Стальные вертикальные резервуары низкого давления
для нефти и нефтепродуктов

конструкция, проектирование, эксплуатация и ремонт

2.3.3.2. Работа стали при неравномерном распределении напряжений

При высоких значениях напряжений в местах их концентрации, казалось, весьма рано должны были бы появиться пластические деформации. На самом деле этого нет, так как концентрация напряжений препятствует развитию пластических деформаций, затрудняя их продвижение.

Около пиковых точек с повышенными напряжениями располагается поле однозначных напряжений. Действительно, точка с повышенными, например растягивающими, напряжениями, связанная с соседними, увлекает их за собой и вызывает в них растягивающие напряжения, т. е. напряжения того же знака, что и в рассматриваемой точке. Соседние менее напряженные точки препятствуют деформации более напряженной; поэтому в последней пластические деформации могут развиться только при более высоких напряжениях. Повышенным неравномерно распределенным напряжениям соответствуют более высокие напряжения перехода в пластическое состояние. Поле однозначных напряжений требует более высоких напряжений для перехода в пластическое состояние, поскольку разности главных нормальных напряжений (пропорциональные касательным напряжениям, необходимым для появления пластических деформаций) получаются при этом малыми; только при очень больших значениях нормальных напряжений эти разности могут достичь величин, отвечающих переходу в пластическое состояние. Все это повышает опасность возникновения хрупкого состояния материала и хрупкого разрушения.

При разнозначных напряжениях, наоборот, пластичность появляется более рано.

Рис.11. Диаграмма работы образцов с заточкой

Однако хрупкое разрушение возможно только при весьма больших нормальных напряжениях, так как одновременно с повышением предела текучести повышается и предел прочности (относительное удлинение, наоборот, уменьшается). Повышение предела текучести до предела прочности и совершенно хрупкое разрушение обычно не имеют места в металлических конструкциях, но разница между этими пределами может получиться небольшой, и тогда при малых удлинениях разрушение происходит достаточно внезапно, т. е. носит хрупкий характер. Почти все разрушения (образование трещин) в металлических конструкциях связаны с явлением концентрации напряжений; однако это явление в расчетах обычно не учитывается, так как повышение напряжений при явлении концентрации напряжений зависит не столько от силовых факторов, сколько от неправильностей формы элемента, т. е. по существу от дефектов конструкции, которые не могут быть учтены расчетом. При хорошем решении конструкции и при высоких основных напряжениях, зависящих от внешней нагрузки, концентрация напряжений будет мала; в конструкции с дефектами и при низких силовых факторах напряжения в точках концентрации могут быть велики. Таким образом, бороться с концентрацией напряжений нужно в первую очередь конструктивными мероприятиями.

Ярким примером перехода стали из пластического состояния в хрупкое могут служить испытания образцов с заточкой; по мере увеличения остроты заточки резко уменьшается удлинение (пластичность) и повышаются пределы прочности и текучести (рис. 11).

Неравномерное распределение напряжений может получиться не только из-за неправильностей формы напряженного элемента, но и в результате других причин, например при сосредоточенном приложении нагрузки. Под сосредоточенной нагрузкой возникают местные повышения напряжений, которые постепенно рассасываются по мере удаления от точки приложения нагрузки.