О стали

Определение предела текучести стали, таблицы. Термообработка, временные сопротивления, пределы текучести, пределы выносливости, допускаемые напряжения легированных конструкционных сталей.

Виды деформации стали

Тяжелым конструкциям необходимо придать дополнительную прочность и надежность, в связи с чем к свойствам используемых для изготовления металлов предъявляются особые требования.

При расчете размеров конструкции важную роль играет снижение массы сооружения без потери его несущих способностей. Используемые для изготовления металлических сооружений конструкционные металлы должны иметь достаточно высокие показатели прочности и хорошую пластичность.

Сопротивляемость деформации и разрушению под воздействием внешней нагрузки во многом зависит от того, какими свойствами наделен металл. В производстве стали деформация встречается в двух видах: упругой и пластической.

Описываются они разными характеристиками. Сегодня для испытания образцов металлов применяют несколько методик, которые определяют значения пропорциональности, упругости, текучести и других важных характеристик.

Современное определение стали звучит как твердый сплав железа с углеродом, процентным содержанием которого и обусловлены основные свойства стали. Чем выше содержание углерода, тем металл прочнее и тверже, но ниже вязкость и пластичность. Поэтому так важно правильно рассчитать соотношение этих показателей для производства тех или иных изделий из стали. Маркировать стали принято каждую группу по-разному.

Конструкционная углеродистая сталь маркируется буквами Ст и цифровыми обозначениями от 1 до 9, а также двумя буквами в зависимости от способа раскисления металла (ст.3кп):

1. кп — кипящая;
2. пс — полуспокойная;
3. сп — спокойная.

Качественная — цифрами двузначными: 05,08,10,… 45…, что указывает на среднее количество углерода в составе стали.

Предел текучести стали

Граничный предел пропорциональности стали определяет напряжение, при котором действует закон Гука, согласно с которым деформация, возникшая в упругом теле, пропорциональна приложенной к нему силе. Если напряжение меняется, этот закон теряет актуальность.

Немаловажной физической величиной, участвующей в формуле при расчете прочности конструкции, является предел текучести металла. Когда металлом достигается физический предел, даже самое малое поднятие напряжения способно удлинить образец, который начинает как бы течь, откуда и произошло его обозначение. В связи с этим граница текучести стали показывает критическое напряжение, когда материал деформируется уже без увеличения нагрузки.

Единица, в которой производится измерение предела текучести будет называться Паскаль (Па) либо МегаПаскаль (МПа). Преодолевший этот предел образец получает необратимые изменения — разные степени деформации, нарушение структурного строения кристаллической решетки, различные пластические преобразования.

Если при увеличении растягивающего значения силы пройдена площадка текучести, деформация металла усиливается. На диаграмме это представляется в виде горизонтально расположенной прямой, на которой может измеряться напряжение, максимально получаемое после остановки усиления нагрузки. Так называемый предел текучести Ст 3 составляет 2450 кг/кв.см.

Этот показатель отличается у различных марок стали и может меняться от применения разных температурных режимов и типов термообработки. Чтобы иметь возможность точно определить предел текучести стали таблица используется, где в зависимости от марок сталей приведены величины пределов текучести. Как пример, по данным таблицы сталь 20 предел текучести имеет 250 МПа, а сталь 45 — 360.

При проведении испытаний некоторые металлы на диаграмме имеют слабо выраженную площадку тягучести либо она вовсе отсутствует, поэтому к ним применяется условный предел тягучести.

Материалы, на которые распространяется применение условного предела текучести, это в основном представители высокоуглеродистых и легированных сталей, дюралюминий, чугун, бронза и многие другие.

Предел упругости

Весьма важной составляющей механического состояния металлов является предел упругости стали. С его помощью устанавливается предельно допустимый уровень нагрузок при эксплуатации металла, когда им испытываются незначительные деформации в допустимых значениях.

Конструкционные материалы в себе должны сочетать высокие пределы тягучести, при которых они смогут выдерживать серьезные нагрузки, и иметь достаточную упругость, которая обеспечит необходимую жесткость изготовляемой конструкции. Сам модуль упругости обладает одинаковой величиной при растяжении и сжатии, но иметь совершенно отличные пределы упругости — так что одинаково жесткие конструкции диапазоны упругости могут иметь абсолютно разные.

При этом металл в упругом состоянии макропластических деформаций не получает, хотя в его отдельных микроскопических объемах локальные деформации вполне могут иметь место. Благодаря им происходят неупругие явления, серьезно воздействующие на поведение отдельных металлов в состоянии упругости.

