Структура стали и явление текучести

Малоуглеродистая сталь представляет собой однородное кристаллическое тело, состоящее из мелких кристаллов феррита, образующих зерна (Fe — чистое железо), и перлита (смесь цементита Fe3C с ферритом), расположенного главным образом по стыкам ферритных зерен и образующего как бы «сетку» или вкрапления между зернами.


Структура стали Ст. 3 (микрошлиф Х 80)

Структура стали Ст. 3 (микрошлиф Х 80)


Перлит значительно тверже феррита и более хрупок. В процессе упругой деформации под действием приложенных извне нагрузок изменяются силы взаимодействия между атомами кристаллов, в результате чего форма кристаллов искажается; после снятия нагрузки форма восстанавливается.

При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, называемых линиями текучести (линиями Чернова-Людерса), направленных под углом 45° к линии действия растягивающих сил. Эти линии, заметные на глаз, представляют собой след пластических смещений слоев металла; направление их в основном совпадает с направлением наибольших касательных напряжений. 


Линии текучести в растянутой полосе с отверстиями

Линии текучести в растянутой полосе с отверстиями


Пластические смещения представляются как следствие массового накопления пластической деформации кристаллов феррита.

Существует гипотеза, предполагающая что у малоуглеродистых сталей располагающийся у границ зерен сравнительно тонкой прослойкой перлит, будучи значительно тверже феррита, вначале сдерживает его пластическую деформацию, однако в местах наибольшего напора сдвигающихся и поворачивающихся кристаллов феррита при нагрузках, превышающих предел упругости, возможно местное разрушение хрупкого перлита; тогда накопленная им энергия воспринимается пластичным ферритом, в результате чего происходит увеличенное смещение последнего.

При массовом сдвиге зерен образуются заметные пластические смещения; этим объясняется возникновение «зуба» и наличие площадки текучести на диаграмме растяжения.

Вследствие наличия большого количества различно ориентированных кристаллов, несмотря на неоднородность микроструктуры стали, можно рассматривать сталь как тело однородное.

При нагружении образца выше предела текучести, когда прорабатывается вся площадка текучести (т. е, преодолевается сдерживающее влияние всей перлитной прослойки), материал приобретает способность к дальнейшему сопротивлению, и диаграмма растяжения становится криволинейной, отражая равномерное развитие пластических деформаций во всей массе металла вплоть до момента разрушения. В изломе можно наблюдать мелкозернистую кристаллическую структуру.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

Работа стали при сложном напряженном состоянии

При опытном изучении образцов на растяжение устанавливается значение предела текучести σт. При этом в образцах развиваются нормальные линейные напряжения, т. е. имеет место одноосное напряженное состояние. В случае сложного напряженного состояния (например, плоского напряженного состояния, когда образец растягивается в двух направлениях, или при совместном действии нормальных и касательных напряжений при изгибе) переход в пластическое состояние,…

Работа стали на растяжение

Если подвергнуть образец растяжению, последовательно увеличивая нагрузку Р, и производить при этом замеры получающихся удлинений ∆l, то можно построить опытную диаграмму растяжения, откладывая удлинение в функции нагрузки. Для удобства сравнения эту диаграмму выражают в напряжениях и относительных удлинениях: где σ — нормальное напряжение; F — первоначальная площадь сечения образца; ε — относительное удлинение в процентах;…