Характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность тела (металла) сопротивляться деформациям и разрушению. Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение.

При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «а» эта деформация σ пропорциональна нагрузке или действующему напряжению σ = P / F ₀, где  - приложенная нагрузка; F₀- начальная площадь поперечного сечения образца. Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука: σ = Еε, где ε =(Δ l/l₀) - относительная деформация; Δ l- абсолютное удлинение; l₀- начальная длина образца(мм), Е- модуль продольной упругости (модуль Юнга). 

В точке «а» упругая деформация переходит в пластическую деформацию, которая не исчезает после снятия нагрузки. Напряжение, при которой этот переход имеет место, называют “предел текучести” и обозначают σ _а.

Для некоторых мягких металлов характерно наличие площадки текучести.

Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них чаще определяют условный предел текучести - напряжение, вызывающее рост длины образца (см. рисунок 3.1): σ _{0, 2}=P_{0, 2}/F_0.

 

Ψ –поперечное сужение образца.

Рисунок 3.1.- Диаграмма истинных(S) и условных (σ ) напряжений.

 

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца. В точке , где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование “шейки” – сужения поперечного сечения; деформация сосредотачивается на одном участке. Напряжение в материале в этот момент испытания называют “ предел прочности” и обозначают σ _е.

Предел прочности соответствует максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения: За точкой С вследствие развития шейки нагрузка уменьшается, в точке k при нагрузке P_k происходит разрушение образца.

Пластичность - способность тела (металла) к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Характеристиками пластичности являются:

 δ - относительное удлинение  

Где l₀ и l_k - начальная и конечная длина образца; l_ост - абсолютное удлинение образца, определяемое измерением образца после разрыва или по диаграмме растяжения

Твердость материала – это сопротивление проникновению в его поверхность стандартного тела – наконечника (индентора), например шарика, конуса и т.п., не деформирующегося при испытании.

Наибольшее распространение на практике получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и метод микротвердости.

Твердость по Бринеллю определяют статическим вдавливанием в испытуемую поверхность под нагрузкой Р стального закаленного шарика диаметром . Число твердости по Бринеллю HB определяют отношением нагрузки P к сферической поверхности отпечатка – лунки (шарового сегмента) E диаметром d, т.е.

 

Диаметр шарика = 10; 5; 2, 5 мм выбирают в зависимости от толщины изделия.

Ударная вязкость. Очень часто детали в процессе работы испытывают действие не только плавно возрастающих нагрузок, но одновременно и ударных (динамических) нагрузок. Испытание на удар проводят на специальном маятниковом копре. Образец с надрезом устанавливают на опорах копра, затем наносят удар посередине образца со стороны, противоположной надрезу, падающим с определенной высоты маятником

Работа удара А_н (в Дж или кгс× м), затраченная на разрушение образца, определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ударную вязкость а_н (в Дж/м² или кгс× м/см²), т.е. работу, израсходованную на разрушение образца, отнесенную к площади поперечного сечения образца в месте надреза F (в м² или см²), определяют по формуле а_н = А_н / F.

Чугуны

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода (С). Наиболее значительную часть выплавляемого чугуна перерабатывают в сталь, однако не менее 20 % его используют для изготовления литых деталей машин и других изделий. В практике машиностроения в большинстве случаев используют чугун с содержанием 2, 5-4 % С. В промышленном чугуне, кроме углерода, обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор (в большем количестве, чем в стали).

Чугун отличается высокими литейными свойствами, изделия из него изготавливают различными методами литья. Из-за низкой пластичности чугун не подвергается обработке давлением. В зависимости от формы выделения углерода чугун подразделяют на белый, половинчатый и серый.

Белым называют такой чугун, в котором при комнатной температуре весь углерод находится в связанном состоянии, в основном в форме цементита. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и металлический блеск.

Серым называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находятся в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0, 8 %. Из-за большого количества графита, входящего в состав такого чугуна, его излом имеет серый цвет.

