диаграмма растяжение металл чугун сталь
Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется).
Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла. Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует.
Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами — прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.
Прочность — это способность металла сопротивляться деформации и разрушению.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций — необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.
Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений — отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.
При проектировании и расчетах на прочность, жесткость и устойчивость элементов механизмов, машин и сооружений необходимо знать свойства материалов. Поэтому материалы испытывают на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб и твердость.
Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания образцов на растяжение.
1. Понятие стали и чугуна
Сталь (от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %.[источник?] Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).
Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны
... соединением металлов с металлами или неметаллами. Например, чугун и сталь — это сплавы железа с углеродом. Составляющие части сплавов называются компонентами. Сплавы ... прочности на растяжение (МПа), второе — пластичность в процентах относительного удлинения. Высокопрочные чугуны (ВЧ) отличаются высокими прочностью и пластичностью. Применяются для изготовления ответственных изделий, заменяют сталь. ...
В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харолуг» и «Уклад». В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется «Оцел», например в чешском.
Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.
Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.
Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.
Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.
Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.
Характеристики стали:
- Плотность: 7700—7900 кг/мі,
- Удельный вес: 75500—77500 Н/мі (7700—7900 кгс/мі в системе МКГСС),
- Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)),
- Температура плавления: 1450—1520 °C,
- Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг),
- Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C[5]
Чугумн — сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).
Чугун. Общие сведения
... форме графита. По виду структурной составляющей выделяют чугуны без графита — белые чугуны, в которых практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. ... Из серого чугуна, содержащего фосфор (0,5 %), изготавливают архитектурно-художественные изделия. Ковкие чугуны Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их ...
Как правило, чугун хрупок.
Виды чугуна:
- Белый чугун. В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета .
— Серотехнический чугун. Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
- Ковкий чугун. Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.
— Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.
- Половинчатый чугун. В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.
В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %).
Состав сплава влияет на структуру материала.
В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
- передельный чугун — П1, П2;
- передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2,
- передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,
- передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
- чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);
- антифрикционный чугун
- антифрикционный серый — АЧС,
- антифрикционный высокопрочный — АЧВ,
- антифрикционный ковкий — АЧК;
- чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%);
- чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
2. Образцы для кривой растяжения
Если нагрузка статическая, то основным является испытание на растяжение, при котором обнаруживаются наиболее важные свойства материалов. Для этого из испытуемого материала изготовляют специальные образцы. Чаще всего их делают цилиндрическими (рис.1,а), a из листового металла обычно изготовляют плоские образцы (рис.1,б).
В цилиндрических образцах должно быть выдержано соотношение между расчетной длиной образца и диаметром у длинных образцов , у коротких — . Эти соотношения можно выразить в иной форме. Учитывая, что где — площадь поперечного сечения образца, получим
Испытание на сжатие образцов из различных материалов
... определяются также, как и при растяжении: а = Р / ро, где: ро – первоначальная площадь поперечного сечения образца. При испытаниях на сжатие получают диаграмму сжатия в координатах Р – ... определена. 5.2. Испытание образцов из хрупких материалов ( чугун ) Типичная диаграмма сжатия чугунных образцов показана на рис.3. Рис.3. Типичная диаграмма сжатия чугунного образца От начала координат диаграмма не ...
для длинного образца
для короткого образца
В качестве основных применяют образцы с диаметром d0 = 10 мм; при этом рабочая длина = 100 мм. Допускается применение образцов и других диаметров при условии, что их рабочая длина или . Такие образцы называются пропорциональными.
Рис.1. Образцы для испытаний на растяжение
3. Диаграмма растяжения
Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации — до нагрузки Рупр; равномерной пластической деформации от Рупр до Рmax и сосредоточенной пластической деформации от Рmax до Рк . Если образец нагрузить в пределах Рупр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Рупр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Рmax в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца — шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Рmax до Рк , и при нагрузке Рк происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (Dlупр) исчезает, а пластическая (Dlост) остается (рис. 2).
Рис. 2. Диаграмма растяжения металла
При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм2, или МПа
(1кгс/мм2=10 МПа).
Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Рупр , Рт, Рmax , Рк) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению. В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р0,2 (рис. 3).
Рис. 3. Участок диаграммы растяжения металла
При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению.
Испытание металлов на растяжение
... °. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей ...
Условный предел текучести (s0,2) — это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:
- где Р0,2 — нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение;
- равное 0,2 %, кгс (Н);
- Fо — начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.
Временное сопротивление (предел прочности) sb — это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
где Рmax — максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, кгс (H).
Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению.
Истинное сопротивление разрушению (Sk) — истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца
где Рк — нагрузка, непосредственно предшествующая моменту разрушения, кгс (Н).
Fк — площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм2.
Несмотря на то, что Рmах больше Рк , истинное сопротивление разрушению Sк > sb , поскольку площадь поперечного сечения образца в месте разрушения Fк значительно меньше начальной площади поперечного сечения Fо.
Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении (dр, %) и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца (yр, %).
Относительное остаточное удлинение (dр, %) определяется по формуле:
- где lк — рабочая длина образца после испытания, мм;
- lо — рабочая длина до испытания, мм.
Относительное остаточное сужение (yр, %) определяется из выражения:
- где Fо — начальная площадь поперечного сечения образца, мм2;
- Fк — площадь сечения образца вместе разрушения, мм2.
Практически для определения нагрузки, которая вызывает деформацию, соответствующую условному пределу текучести, следует выполнить следующие действия.
На диаграмме растяжения провести прямую ОА (рис. 3), совпадающую с прямолинейным участком диаграммы растяжения.
Определить положение точки О. Через точку О провести ось ординат ОР. Масштаб записи диаграммы по нагрузке: одному миллиметру ординаты соответствует 2 кгс нагрузки. Численная величина искомой нагрузки Р (кгс) равна соответствующей ординате диаграммы (мм), умноженной на масштаб диаграммы (2 кгс/мм).
Для определения нагрузки, соответствующей условному пределу текучести Р0,2, необходимо от начала координат по оси абсцисс отложить отрезок ОВ, величина которого равна заданному остаточному удлинению 0,2 %. Длина отрезка ОВ (мм) рассчитывается исходя
где lо — рабочая длина образца, мм;
- М — масштаб записи диаграммы по деформации.
Из точки В провести прямую ВД, параллельную прямолинейному участку диаграммы растяжения (рис. 3), до пересечения с диаграммой.
Используя известный масштаб записи диаграммы по нагрузке, определить численные значения нагрузок Р02, Рmах, Рк , после чего рассчитать соответствующее напряжения: s0,2 , sb , Sк.
Для испытаний на растяжение применяют разрывные машины, позволяющие в процессе испытания определять усилия и соответствующие им деформации образца. По этим данным строят первичную диаграмму растяжения, в которой по оси ординат откладывают усилия, по оси абсцисс — соответствующие им удлинения. Диаграмма растяжения может быть получена и автоматически при помощи специальных диаграммных аппаратов. Характер диаграммы растяжения зависит от свойств испытуемого материала. Типичный вид такой диаграммы для малоуглеродистой стали изображен на рис.4.
Деформация, разрушение, механические свойства металлов и сплавов
... деформацию и разрушение материалов и металлов, сопротивление металлов деформации и разрушению и пластичность, т.е. способность металла к остаточной деформации без разрушения. Изучаю виды деформации, ее показатели, факторы, влияющие на разрушение. 1 Деформация ... наблюдается ни напряжений сжатия, ни напряжений растяжения. Длина ... превышающей предела текучести. Деформация при изгибе Деформация сдвига. ...
Рассмотрим характерные участки и точки этой диаграммы, а также соответствующие им стадии деформирования образца.
От начала нагружения до определенного значения растягивающей силы имеет место прямая пропорциональная зависимость между удлинением образца и силой. Эта зависимость на диаграмме выражается прямой ОА. На этой стадии растяжения справедлив закон Гука.
Рис.4. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
Обозначим силу, при которой нарушается закон пропорциональности, через . На диаграмме этому значению силы на диаграмме соответствует точка А. Напряжение, вызванное силой , называется пределом пропорциональности и вычисляется по формуле
Итак, пределом пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука.
Вспомним, что деформация называется упругой, если она полностью исчезает после разгрузки. Допустим, что, постепенно повышая нагрузку F, будем при каждом ее значении производить полную разгрузку образца. Пока сила F не достигнет определенной величины, вызванные ею деформации будут полностыо исчезать при разгрузке. Процесс разгружения при этом будет изображаться той же линией, что и нагружение.
Обозначим через наибольшее значение силы, при котором образец при разгрузке еще не дает остаточной деформации. Этому значению на диаграмме соответствует точка В, а упругой стадии растяжения образца — участок диаграммы ОВ.
Наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается, называется пределом упругости. Это напряжение вызывается силой и определяется по формуле
Предел упругости является характеристикой, не связанной с законом Гука. Точка В может располагаться как выше, так и ниже точки А. Эти точки, а следовательно, и значения напряжений и будут близки друг к другу и обычно различием между ними пренебрегают.
После точки А при дальнейшем растяжении образца кривая растяжения становится криволинейной и плавно поднимается до точки С, где происходит переход к горизонтальному участку CD, называемому площадкой текучести. На этой стадии растяжения удлинение образца растет при постоянном значении растягивающей силы, обозначаемой через . Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточным (пластическим) удлинением, не исчезающим после разгрузки.
Таким образом, пределом текучести называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии. Величина предела текучести вычисляется по формуле
Начало пластической деформации соответствует наступлению некоторого критического состояния металла, которое может быть обнаружено не только по остаточным деформациям, но и по ряду других признаков. При пластической деформации повышается температура образца; у стали изменяются электропроводность и магнитные свойства; на полированной поверхности образцов, особенно плоских, заметно потускнение, являющееся результатом появления густой сетки линий, носящих название линий Чернова (линий Людерса).
Исследование возможности получения медных профилей с заданными ...
... дальнейшем подвергался испытаниям на растяжении, а второй на кручение и третий на сжатие. Второй отожженный образец меди подвергался деформации методом винтовой экструзии [ 1 ]. Из деформированных образцов винтовой экструзией изготовили образцы для испытаний на кручение, сжатие и растяжение в ...
Последние наклонены к оси образца приблизительно под углом 450 и представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие сдвигов в тех плоскостях кристаллов, где действуют наибольшие касательные напряжения. В результате сдвигов по наклонным плоскостям образец получает остаточные деформации.
После стадии текучести материал вновь приобретает способность увеличивать сопротивление дальнейшей деформации и воспринимает возрастающее до некоторого предела усилие. Этому отвечает восходящий участок DE (рис.4) кривой растяжения, называемый участком упрочнения. Точка Е соответствует наибольшему усилию , которое может воспринять образец.
Напряжение, соответствующее максимальной силе , называется временным сопротивлением или пределом прочности . Его вычисляют по формуле
До этого момента удлинения распределяются равномерно по всей длине образца , поперечные сечения расчетной части образца изменяются незначительно и также равномерно по длине. Поэтому для вычисления в расчетные формулы вводилось первоначальное значение площади .
После достижения усилия при дальнейшем растяжении образца деформация происходит, главным образом, на небольшой длине образца. Это ведет к образованию местного сужения в виде шейки (рис.5) и к падению силы F, несмотря на то, что напряжение в сечении шейки непрерывно растет. Падение растягивающей силы F наблюдается лишь при испытании образца в разрывной машине, ограничивающей скорость нарастания деформации. При нагружении путем подвешивания грузов разрушение произойдет при постоянной нагрузке, но со все возрастающей скоростью деформации.
Рис.5. Образование местного сужения (шейки)
Обозначив через величину растягивающей силы в момент разрыва, получим
Определяемое таким образом напряжение при разрыве образца весьма условно и не может быть использовано в качестве характеристики механических свойств стали. Условность состоит в том, что получено оно делением силы в момент разрыва на первоначальную площадь поперечного сечения образца, а не на действительную его площадь при разрыве, которая значительно меньше начальной вследствие образования шейки.
Основными характеристиками упругости и прочности материалов, используемыми в практических расчетах, являются предел упругости , предел текучести и временное сопротивление (предел прочности)
Для малоуглеродистой стали, имеющей площадку текучести, например, для стали Ст.2, эти характеристики следующие:
Для металлов, не имеющих площадки текучести, предел текучести определяют условно как напряжение, при котором остаточная деформация составляет величину, установленную ГОСТом или техническими условиями. По ГОСТ 1497—61 величина остаточной деформации составляет 0,2% от измеряемой длины образца. Условные пределы текучести отмечают нижним индексом в соответствии с заданной величиной деформации, например
Учитывая, что практически трудно установить начало отклонения от закона пропорциональности и начало появления первых остаточных деформаций, вводят также понятия условных предела пропорциональности и предела упругости.
Условным пределом пропорциональности называют наименьшее напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между напряжением и деформацией достигает некоторой величины, устанавливаемой техническими условиями (например, 0,002% от измеряемой длины образца).