При этом нагрузки статические приводят к возникновению гистерезисных явлений, релаксации и упругого последействия, в то время как нагрузки динамические провоцируют появление внутреннего трения.

В процессе релаксации происходит несанкционированное снижение напряжения. Это приводит к проявлению остаточной деформации, когда активная нагрузка уже не действует. При наступлении внутреннего трения происходит потеря энергии. Это вызывает необратимые последствия, которые характеризуются декрементом затухания и коэффициентом внутреннего трения.

Такие металлы активно гасят вибрацию и сдерживают звук, например, серый чугун, или свободно распространяют колебания, как это делает колокольная бронза. С повышением температурного воздействия упругость металлов снижается.

Пределы прочности материалов

Быстрый поиск

Определённая пороговая величина для конкретного материала, превышение которой приведёт к разрушению объекта под действием механического напряжения. Основные виды пределов прочности: статический, динамический, на сжатие и на растяжение. Например, предел прочности на растяжение — это граничное значение постоянного (статический предел) или переменного (динамический предел) механического напряжения, превышение которого разорвет (или неприемлемо деформирует) изделие. Единица измерения — Паскаль , Н/мм ² = .

Предел текучести (σт)

Величина механического напряжения, при которой деформация продолжает увеличиваться без увеличения нагрузки; служит для расчётов допустимых напряжений пластичных материалов.

После перехода предела текучести в структуре металла наблюдаются необратимые изменения: кристаллическая решетка перестраивается, появляются значительные пластические деформации. Вместе с тем происходит самоупрочнение металла и после площадки текучести деформация возрастает при увеличении растягивающей силы.

Нередко этот параметр определяют как «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация» , таким образом, отождествляя пределы текучести и упругости. Однако следует понимать, что это два разных параметра. Значения предела текучести превышают предел упругости ориентировочно на 5%.

Предел выносливости или предел усталости (σR)

Способность материала воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения. Этот прочностной параметр определяют как максимальное напряжение в цикле, при котором не происходит усталостного разрушения изделия после неопределенно большого количества циклических нагружений (базовое число циклов для стали Nb = 10 7). Коэффициент R (σR) принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ-1, а в случае пульсационных — как σ0.

Отметим, что усталостные испытания изделий очень продолжительны и трудоёмки, они включают анализ больших объёмов экспериментальных данных при произвольном количестве циклов и существенном разбросе значений. Поэтому чаще всего используют специальные эмпирические формулы, связывающие предел выносливости с другими прочностными параметрами материала. Наиболее удобным параметром при этом считается предел прочности.

Для сталей предел выносливости при изгибе как правило составляет половину от предела прочности: Для высокопрочных сталей можно принять:

Для обычных сталей при кручении в условиях циклически изменяющихся напряжений можно принять:

Приведённые выше соотношения стоит применять осмотрительно, потому что они получены при конкретных режимах нагружения, т.е. при изгибе и при кручении. Однако, при испытании на растяжение-сжатие предел выносливости становится примерно на 10—20% меньше, чем при изгибе.

Предел пропорциональности (σ)

Максимальная величина напряжения для конкретного материала, при которой ещё действует закон Гука, т.е. деформация тела прямо пропорционально зависит от прикладываемой нагрузки (силы)

Обратите внимание, что для множества материалов достижение (но не превышение!) предела упругости приводит к обратимым (упругим) деформациям, которые, впрочем, уже не прямо пропорциональны напряжениям. При этом такие деформации могут несколько «запаздывать» относительно роста или снижения нагрузки

Диаграмма деформации металлического образца при растяжении в координатах удлинение (Є) — напряжение (σ).

1:Предел абсолютной упругости.

2:Предел пропорциональности.

3:Предел упругости.

4:Предел текучести. (σ 0.2)

www.smalley.ru

Общие сведения и характеристики сталей

Сталь относят к ковкому деформируемому сплаву на основе железа с углеродом и добавками других элементов. Выплавляют материал из чугунных смесей с металлическим ломом в мартеновских, электрических и кислородных конверторных печах.