В половинчатом чугуне часть углерода находится в форме графита, но при этом не менее 2 % С присутствует в форме цементита.

В ряде случаев находят применение детали, изготовленные из чугуна с отбеленной поверхностью. Основная масса металла в таких деталях имеет структуру серого чугуна и только в поверхностном слое почти весь углерод находится в форме цементита. Типичным примером являются прокатные валки для холодной прокатки листов.

Структура чугунов существенно зависит от их химического состава и скорости охлаждения.

Кремний способствует графитизации чугуна. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0, 5 до 4, 5 %. Марганец препятствует графитизации, способствует получению в структуре чугуна цементита. Содержание марганца в чугунах - от 0, 4 до 1, 3%.

Сера в чугунах является нежелательным элементом. Она снижает жидкотекучесть, способствует отбеливанию чугуна, как и марганец. Содержание серы допускается не более 0, 08-0, 12 %.

Фосфор в чугунах - полезная примесь, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Содержание фосфора в чугунах колеблется от 0, 3 до 0, 8 %..

Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (никель, хром, алюминий, молибден и т. д.), тем самым улучшая их свойства.

Скорость охлаждения. Кроме регулирования содержания углерода и кремния, необходимо также учитывать скорость охлаждения отливок. Известно, что быстрое охлаждение способствует получению белого чугуна, замедленное - серого чугуна.

Серые литейные чугуны

В серых литейных чугунах обычно содержится до 3, 8 % С. В форме цементита находится не более 0, 8 % С, остальной углерод содержится в графитовых чешуйках.

Механическая прочность серого чугуна в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита.

Серый чугун широко применяют в машиностроении. Это металл дешевый, недефицитный, с хорошей жидкотекучестыо, малой усадкой. Он легко обрабатывается режущим инструментом, обладает хорошими антифрикционными и демпфирующими свойствами. По ГОСТ 1412-79 серые чугуны маркируют буквами СЧ и далее следует число временного сопротивления при растяжении. Например, СЧ 15, СЧ 24, СЧ 30, СЧ 45.

Высокопрочные чугуны

В высокопрочных чугунах содержание углерода около 3-3, 6 %.

Чугун с шаровидной формой включений графита называют высокопрочным и маркируют буквами ВЧ. Далее следуют числа - временное сопротивление при растяжении, например, ВЧ 35, ВЧ 60, ВЧ 100 (ГОСТ 7293-85).

Благодаря хорошим механическим свойствам из высокопрочного чугуна изготавливают ответственные детали, например, коленчатые валы, зубчатые колеса, корпуса автомобильных моторов, крупные прокатные валки, корпуса паровых турбин и др.

Ковкие чугуны

Термин «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготовляют не ковкой, а литьем.

Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2, 4-3, 0 % С; 1, 0-1, 6 % Si; 0, 2-1, 0 % Мn; < 0, 2 % Р и < 0, 2 % S.

Этот чугун после заполнения литейных форм быстро охлаждают и получают белый чугун со специальной структурой.

Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией при производстве изделий из ковкого чугуна является отжиг.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и далее следуют цифры временного сопротивления при разрыве и относительного удлинения (%), например, КЧЗО-6, КЧ65-3 (ГОСТ 1215-79).

Конструкционные стали

Конструктивная прочность - это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации. Конструктивная прочность - это прочность материала с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов, т.е. это комплексное понятие. Считается, что как минимум нужно учитывать четыре критерия: жесткость конструкции, прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях работы данной конструкции.

    Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей.

Сплавы железа - сталь и чугун - основные металлические материалы, используемые в различных отраслях народного хозяйства, Наиболее широко применяют стали. Они должны иметь хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (многие изделия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а также хорошо обрабатываться на металлорежущих станках, свариваться. В ряде случаев от них требуется высокая коррозионная стойкость или жаропрочность и т. д.

Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя их состав и вид обработки.

Стали подразделяют на углеродистые и легированные.

