное усилие вызывает в теле. Между напряжением и вызываемой им деформацией существует неразрывная связь.

Обозначим величину фактического удлинения стержня при растяжении А/. Отношение Ы к первоначальной длине стержня / называется относительным удлинением и обозна­чается буквой е;

Є = ^.100%.

Как видно из этой формулы, относительное удлинение выра­жается в % к первоначальной длине стержня.

Зависимость между напряжением и деформацией в пределах области упругих деформаций выражается следующей формулой

о - e. jЕ, где о — напряжение, кгс/мма.

Величина Е называется модулем упругости данного материала и измеряется в кгс/мм. Так, например, для стали Е — = 20000—21500 кгс/мм2, для алюминия Е — 7100 кгс/мм2.

В зависимости от направления действующих усилий по отноше­нию к рассматриваемому сечению металла и вызываемых ими де­формаций в нем могут возникать следующие напряжения: растя­жения, сжатия, изгиба, среза и кручения (рис. 49). Для того чтобы определить, какие напряжения возникают в сечении /—/ тела, следует мысленно разрезать его в этом месте и приложить к пло­скости разреза ряд сил, уравновешивающих действующее усилие, как это показано на рис. 49 справа. Стрелки, условно изображаю­щие уравновешивающие силы, покажут характер и направление возникающих в сечении напряжений. Рассмотрим подробнее ос­новные виды напряжений.

1. Растяжение. Возникает под действием растягивающих сил, приложенных по оси стержня, и направлены перпендикулярно плоскости сечения образца. Величина напряжения растяжения равна:

где о — напряжение, кгс/мм2;

Р — сила, кгс;

Е0 — площадь поперечного сечения, мм2.

Откладывая по вертикальной оси (рис. 50) величину напряже-

ния, а по горизонтальной — относительное удлинение, получим диаграмму изменения напряжений в образце из малоуглеродистой стали при испытаниях на растяжение. На участке ОА при возра­стании нагрузки (напряжения) удлинение образца возрастает про­порционально напряжению, т. е. при увеличении напряжения, например, в два раза относительное удлинение увеличивается так­же вдвое. Этот участок диаграммы имеет вид прямой линии.

В точке А напряжение ор соответствует пределу про­порциональности. Ниже этого предела деформации пол­ностью исчезают при снятии напряжения. Иногда величину ар также называют пределом упругости, поскольку ниже этого предела металл дает только упругие деформации.

Прй дальнейшем повышении нагрузки линейная зависимость между напряжением и деформацией нарушается и металл получает некоторые остаточные деформации, а прямая ОА переходит в кри­вую АВ.

При напряжении os металл образца получает способность течь, т. е. длина образца увеличивается при постоянной нагрузке, соот­ветствующей напряжению as. На диаграмме это соответствует гори­зонтальному участку ВС. Напряжение os, равное

называется пределом текучести. При этом напряжении удлинение образца возрастает, в то время как действующая сила остается постоянной или незначительно изменяет свою величину. Иногда за предел текучести условно принимают то напряжение, при котором относительное остаточное удлинение равно 0,2%.

Дальнейшее возрастание нагрузки за пределом текучести вызы­вает в образце напряжения и соответствующие им относительные удлинения, выражаемые кривой линией, заканчивающейся при на­пряжении оь, при котором происходит разрыв образца. Это напря­жение называется пределом прочности и равно:

где Рь — наибольшая нагрузка на образец, кгс;

F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм2.

Для некоторых металлов разрыв образца происходит не при пре­деле прочности, а при меньшем напряжении, в точке D. Независи­мо от этого, предел прочности определяется не по напряжению в момент разрыва, а по величине максимального усилия, приложен­ного к образцу во время испытания.

Чем пластичнее металл, тем больше на диаграмме будет уча­сток, соответствующий пределу текучести. Для мало - и средне­углеродистых сталей предел текучести as — 25—30 кгс/мма, пре­дел прочноси аь = 42—45 кгс/ммЛ

2. Сжатие. Возникает, когда металл подвергается действию сжимающих усилий, направленных перпендикулярно сечению эле­мента, в котором определяются напряжения. Если в случае возник­новения растягивающих усилий стержень в работающем попереч­ном сечении стремится утоньшаться, то при сжатии он, наоборот, в этом сечении утолщается. Величина напряжений сжатия опре­деляется по той же формуле, что и величина напряжений растяже­ния.

Поскольку напряжения при сжатии действуют в сторону, про­тивоположную напряжениям при растяжении, то сжимающие на­пряжения иногда отмечаются знаком (—) и считаются отрицатель­ными, а растягивающие — знаком (+) и рассматриваются, как положительные.

3. Изгиб. Типичным примером в данном случае является изгиб балки, свободно лежащей на двух опорах и нагруженной сверху силой Р. Возникающие в сечении I—1 балки напряжения от изгиба представляют собой напряжения растяжения и сжатия, направленные перпендикулярно поперечному сечению балки. Верх­няя половина балки испытывает деформацию сжатия и в ней воз­никают напряжения сжатия, а в нижней — растяжения. Через центр тяжести поперечного сечения балки проходит нейтральная плоскость, волокна которой не подвергаются никакой деформации; в этой плоскости напряжения равны нулю.

4. Срез. Когда два элемента конструкции стремятся под дейст­вием приложенных извне сил сдвинуться относительно друг дру­га, то в плоскости их соприкосновения возникают напряжения среза (сдвига). Эти напряжения расположены в одной плоскости и обозначаются греческой буквой т. Условно их можно принимать равными для всех точек плоскости среза. Величина напряжений среза определяется по формуле

где т — напряжение, кгс/мм2;

Р — срезающая (сдвигающая) сила, кгс;

F — площадь среза, мм2.

5. Кручение. Если стержень под действием внешних нагрузок стремится скручиваться вокруг продольной оси, то в сечении, перпендикулярном оси, возникают напряжения кручения. В цент­ре поперечного сечения стержня волокна не испытывают деформа­ций скручивания и поэтому напряжения здесь равны нулю. Наи­большая деформация и наибольшие напряжения скручивания воз­никают на поверхности стержня. Как и при срезе, напряжения кручения расположены в плоскости скручивания, перпендикуляр­ной продольной оси стержня.

В сварных швах и соединениях при работе конструкции могут возникать все описанные выше виды напряжений. Наиболее часто появляются напряжения растяжения и среза, которые и приходит­ся учитывать в первую очередь при расчете сварных швов на проч­ность.