Равновесное состояние в структуре сталей

Сформировавшаяся кристаллическая решетка металла зависит от количества содержащегося в них углерода и определяется по структурной диаграмме в соответствии с процессами в этом сплаве. Например, решетка стали, в которой содержится до 0,06% углерода, имеет зернистую структуру и является ферритом в чистом виде. Прочность таких металлов небольшая, но материал обладает высоким пределом ударной вязкости и текучести. Структуры сталей в состоянии равновесия подразделяются:

• ферритная;
• перлитно-ферритная;
• цементитно-ферритная;
• цементитно-перлитная;
• перлитная;

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Изменения главных составляющих цементита и феррита определяются свойствами первого по закону аддитивности. Увеличение процентной добавки углерода до 1,2% позволяет повысить прочность, твердость, порог хладоемкости на 20ºС и предел текучести. Повышение содержания углерода изменяет физические свойства материала, что иногда приводит к ухудшению технических характеристик, таких как способность к свариванию, деформации при штамповках. Отличным свариванием в конструкциях обладают низкоуглеродистые сплавы.

Добавки марганца и кремния

Марганец вводят в состав сплава в качестве технологической добавки для увеличения степени раскисления и уменьшения вредного воздействия серных примесей. В сталях он присутствует в виде твердых составляющих в количестве не более 0,8% и не оказывает существенного влияния на свойства металла.

Кремний действует в составе сплава аналогичным образом, добавляется при процессе раскисления в количестве не больше 0,38%. Для возможности соединения деталей сваркой содержание кремния не должно быть больше 0,24%. На свойства сталей кремний в составе сплава не влияет.

Примеси серы и фосфора

Пределом содержания серы в сплаве является порог в 0,06%, она содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное содержание примеси существенно ухудшает механические и физические свойства сталей. Это выражается в уменьшении пластичности, предела текучести, ударной вязкости, сопротивления истиранию и коррозии. Содержание фосфора также ухудшает качественные показатели металлических сплавов, предел текучести после увеличения фосфора в составе повышается, но снижается вязкость и пластичность. Стандартное содержание примеси в сплаве регламентируется интервалом от 0,025 до 0,044%. Наиболее сильно фосфор ухудшает свойства сталей при одновременном высоком показателе добавок углерода.

Азот и кислород в сплаве

Эти вещества загрязняют сталь неметаллическими примесями и ухудшают ее механические и физические показатели. В частности, это относится к порогу вязкости и выносливости, пластичности и хрупкости. Содержание в сплаве кислорода в размере больше, чем 0,03% вызывает быстрое старение металла, азот увеличивает ломкость и повышает со временем деформационное старение. Содержание азота увеличивает прочность, тем самым понижая предел текучести.

Легирующие добавки в составе сплавов

К легированным относят стали, в которые специально вводятся в определенных сочетаниях элементы для повышения качественных характеристик. Комплексное легирование дает наилучшие результаты. В качестве добавок применяют хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие.

Легированием повышают предел текучести и другие технологические свойства, такие как ударная вязкость, сужение и возможность прокаливания, снижение порога деформации и растрескивания.

Физические, химические и технологические свойства стали

Физические свойства:

1. Плотность, которая определяется как масса металла на единицу объема. Высокий данный показатель стальных изделий, в том числе арматуры а500с, позволяет активно использовать их для строительных нужд.
2. Теплопроводность, то есть способность стали обеспечивать распространение теплоты от более нагретых частей к менее нагретым.
3. Электропроводность – способность материала пропускать электрический ток.

Химические свойства:

1. Окисляемость, что предполагает возможность соединения металла кислородом. Данное свойство усиливается при нагревании стали. На сплавах, имеющих малую долю углерода, в процессе окисления под действием воды, влажного воздуха формируется ржавчина, то есть оксиды железа.
2. Стойкость к коррозии – способность металла не вступать в химические реакции, не окисляться.
3. Жаростойкость представляет собой отсутствие окислительных процессов на сплаве под воздействием высокой температуры, а также способность не образовывать окалину.
4. Жаропрочность – сохранение сталью прочности в условиях высокой температуры.

Технологические свойства:

1. Ковкость, то есть способность материала принимать заданную форму под действием внешних сил.
2. Обрабатываемость резанием – важное свойство стали, которое упрощает производство металлопроката, так как данный металл хорошо поддается обработке режущим инструментом.
3. Жидкотекучесть – способность расплава проникать в узкие зазоры, заполнять пространство.
4. Свариваемость – позволяет осуществлять эффективные сварочные работы, формируя надежное неразъемное соединение, лишенное дефектов.

Расчет величины предела текучести

Гениальное допущение, сделанное Френкелем при расчетах, заключалось в том, что процесс изменения формы материала рассматривался как приводимый в действие напряжениями сдвига. Для начала пластической деформации полагалось достаточным, чтобы одна половина тела сдвинулась относительно другой до такой степени, чтобы не смогла вернуться в начальное положение под действием сил упругости.