А Углеродистые стали

Углеродистые стали - это основной конструкционный материал, который используют в различных областях промышленности. Они проще в производстве и значительно дешевле легированных. Свойства их определяются количеством углерода и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеродом.

Влияние углерода Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность, но прочность повышается только до содержания 1 % С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться.

Кроме углерода, в стали есть еще другие элементы - примеси, присутствие которых обусловлено разными причинами. Различают постоянные, скрытые, случайные и специально введенные примеси.

Влияние примесей

Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера.

Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды).

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается в пределах 10^-2-10^-4%.

Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.

Специальные примеси . Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие - легированными сталями.

Б Легированные стали

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0, 1-0, 5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, но их количество должно превышать 1 %.

В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т. д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства.

Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицит­ными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

В Классификация сталей

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств.

Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

По химическому составу, прежде всего, все стали можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и углерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и т. д. Более распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникель-молибденовые и т. д.

По степени легирования, т. е. по содержанию легирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2, 5-5 % легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

По способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали, при одинаковом содержании углерода, имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0, 15-0, 35 %, в полуспокойной 0, 05-0, 15%, в кипящей < 0, 05%. Легированные стали выплавляют только спокойными в мартеновских или электрических печах.

По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов.

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный (структуру во всех случаях определяют по образцам небольшого сечения, диаметром до 25 мм).

В основе классификации стали по качеству лежит содержание вредных примесей - серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную.

Углеродистые стали общего назначения и чугуны (ГОСТ 380-71) содержат повышенное количество S (до 0, 05 %) и Р (до 0, 04 %, ).

Обозначение марок стали - буквенно-цифровое: буквы Ст означают «сталь» цифры от 0 до 6 - условный номер марки, например, Ст0, Ст2... Ст6. Степень раскисленности стали обозначают буквами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали марок Ст0-Ст4, полуспокойными и спокойными можно выплавлять все стали от Ст1 до Ст6.

Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В марках указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); БСтЗкп (сталь 3, группы Б, кипящая); ВСтЗпс (сталь 3, группы В, полуспокойная); ВСт4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т. п.

Химический состав стали группы А не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам (< т_в, (т_т и 6). С увеличением номера стали, ее прочность растет, а пластичность уменьшается.

Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают различной обработке (ковке, сварке, термической обработке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств.

Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б.

Углеродистая сталь обыкновенного качества - дешевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям по механическим свой­ствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей.

Качественные стали. В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0, 04 % серы и 0, 04 % фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. В случае примерно одинакового содержания углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного качества особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Марки сталей обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0, 07-0, 08 % для одной марки), степень раскисленности - буквами пс, кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10кп (0, 10 % С, кипящая), сталь 30пс (0, 30 % С, полуспокойная), сталь 45 (0, 45 % С, спокойная) и т. д. Качественные углеродистые стали поставляются заказчику в различном состоянии: без термической обработки, после нормализации, различной степени пластической деформации и т. д.

В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S < « 0, 035 % и Р <; 0, 035 %). Поскольку при этом стоимость стали существенно возрастает, конструкционные углеродистые стали редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, например, сталь У10А. Легированные стали выплавляют только качественными, а чаще - высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в РФ принята буквенно-цифровая система.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами: хром - X, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан - Т, азот - А *, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - Ю, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0, 18 % С; 1 % Сr; 1 % Мn и около 0, 1 % Ti; марки 12ХНЗ - 0, 12 % С; 1 % Сг и 3 % Ni.

Нестандартные стали обозначают различным образом. Состав таких сталей приведен в справочниках.

Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они содержат не более 0, 015 % серы и 0, 025 % фосфора. К ним предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей.

По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0, 25 % С, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации.

Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относят коррозионностойкие и кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы: с особыми магнитными свойствами и т. д.

Цементуемые стали.

Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0, 10- 0, 30 % С, подвергая их затем цементации.

Улучшаемые стали.

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0, 3-0, 5 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Высокопрочные стали.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают а_в = 18004-2000 МПа, называют высокопрочными.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: