Работа стали при неравномерном распределении напряжения.

Если в напряженном элементе есть отверстия, выточки, местные сужения, резкий переход от одного сечения к другому, то силовой поток внутри элемента в этих местах будет сгущаться и искривляться, обходя препятствия. Напряжения у этих мест будут распределены неравномерно; величина наибольших пиковых напряжений будет значительно больше среднего, равномерно распределенного напряжения.

Главное напряжение s на искривленной траектории может быть разложено на два взаимно перпендикулярных направления s_х иs_у, поэтому криволинейным траекториям всегда соответствует сложное напряженное состояние – плоскостное или объемное. При сложном напряженном состоянии в случае однозначных напряжений увеличиваются пределы текучести R_yn и прочности R_un и сильно уменьшается относительное удлинение e, материал работает более хрупко. Чем острее надрез или выточка, тем больше пиковые напряжения и искривление силового потока, а также тенденция перехода стали в хрупкое состояние.

Факторы, вызывающие искривление плавного силового потока (отверстия, щели, надрезы, утолщения) называют концентраторами напряжений, у таких мест происходит концентрация напряжений. Отношение максимального напряжения в месте концентрации к условному, равномерно распределенному в данном сечении напряжению называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруглых выточек равен 2—3, у острых щелей и надрезов он значительно выше.

Большое количество разрушений металлических конструкций связано с явлением концентрации напряжений и переходом стали в хрупкое состояние. Определить расчетом величину напряжений у очагов концентрации чрезвычайно трудно. Поэтому чтобы предотвратить разрушение от концентрации напряжений и переход стали в хрупкое состояние, необходимы конструктивные мероприятия, обеспечивающие плавное распределение силового потока.

4.5 Работа стали при повторных нагрузках.
Усталостная и вибрационная прочность

Усталостью металла называется разрушение его под действием многократно повторенной знакопеременной или переменной нагрузки при значениях напряжений ниже временного сопротивления. Способность металла сопротивляться такому разрушению называется выносливостью, а напряжение при котором металл разрушается, – вибрационной или усталостной прочностью s_вб. При этом существенное значение имеет, ниже или выше предела текучести R_yn максимальные напряжения при повторяющихся нагрузках. В первом случае, при упругих деформациях, разрушение наступает при циклах нагрузки в несколько сот тысяч или миллионов раз. Во втором случае, при упругопластических деформациях, из-за наличия остаточных деформаций разрушение происходит при меньшем числе циклов нагрузки, измеряемой единицами или сотнями (например, разрушение проволоки при многократных больших перегибах), и называется упругопластической малоцикловой усталостью. Вибрационная прочность s_вб неодинакова для различных марок сталей. Для одной и той же марки стали вибрационная s_вб прочность зависит от характера циклов нагрузки и их количества. Характер цикла определяется отношением наименьших по абсолютной величине напряжений к наибольшим .

Наибольшее напряжение, при котором материал в состоянии выдерживать практически неограниченно большое число циклов нагружения при данном коэффициенте асимметрии r называется пределом выносливости или пределом усталости .

При расчете металлоконструкций усталость металла учитывается снижением расчетного сопротивления стали, умножением на коэффициент , значение которого зависит от рассмотренных факторов и приводится в нормах проектирования или определяется по формулам. При проектировании металлических конструкций, подверженных воздействию многократно действующих подвижных или вибрационных нагрузок (подкрановых балок, бункерных и разгрузочных эстакад, конструкций под моторы, станки и т. п.) особое внимание следует уделять разработке конструктивных решений, вызывающих наименьшую концентрацию напряжений: плавные переходы в соединениях элементов, отсутствие резких изменений сечений, отверстий, вырезов и т. д.