Устойчивость сжатых стержней. Прочность при циклически изменяющихся ...
... на усталостную прочность. Диаграмма предельных циклов напряжений σ –1 σ max = σm + σa . (13) Рис. 7 Диаграмму предельных циклов напряжений строят в ... большей критической, изогнется, но деформации его будут упругими и он после снятия нагрузки восстановит ... циклов до разрушения при максимальном напряжении σ цикла; m – показатель степени, зависящий от материала, параметров образца, для металлов m = ...
Условным пределом упругости называют наименьшее напряжение, при котором остаточная деформация достигает заданной величины (обычно 0,001%—0,05% от измеряемой длины образца).
Его отмечают нижним индексом в соответствии с заданной величиной остаточной деформации (например, или ).
4. Термическая обработка и её назначение
Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.
Среди основных видов термической обработки следует отметить:
Отжиг (гомогенизация и нормализация).
Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.
Дисперсионное твердение (старение).
После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.
Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.
Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.
Гомогенизационный отжиг + старение
Например, для суперсплавов на базе никеля (типа «Инконель 718») типичной является следующая термическая обработка:
Гомогенизация структуры и растворение включений (англ. Solution Heat Treatment) при 768—782 °C с ускоренным охлаждением. Затем производится двухступенчатое старение (англ. Precipitation Heat Treatment) — 8 часов при температуре 718 °C, медленное охлаждение в течение 2 часов до 621—649 °C и выдержка в течение 8 часов. Затем следует ускоренное охлаждение.
Закалка + высокий отпуск (улучшение)
Многие стали проходят упрочнение путём закалки — ускоренного охлаждения (на воздухе, в масле или в воде).
Быстрое охлаждение приводит, как правило, к образованию неравновесной мартенситной структуры. Сталь непосредственно после закалки отличается высокой твёрдостью, остаточными напряжениями, низкой пластичностью и вязкостью. Так, сталь 40ХНМА (SAE 4340) сразу после закалки имеет твёрдость выше 50 HRC, в таком состоянии материал непригоден для дальнейшего использования из-за высокой склонности к хрупкому разрушению. Последующий отпуск — нагрев до 450 °C — 500 °C и выдержка при этой температуре приводят к уменьшению внутренних напряжений за счёт распада мартенсита закалки, уменьшения степени тетрагональности его кристаллической решётки (переход к отпущенному мартенситу).
При этом твёрдость стали несколько уменьшается (до 45 — 48 HRC).
Подвергаются улучшению стали с содержанием углерода 0.3 — 0,6 % C.
5. Кривые растяжения
Для рассмотрения диаграмма растяжения хрупких металлов в пример возьмём чугун . (рис.6), полученная в результате испытания чугуна на растяжение, в значительной степени отличается от диаграммы, полученной для стального образца.
Устройство мартеновской печи. Скрап-рудный процесс производства ...
... топлива) и объективно сравнивать работу однотипных печей. Производительность крупных Мартеновских печей превышает 0,5 млн. т стали в год. Съём стали с 1 м² площади пода ... скрап-рудный процесс Эффективность работы мартеновских печей определяют, сравнивая их производительности и себестоимости выплавляемой стали. Производительность печей определяется несколькими показателями: съемом стали с 1 м² плошали ...
Рис.6
На диаграмме имеется лишь одна характерная точка с, соответствующая нагрузке предела прочности Fпч.. Строгого прямолинейного участка в начале диаграммы не наблюдается: упругие деформации чугуна растут не вполне пропорционально нагрузке даже при малых усилиях.
Чугун разрушается при очень малых остаточных деформациях, обычно менее одного процента. При испытаниях чугуна на растяжение ограничиваются определением предела прочности, являющимся условным напряжением при наибольшей нагрузке:
Используя диаграмму растяжения, построим в масштабе диаграмму условных напряжений (рис.7).
Пластичных металлов и средних металлов
Полученная в результате испытания образца диаграмма растяжения (рис.8) подвергается корректировке и обработке. До начала деформации образца имеет место мертвый ход машины без нарастания усилий (участок ab) с последующим приспосабливанием головок образца к захватам машины и небольшим увеличением нагрузки (участок bс).
Затем наблюдается быстрый рост нагрузки (участок сd).
Рис.7
Чтобы исключить криволинейный участок, в начале диаграммы следует продолжить прямолинейный отрезок диаграммы cd до оси абсцисс, в пересечении с которой получим точку 0 — начало диаграммы.