График физического предела текучести

Френкель предположил, что испытываемый в мысленном эксперименте материал имеет кристаллическое или поликристаллическое строение, свойственно для большей части металлов, керамики и многих полимеров. Такое строение предполагает наличие пространственной решетки, в узлах которой в строго определенном порядке расположены атомы. Конфигурация этой решетки строго индивидуальны для каждого вещества, индивидуальны и межатомные расстояния и связывающие эти атомы силы. Таким образом, чтобы вызвать пластическую деформацию сдвига, потребуется разорвать все межатомные связи, проходящие через условную плоскость, разделяющую половины тела.

При некотором значении напряжения, равному пределу текучести, связи между атомами из разных половин тела разорвутся, и рады атомов сместятся друг относительно друга на одно межатомное расстояние без возможности вернуться в исходное положение. При продолжении воздействия такой микросдвиг будет продолжаться, пока все атомы одной половины тела не потеряют контакт с атомами другой половины

В макромире это вызовет пластическую деформацию, изменит форму тела и при продолжении воздействия приведет к его разрушению. На практике линия начала разрушений проходит не посередине физического тела, а находится в местах расположения неоднородностей материала.

Теория и примеры решения задач по теоретической механике, сопротивлению материалов, технической и прикладной механике, теории механизмов и деталям машин

Испытания на растяжение

Испытания на растяжение являются одними из наиболее фундаментальных и распространенных методов механического контроля. При испытании на растяжение применяется растягивающее усилие к материалу и измеряется реакция образца на напряжение. Таким образом, данное исследование определяет насколько прочен материал и насколько он может удлиниться. Испытания на растяжение обычно проводятся на универсальных испытательных машинах, которые являются самым простым и стандартизированным способом произвести данное тестирование.

ООО «Глобалтест» представляет такие компании-производители как Galdabini SPA и Jinan Kason Testing Equipment CO. LTD.

С какой целью проводятся данные испытания?

Мы можем многое узнать о материале из испытаний на растяжение. Измеряя образец во время его растяжения, мы можем получить полные характеристики его свойств на растяжение. При нанесении этих данных на график кривой напряжение/деформация мы можем проследить, как материал реагировал на силу напряжение в каждой точке. Для нас наиболее значимой является точка разрушения, в которой образец разрушается, однако на графике также прослеживается предел пропорциональ­ности, предел текучести, которые предшествуют пределу прочности.

Предел прочности при растяжении

Один из наиболее важных свойств, которые мы можем определить у материала, является его предел прочности при растяжении (UTS). Это максимальное напряжение, которое выдерживает образец во время его испытания. UTS может или не может равняться прочности образца на разрыв, в зависимости от того, является ли материал, из которого изготовлен образец, хрупким, пластичным или обладает свойствами обоих. Иногда материал в лабораторных условиях может быть пластичным, а при вводе его в эксплуатацию и воздействии экстремально низких температур переходить в хрупкое состояние.

Закон Гука

Для большинства материалов в начале испытаний будет прослеживаться линейная зависимость между приложенным усилием или нагрузкой и удлинением. Эта линейная зависимость подчиняется отношению, определяемому как «закон Гука», где отношение напряжения к деформации является постоянным σ/ε = E, где E – это наклон линии в этой области, в которой напряжение σ пропорционально деформации (ε) и называется модулем упругости или модулем Юнга.

Модуль упругости

Модуль упругости – это мера жесткости материала, которая определяется в начальной линейной области кривой. В пределах этой линейной области нагрузка может быть прекращена, и материал в этом случае возвращается к прежнему состоянию, в котором он находился до применения нагрузки. Как только кривая больше не линейна, то закон Гука больше не применяется, и образец уже находится в некоторой деформации. Эта точка, при которой происходит отклонение от линейной зависимости, называется приделом упругости или пропорциональности. С этого момента материал деформируется на любое дальнейшее увеличение нагрузки. Он не вернется к своему первоначальному состоянию, если образец будет снят.

Предел текучести

«Предел текучести» материала определяется как напряжение, приложенное к материалу, при котором начинает происходить пластическая деформация.

Метод смещения

Для некоторых материалов (например, металлов или пластмасс) отклонение от линейной зависимости тяжело идентифицировать. Поэтому для определения данного предела используется метод смещения для определения текучести материала. Эта методика обычно применяется для измерения предела текучести металлов. При испытании металлов в соответствии с ASTM E8 / E8M смещение указывается в процентах от деформации (обычно 0,2%). Напряжение (R), которое определяется из точки пересечения «r», когда линия линейной упругой области (с наклоном, равным модулю упругости), оттянутой из смещения «m», становится пределом текучести.

Альтернативные методы

Кривые растяжения некоторых материалов не имеют четко определенной линейной области. В этих случаях стандарт ASTM E111 предусматривает альтернативные методы определения модуля материала, а также модуля Юнга. Этими альтернативными методами являются секущий и касательный методы.

Деформация

Мы также сможем определить величину растяжения или удлинения, которому подвергается образец во время испытания на растяжение. Она может быть выражена как абсолютное изменения длины или как относительное изменение, называемое «деформацией». Абсолютная деформация (Δl) — измене­ние размера (длины образца при испытаниях на растяже­ние), относительная деформация (ε) — отношение абсолютной дефор­мации к первоначальной длине (l), т.е. ε = Δl/l.

Проверка сплава

Перед запуском в производство для изучения свойств металлического сплава, проводят испытания. На образцы металла воздействуют различными нагрузками до полной потери всех свойств.

Нагрузки бывают:

• Статистическая нагрузка.
• Проверка на выносливость и усталость стали.
• Растягивание элемента.
• Тестирование на изгиб и кручение.
• Совместная выносливость на изгиб и растяжение.

Для этих целей применяют специальные станки и создают условия, максимально приближенные к режиму эксплуатации будущей конструкции.

Проведение испытаний

Для проведения испытаний на цилиндрический образец сечением в двадцать миллиметров и расчетной длиной в десять миллиметров применяют нагрузку на растяжение. Сам образец имеет длину более десяти миллиметров, чтобы была возможность надежно его захватить, а на нем отмечена длина в десять миллиметров и именно она называется расчетной. Силу растяжения увеличивают и замеряют растущее удлинение образца. Для наглядности данные наносят на график. Он носит название диаграммы условного растяжения.

При небольшой нагрузке образец удлиняется пропорционально. Когда сила растяжения достаточно увеличится, то будет достигнут предел пропорциональности. После прохождения этого предела начинается непропорциональное удлинение материала при равномерном изменении силы растяжения. Затем достигается предел, после прохождения которого образец не может возвратиться к первоначальной длине. При прохождении этого значения, изменение испытываемой детали происходит без увеличения силы растяжения. Например, для стального прута Ст. 3 эта величина равна 2450 кг на один квадратный сантиметр.

Невыраженная точка текучести

Если при постоянной силе воздействия, материал способен длительное время самостоятельно деформироваться, то его называют идеально пластическим.

При испытаниях часто бывает, что площадка текучести нечетка определена, тогда вводят определение условного предела текучести. Это означает, что сила, действующая на металл, вызвала деформацию или остаточное изменение около 0.2%. Значение остаточного изменения зависит от пластичности металла.

Чем металл пластичнее, тем выше значение остаточной деформации. Типичными сплавами, в которых нечетко выражена такая деформация, являются медь, латунь, алюминий, стали с малым содержанием углерода. Образцы этих сплавов называют уплотняющимися.

Когда металл начинает «течь» то, как демонстрируют опыты и исследования, в нём происходят сильные изменения в кристаллической решетке. На её поверхности появляются линии сдвига и слои кристаллов значительно сдвигаются.

После того как металл самопроизвольно растянулся, он переходит в следующее состояние и опять приобретает способность сопротивления. Затем сплав достигает своего предела прочности и на детали четко проявляется наиболее слабый участок, на котором происходит резкое сужение образца.

Площадь поперечного сечения становится меньше и в этом месте происходит разрыв и разрушение. Величина силы растяжения в этот момент падает вместе со значением напряжения и деталь рвётся.

Высокопрочные сплавы выдерживают нагрузку до 17500 килограмм на сантиметр квадратный. Предел прочности стали СТ.3 находится в пределах 4−5 тыс. килограммов на сантиметр квадратный.

Характеристика пластичности

Пластичность материала является важным параметром, который должен учитываться при проектировании конструкций. Пластичность определяется двумя показателями:

• остаточным удлинением;
• сужением при разрыве.

Остаточное удлинение вычисляют путем замера общей длины детали после того, как она разорвалась. Она состоит из суммы длин каждой половины образца. Затем в процентах определяют отношение к первоначальной условной длине. Чем прочнее металлический сплав, тем меньше значение относительного удлинения.

Остаточное сужение — это отношение в процентах самого узкого места разрыва к изначальной площади сечения исследуемого прута.

Показатель хрупкости

Самым хрупким металлическим сплавом считается инструментальная сталь и чугун. Хрупкость — это свойство обратное пластичности, и оно несколько условно, поскольку сильно зависит от внешних условий.

Такими условиями могут являться:

• Температура окружающей среды. Чем ниже температура, тем хрупче становится изделие.
• Скорость изменения прилагаемого усилия.
• Влажность окружающей среды и другие параметры.

При изменении внешних условий, один и тот же материал ведет себя по-разному. Если чугунную болванку зажать со всех сторон, то она не разбивается даже при значительных нагрузках. А, например, когда на стальном пруте есть проточки, то деталь становиться очень хрупкой.

Поэтому на практике применяют не понятие предела хрупкости, а определяют состояние образца как хрупкое или довольно пластичное.

Диаграмма растяжения стали, не имеющей площадки текучести

За площадкой текучести кривая (рис. выше) опять идет вверх, нагрузка снова начинает расти и в самой верхней точке достигает своего наибольшего значения (σмакс — разрушающая нагрузка), после чего вновь уменьшается до момента разрыва образца.

Относительное удлинение вычисляется по формуле

где Lk — длина образца после разрыва (конечная длина), мм; L — расчетная начальная длина образца, мм.

Читайте также:  Соединение медных труб: типы и особенности

Чтобы измерить длину образца после разрыва, обе его части складываются по длине и штангенциркулем измеряют расстояние между рисками, соответствующими принятой расчетной длине.

Помимо основных характеристик σy, σu, ε, определяемых по результатам испытаний на растяжение, важными показателями ар­матурных сталей являются отношения предела текучести к времен­ному сопротивлению и предела пропорциональности к пределу те­кучести.

Отношение σy/σu характеризует резерв прочности стали. В ар­матурных сталях обычной и повышенной прочности это отноше­ние близко к 0,6, что свидетельствует о достаточно большом резер­ве работы материала и позволяет использовать в широких пределах пластические свойства стали. Для высокопрочных арматурных ста­лей предел текучести близок к временному сопротивлению σ0,2/σu=О,8-0,9, что ограничивает использование работы материала в упругопластической стадии.

Модуль упругости арматурной стали Es. Так как арматурная сталь работает в упругопластических условиях, расчетные значе­ния модуля деформации (упругости) ее принимают равными их нор­мативным значениям или в,зависимости от класса арматурной ста­ли по таблице ниже.

Как проводятся испытания на производствах

Для проведения испытаний, целью которых является определение текучести материала, берут цилиндрическую заготовку диаметром 20 мм и длиной более 10 мм. На детали делают насечки для получения отрезка длиной 10 мм. Сама заготовка должна быть больше этой длины для того, чтобы ее можно было захватить с двух сторон.

Поведение сталей при высоких температурах

Деталь зажимают в тиски и начинают растягивать, постепенно увеличивая силу растяжения. В процессе произведения нагрузки производят замеры растущего удлинения образца. Полученные данные заносят в график, называемый диаграммой условного растяжения.

Если на заготовку оказывается небольшая нагрузка, она растягивается в обе стороны пропорционально. По мере увеличения силы растяжения достигается предел пропорциональности, после чего деталь растягивается неравномерно. Предел текучести стали определяется в тот момент, когда материал уже не может вернуться к первоначальной длине.

Читайте также:  ДИНИСТОРЫ, ИХ АНАЛОГИ И ТИРИСТОРЫ – СДЕЛАЙ САМ

Существуют Государственные Стандарты и Технические Условия, в которых значения предела текучести разделены на четыре класса:

• 1 класс – до 500 кг/см2;
• 2 класс – до 3000 кг/см2;
• 3 класс – до 4000 кг/см2;
• 4 класс – до 6000 кг/см2.

Определение пластичности

Показатель пластичности является не менее важным параметром, который обязательно учитывается в процессе проектирования конструкций. Он определяется двумя параметрами:

• остаточным удлинением;
• сужением при разрыве.

Чтобы рассчитать остаточное удлинение, производят замер двух частей детали после разрыва. Длину каждой части складывают, а затем определяют процентное соотношение к первоначальной длине. У более прочных металлических сплавов этот показатель меньше.

Характеристики пластичности стали

Определение хрупкости

Хрупкость – это свойство, противоположное пластичности. Показатель хрупкости зависит от множества факторов. К ним относятся:

• температура воздуха (при низких температурах хрупкость материала увеличивается);
• увеличение скорости оказываемой нагрузки;
• влажность воздуха и пр.

Изменение этих условий приводит к изменению показателя хрупкости. К примеру, чугун – хрупкий материал. Но если чугунную деталь зажать со всех сторон, она способна перенести значительные нагрузки. А стальной прут с насечками становится невероятно хрупким.

Определение прочности

Прочность – это характеристика металла, определяющая его способность выдерживать нагрузки, не разрушаясь полностью. Для испытаний берут деталь и создают для нее условия, максимально приближенные к эксплуатационным, путем постепенного увеличения нагрузок.

Прочность стали на растяжение при изгибе

Высокопрочные стали: ликбез для потребителя

Всем известно, что атомы в металлах расположены не в произвольном порядке, а образуют некую упорядоченную структуру – кристаллическую решетку. Однако попытка теоретически оценить прочность такой решетки приводит к парадоксальному результату: рассчитанное значение в тысячи раз превосходит реальную прочность металлов. Разгадка проста: в мире не существует ничего идеального, в том числе и идеальных кристаллических решеток. Именно присутствие дефектов в структуре металлов ограничивает и определяет их прочность.

Дефекты в металлах образуются в ходе затвердевания и механической обработки, в процессе термической обработки. Более того, учеными установлено, что полностью избавиться от присутствия дефектов в кристаллических решетках твердых тел в принципе невозможно: это противоречило бы принципам термодинамики.

Однако всесторонние научные исследования свойств металлов позволяют установить закономерности развития дефектной структуры, их связи со свойствами материалов, что в конечном итоге приводит к созданию новых сплавов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Также этому процессу способствует постоянное повышение требований к конструкционным материалам.

В частности, ужесточение условий работы машин и механизмов, стремление повысить их производительность и продлить срок службы, привело к появлению и развитию нового класса материалов – высокопрочных сталей.

Немало этому способствовало развитие авиации, космонавтики и ракетостроения – областей, где соотношение массы конструкции и полезной грузоподъемности играет решающую роль.

В западной и отечественной литературе приняты различные подходы к определению понятия «высокопрочные стали». В американской литературе высокопрочными (high-strength steel) называют стали, имеющие предел текучести от 260 до 560 МПа.

При таком разделении, в группу high-strength попадают все стали кроме мягких малоуглеродистых. Стали, имеющие предел текучести 560 МПа и выше относят к сверхвысокопрочным (ultra high-strength steel). Встречаются и более детализированные классификации, включающие три или четыре группы сталей.

В отечественной литературе высокопрочными принято называть стали, имеющие предел прочности выше 1300-1500 МПа.

Важными характеристиками высокопрочных сталей помимо высоких значений предела прочности и предела текучести, являются трещиностойкость и сохранение на приемлемом уровне пластичности. Большое внимание уделяется также такой их характеристике как свариваемость.

К высокопрочным сталям следует отнести следующие виды:

1. Среднелегированные низкоотпущенные стали;
2. Мартенситно-стареющие стали;
3. ПНП-стали (TRIP steel, TRIPassisted steel).

Среднелегированные низкоотпущенные стали

Высокие значения прочности в среднеуглеродистых легированных сталях достигаются путем применения закалки при 880-900°С и последующего низкого отпуска при 220-300°С. Данный вид сталей содержит 0,25-0,4% углерода. С повышением содержания углерода, увеличивается максимальный предел прочности, однако при достижении концентрации 0,45%, вязкий характер разрушения сменяется хрупким.

Легирование стали в небольших пределах практически не влияет на предел прочности, однако, оказывает влияние на переход вязкого характера разрушения в хрупкий, сдвигая этот переход в сторону более высокого содержания углерода. Легированием малоуглеродистой и среднеуглеродистой стали можно добиться более высокой пластичности и вязкости, уменьшения чувствительности к надрезу, а легированием высокоуглеродистых сталей – достичь увеличения прочности при хрупком изломе, а иногда и перехода хрупкого излома в пластичный.

Введение в состав стали никеля, хрома и молибдена увеличивает сопротивление хрупкому разрушению, позволяет использовать сталь с более высоким содержанием углерода. Добавление кремния позволяет уменьшить содержание углерода при сохранении прочности. В свою очередь, уменьшение концентрации углерода положительно сказывается на свариваемости.

