Номинальные допускаемые напряжения для стали

Сталь широко используется в машиностроении благодаря оптимальному сочетанию прочности, пластичности и стоимости. При проектировании стальных конструкций ключевым параметром являются допускаемые напряжения - предельные значения, которые не должны превышаться при эксплуатации для обеспечения надежности и долговечности.

Обзор нормативных документов по допускаемым напряжениям

Основным документом, регламентирующим методику расчета допускаемого напряжения для стали, является ГОСТ Р 52857.1-2007. В нем приведены формулы для определения предельных напряжений с учетом условий работы и свойств материала.

Допускаемые напряжения были определены согласно ГОСТ-52857.1-2007. Для расчетного срока эксплуатации до 2*10⁵ ч допускаемое напряжение, расположенное ниже горизонтальной черты, умножают на коэффициент 0,9 при температуре < 600 °С и на коэффициент 0,8 при температуре от 600 °С до 700 °С включительно.

Таким образом, в формулы закладывается запас прочности с помощью понижающих коэффициентов. Это необходимо для компенсации различных неблагоприятных факторов - концентрации напряжений, усталостных явлений, коррозии, износа.

Пример расчета допускаемого напряжения

Рассчитаем допускаемые напряжения для стали 20 при следующих условиях:

Материал - сталь 20, сортовой прокат
Температура - 20°С
Вид нагрузки - статическая

Согласно ГОСТ, для сортового проката стали 20 [σ] = 140 МПа. Принимаем коэффициент запаса прочности по материалу n = 2,4.

Тогда допускаемое напряжение равно:

σ_доп = [σ]/n = 140/2,4 = 58,3 МПа

То есть, напряжение в детали из сортового проката стали 20 не должно превышать 58,3 МПа при статической нагрузке и температуре 20°С.

Аналогично производится расчет допускаемых напряжений для сталей при температуре выше или ниже 20°C с использованием дополнительных понижающих коэффициентов.

Методы определения допускаемых напряжений

Существует два основных метода расчета предельных напряжений для стали:

Дифференцированный метод
Табличный метод

Дифференцированный метод

При дифференцированном методе запас прочности находят как произведение ряда понижающих коэффициентов. Учитываются такие факторы, как надежность материала, точность расчета, условия эксплуатации.

Этот метод дает наиболее точный результат, однако требует проведения дополнительных исследований и расчетов.

Табличный метод

Табличный метод основан на использовании справочных таблиц с номинальными допускаемыми напряжениями для разных марок стали. Значения получены экспериментально с учетом запаса прочности.

Данный метод проще в применении, однако менее точен. Рекомендуется для приближенных расчетов без учета дополнительных факторов.

Номинальные допускаемые напряжения различных сталей

Приведем примеры номинальных допускаемых напряжений стали согласно табличному методу для некоторых распространенных марок:

Марка стали	Допускаемое напряжение [σ], МПа
Ст3сп	160
20	140
40Х	280

Как видно, легированные стали имеют более высокие показатели. Однако следует учитывать вид нагрузки и наличие концентраторов напряжений в каждом конкретном случае.

Влияние термической обработки на допускаемые напряжения

Пределы выносливости стали существенно зависят от режима термообработки. Рассмотрим основные виды закалки и их влияние на механические характеристики.

Закалка с охлаждением в воде

При охлаждении в воде происходит резкое затвердевание поверхности с образованием мартенсита. Повышается твердость и прочность, но снижается пластичность.

Закалка с охлаждением в масле

Масло замедляет охлаждение. Получается оптимальное сочетание твердости и вязкости стали.

Учет концентрации напряжений

Надрезы, канавки, отверстия и другие концентраторы приводят к локальному возрастанию напряжений. Это опасно разрушением, поэтому необходимо вводить повышающие коэффициенты.

Влияние концентрации напряжений

Концентрация напряжений возникает в зонах резкого изменения поперечных размеров детали, надрезов, отверстий. В этих местах напряжение может в несколько раз превышать средний уровень.

Определение коэффициентов концентрации

Для учета концентрации напряжений используют повышающие коэффициенты k. Их значения определяют расчетным или экспериментальным путем для каждой конструкции.

Пример расчета с учетом концентрации

Допустим, из гладкого образца стали 20 было получено допускаемое напряжение 100 МПа. Образец имеет отверстие, для которого по справочнику коэффициент концентрации k=2.

Тогда допускаемое напряжение с учетом концентрации будет в 2 раза меньше: 100/2=50 МПа.

Корректировка допускаемых напряжений по размерам

С ростом размеров детали ее относительная прочность снижается. Это связано с большей вероятностью появления дефектов в крупных изделиях.

Масштабный фактор

Для учета размеров используют масштабный коэффициент. Его значение для стальных отливок обычно составляет 1,4...5.

Допускаемое напряжение делится на этот коэффициент.

Особенности расчета допускаемых напряжений при повышенных температурах

С повышением температуры пределы прочности и текучести стали снижаются. Необходимо использовать дополнительные понижающие коэффициенты.

Пример расчета для температуры 600°C

Согласно ГОСТ, при 600°C вводится коэффициент 0,8. Если изначально допускаемое напряжение было 200 МПа, то с учетом температуры оно снизится до 200*0,8=160 МПа.

Особенности расчета допускаемых напряжений при повышенных температурах

При повышенных температурах необходимо вводить дополнительные понижающие коэффициенты, так как прочность и текучесть стали снижаются с ростом температуры.

Изменение механических свойств стали от температуры

Наиболее существенное падение характеристик прочности и пластичности происходит в интервале от 300 до 600°С. При 700°С временное сопротивление разрыву снижается примерно в 2 раза по сравнению с комнатной температурой.

Выбор понижающих коэффициентов

Согласно ГОСТ при температуре от 600 до 700°С вводится коэффициент 0,8. Для более высоких температур следует использовать дополнительные экспериментальные данные о свойствах конкретной марки стали.

Дополнительный запас прочности

Кроме уменьшения расчетных напряжений, рекомендуется предусмотреть конструктивный запас путем увеличения толщины элементов, подвергающихся нагреву выше 600°С в процессе эксплуатации.