Дальше измеряется ордината, соответствующая площадке текучести. Пользуясь масштабом диаграммы, определяется усилие Fт и сравнивается со значением Fт, найденным по силоизмерительному устройству. Значения указанных усилий должны быть близкими или совпадать.
Рис.8
Во многих случаях при испытании площадка текучести АВ не обнаруживается, а диаграмма образца имеет вид кривой, показанной на рис.9
Рис.9
В точке С кривая растяжения достигает максимума. Ордината этой точки диаграммы определяет величину усилия Fпч, соответствующего пределу прочности. Точка D соответствует разрыву образца.
Чтобы получить на диаграмме только остаточное удлинение, следует провести прямую DE, параллельную ОА, которая отсечет на оси абсцисс отрезок ОЕ, соответствующий остаточному удлинению образца Dlост. Эта удлинение представляет собой сумму равномерного удлинения образца до появления шейки и местного удлинения с момента образования шейки в её окрестности и до разрыва образца. Отрезок ЕК — соответствует упругому удлинению в момент разрыва образца Дlупр.
Относительное остаточное удлинение
может быть определено непосредственно. Для этого необходимо измерить длину образца после разрыва l1. В зависимости от места разрыва образца применяются два способа определения этой длины. По первому способу обе половинки разорванного образца плотно складывают и измеряют штангенциркулем расстояние между рисками, определяющими границы расчетной длины после разрыва l1. Этот способ дает правильные результаты, если образец разорвался в средней трети своей длины.
Если разрыв образца происходит в какой-либо крайней трети длины образца, то длину l1 следует определить по второму способу, сущность которого состоит в следующем: место разрыва принимается за так называемую условную середину (рис.10), от ближайшей к месту разрыва образца риски “b” откладывают вправо n/2 делений (n — число делений на расчетной длине) и ставят метку “а”. Если число n/2 оказывается дробью, то ее округляют до целого числа в большую сторону, а часть деления от места разрыва до первой риски при подсчете числа делений принимают за целое деление. Далее, от метки “a” откладывают влево столько делений, сколько их осталось от метки “a” до правого конца рабочей длины, и ставят метку “d”. Величину l1 определяют как сумму отрезков ac и ad.
Рис.10
Наконец, измеряют микрометром диаметр шейки d1 как среднеарифметическое значение двух обмеров, взятых по взаимно перпендикулярным направлениям.
Для получения механических характеристик материалов диаграмму нагружения F-Dl часто перестраивают в диаграмму деформирования (условных напряжений) s-e. По вертикали откладывают условное нормальное напряжение , где — первоначальное значение площади поперечного сечения образца, а по горизонтали — деформацию (относительное удлинение) . Напряжение s — условное (не учитывается уменьшение площади поперечного сечения).
Диаграмма условных напряжений e-s для малоуглеродистой стали изображена на рис.11
Рис.11
Получив указанные выше данные, вычисляют основные механические характеристики:
- (МПа);
- (МПа);
;
- Здесь А1 — площадь поперечного сечения шейки после разрыва образца.
Величины sт и sпч являются характеристиками прочности, а d и y — характеристиками пластичности. Они приводятся в справочной литературе для различных материалов и марок стали.
Более углубленное изучение свойств материала возможно путем построения и анализа диаграммы истинных напряжений.
Диаграмма истинных напряжений строится обычно в координатах истинного напряжения sист и истинного поперечного сужения площади сечения yист и требует многократных обмеров диаметра образца в процессе испытания.
С достаточной степенью точности диаграмму истинных напряжений можно построить в координатах sистe- путем обработки имеющейся условной диаграммы растяжения.
Действительно, за пределом пропорциональности истинное поперечное сужение площади сечения может быть представлено в виде:
- Здесь m — коэффициент Пуассона;
- mT — коэффициент поперечной деформации при пластическом растяжении (для стали mT = 0,5);
- ey и eT — упругая и остаточная части относительного удлинения образца соответственно.
Так как диаметр образца в любой момент времени до образования шейки , площадь поперечного сечения, изменяющаяся в процессе испытания, определится по формуле
Истинное напряжение
Учитывая выражение для yист, окончательно имеем
где s — напряжение, определяемое из условной диаграммы.
Значение sист в момент разрыва подсчитывается по нагрузке в момент разрыва Fразр площади сечения шейки.
Принцип построения диаграммы истинных напряжений ясен из рис.12(истинная диаграмма показана пунктиром).
Рис.12