серы и фосфора в высокопрочных сталях не должно превышать 0,03-0,035%. Фосфор даже в малых количествах существенно увеличивает чувствительность высокопрочных сталей к надрезу. Сера очень вредно влияет на свариваемость и прочность сварных соединений.

Наиболее широко применяемые стали этого класса: 30ХГСА, 35ХГСА, 30ХГСНА, 30ХГСНМА, 40ХН2СВА (ЭИ643), ВЛ-1.

Сталь 30ХГСА применяется для изготовления валов, осей, зубчатых колес, фланцев и других улучшаемых деталей, работающих при температуре до 200°С, ответственных сварных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках, крепежных деталей, работающих при низких температурах. Предел прочности после закалки и низкого отпуска составляет 1500 МПа. Сталь ограниченно свариваемая, после сварки необходима термообработка.

Сталь 35ХГСА имеет более высокую прочность (1900 МПа после отпуска при 200°С) за счет повышенного содержания углерода. Применяется в изготовлении фланцев, кулачков, пальцев, валиков, рычагов, осей, деталей сварных конструкций сложной конфигурации, работающих в условиях знакопеременных нагрузок.

Из стали ЭИ643 изготавливают крупные изделия: валы, диски, редукторные шестерни, а также крепежные детали. Стали 30ХГСА, ЭИ643, ВЛ-1 применяются при изготовлении сварных конструкций в самолетостроении.

Дополнительное повышение прочности может быть достигнуто за счет термомеханической обработки. Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с частичным выделением углерода из мартенсита при деформации.

Мартенситно-стареющие стали

Высокий уровень прочности, достигаемый в этих сталях, обусловлен процессами старения в безуглеродистом (содержание углерода не превышает 0,03%) мартенсите, который в исходном, несостаренном состоянии обладает высокой пластичностью и относительно малой прочностью. Упрочнение обеспечивается старением мартенсита при температуре 450-550°С и обусловлено процессами образования высокодисперсных интерметаллидных фаз типа NiTi, Ni3Ti, Fe2Mo и др.

Мартенситно-стареющие стали обладают хорошими технологическими свойствами. В закаленном состоянии мартенсит этих сталей пластичен и может подвергаться деформации, обработке режущим инструментом и т.д. После отпуска они обладают высокой конструкционной прочностью в широком интервале температур (от криогенных до 400°С), благодаря чему используются в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д.

Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т. Закалка и старение при 480-520°С позволяет достигать значений предела прочности 1900-2100 МПа. Кроме стали Н18К9М5Т, используются менее легированные стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ.

Оптимальное сочетание прочности, пластичности и вязкости имеют сложнолегированные стали, содержащие 9-18% Ni, 7-9% Co, 4-6% Mo, 0,5-1% Ti. Для их получения используют индукционные печи, вакуумно-дуговую и электрошлаковую плавку.

Предел прочности таких сталей после закалки составляет 1100-1200 МПа. Старение при 480-500°С приводит к повышению прочности до 1900-2100 МПа при сохранении пластичности на уровне 8-12%.

Мартенситно-стареющие стали могут также обладать коррозионной устойчивостью. Примерами являются стали 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921) и 03Х13Н8Д2ТМ (ЭП699). Они свариваются ручной и автоматической аргоннодуговой сваркой. Сварные соединения не склонны к образованию горячих и холодных трещин. Такие стали обладают также высокой эрозионной стойкостью.

Они используются при изготовлении сварных тяжелонагруженных деталей и конструкций для работы в интервале температур от -196 до 400°С при воздействии слабоагрессивных сред, обладают высокой эрозионной стойкостью. К конструкционным мартенситно-стареющим сложнолегированным относятся стали 03Н18К8М5Т-ВД (ЭК21-ВД), 03Н18М2Т2-ВИ, 03Н18К9М5Т-ВД (ЭП637-ВД) и др. Они применяются для изготовления ответственных тяжелонагруженных деталей: крепежных болтов, осей и емкостей высокого давления, сварных корпусов и зубчатых передач двигателей, валов вертолетов.

Предел текучести металла

Характеристика, данная выше, справедлива в первую очередь для предела текучести металла. Предел текучести металла измеряется в кг/мм2 или Н/м2. На значение предела текучести металла влияют самые разные факторов, например: толщина образца, режим термообработки, наличие тех или иных примесей и легирующих элементов, микроструктура, тип и дефекты кристаллической решётки и др. Предел текучести металлов сильно меняется с изменением температуры.