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.
Усталость стали
Второе название – предел выносливости. Его обозначают буквой R. Это аналогичный показатель, то есть он определяет, какая сила может воздействовать на элемент, но не в единичном случае, а в цикле. То есть на подопытный эталон циклично, раз за разом действуют определенные давления. Среднее количество повторений – 10 в седьмой степени. Именно столько раз металл должен без деформаций и потери своих характеристик выдержать воздействие.
Читать также: Паяльник для полипропиленовых труб энергомаш
Если проводить эмпирические испытания, то потребуется множество времени – нужно проверить все значения силы, прикладывая ее по множеству циклов. Поэтому обычно коэффициент рассчитывается математически.
Испытание образца для определения предела текучести
Чтобы провести стандартные испытания, используют цилиндрический образец диаметром 20 мм и высотой 10 мм, закрепляют его в испытательной установке и подвергают растягиванию. Расстояние между нанесенными на боковой поверхности образца метками называют расчетной длиной. В ходе измерений фиксируют зависимость относительного удлинения образца от величины растягивающего усилия.
Зависимость отображают в виде диаграммы условного растяжения. На первом этапе эксперимента рост силы вызывает пропорциональное увеличение длины образца. По достижении предела пропорциональности диаграмма из линейной превращается в криволинейную, теряется линейная зависимость между силой и удлинением. На этом участке диаграммы образец при снятии усилия еще может вернуться к исходным форме и габаритам.
Для большинства материалов значения предела пропорциональности и предела текучести настолько близки, что в практических применениях разницу между ними не учитывают.
Какие факторы изменяют предел текучести
Сталь – это сплав железа с углеродом, количество которого определяет свойства металла. Углерод придает сплавам твердость и прочность. Текучесть металла увеличивается, если количество углеродной добавки составляет порядка 1,2%. Такое соотношение позволяет улучшить прочностные характеристики и повысить устойчивость к высоким температурам. Увеличение содержания углерода приводит к ухудшению технических параметров металла.
Влияние добавок марганца и кремния
Марганец не оказывает влияния на технические свойства сплава. Его добавляют в целях увеличения степени раскисления металла и уменьшения вредного воздействия серы. Обычно его содержание не превышает 0,8%.
Добавка кремния позволяет улучшить качество сварки. Его добавляют в процессе раскисления. А общее содержание данного элемента не превышает 0,38%.
Влияние углерода на механические свойства стали
Влияние добавок серы и фосфора
Количество серы, добавляемой в сплав, оказывает влияние на его механические показатели. Увеличенное содержание серы значительно снижает пластичность, вязкость и текучесть металла. Наибольшему истиранию подвержены изделия, содержащие более 0,6% серы.
Добавление фосфора позволяет улучшить показатели текучести. Однако данный элемент способствует снижению пластичности, вязкости и общих характеристик металла. Допустимым количеством фосфора считается не более 0,025-0,044%.
Как влияют сера и фосфор на свойства стали
Влияние добавок азота и кислорода
Азот и кислород относятся к неметаллическим примесям, поэтому их содержание должно быть минимальным. Если металл содержит более 0,03% кислорода, его эксплуатационные характеристики ухудшаются. Снижение пластичности и вязкости приводит к быстрому износу изделий.
Добавление азота способствует увеличению прочности стали. Но вместе с ней происходит уменьшение предела текучести материала. Если количество азота превышает допустимые значения, металлические конструкции быстро стареют за счет повышенной ломкости.
Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород
Влияние легирующих добавок
К легирующим добавкам относятся химические элементы, добавляемые в сплав для придания определенных свойств. К числу легирующих элементов относятся:
Влияние легирующих элементов на свойства стали
- хром;
- титан;
- вольфрам;
- никель;
- ванадий;
- молибден.
Для получения оптимальных результатов их добавляют все вместе, соблюдая определенные пропорции.
Сталь 20 — характеристики, применение, ГОСТ
Одна из самых востребованных сталей в производстве — сталь 20. Список ее использования займет не одну страницу. Строительство и машиностроение, гидравлика и станкостроение, металлоконструкции и тракторостроение. Все эти отрасли в той или иной степени используют её. Какие характеристики стали 20 не позволяют терять ей своей актуальности по сей день?
Физические свойства
Плотность стали 20 составляет 7850 кг\м3. Плавиться начинает при температуре 1500 ºС. Окончательный переход в жидкую фазу происходит при 1600 ºС. Сталь 20 хорошо проводит и накапливает тепло. Коэффициент теплопроводности равен 48 Вт\м*К, а удельная теплоемкость 490 Дж\кг *К. При увеличении температуры сталь расширяется. Коэффициент линейного расширения равен 11,6*10-6 1/град.
Что такое предел текучести?
Предел текучести – это предел текучести, когда металлический материал предел текучести, то есть напряжение, противодействующее незначительной пластической деформации. Для металлических материалов, которые не имеют очевидного феномена текучестиn значение напряжения, вызывающее остаточную деформацию 0.2 %, указывается в качестве его предела текучести, который называется условным пределом текучести или пределом текучести. Внешняя сила, превышающая предел текучести, приведет к необратимому повреждению деталей и не может быть восстановлена. Например, предел текучести низкоуглеродистой стали составляет 207 МПа. Когда внешняя сила превышает этот предел, деталь будет необратимо деформирована. Если оно меньше этого предела, деталь вернется к своему первоначальному виду.
- (1) Для материалов с очевидными явлениями текучести предел текучести представляет собой напряжение в точке текучести (значение текучести);
- (2) Для материалов с незначительными явлениями текучести напряжение, когда предельное отклонение линейной зависимости между напряжением и деформацией достигает заданного значения (обычно 0.2% исходной расчетной длины). Он обычно используется в качестве показателя оценки механических свойств твердых материалов и является фактическим пределом использования материала. Поскольку после того, как напряжение превышает предел текучести материала, возникает шейка и увеличивается деформация, что приводит к повреждению материала и невозможности его нормального использования.
Когда напряжение превышает предел упругости, деформация быстро увеличивается после входа в стадию текучести. При этом помимо упругой деформации возникает и частичная пластическая деформация. Когда напряжение достигает точки b, пластическая деформация резко возрастает, а напряжение и деформация проявляются небольшими колебаниями. Это явление называется уступчивостью. Максимальное и минимальное напряжения на этом этапе называются соответственно верхним пределом текучести и нижним пределом текучести. Поскольку значение нижнего предела текучести относительно стабильно, его используют в качестве показателя сопротивления материала, который называется пределом текучести или пределом текучести (ReL или Rp0.2). Некоторые стали (например, высокоуглеродистые стали) не имеют очевидного явления текучести. Обычно в качестве предела текучести стали используют напряжение, при котором происходит небольшая пластическая деформация (0.2 %), которую называют условным пределом текучести. Сначала объясните деформацию материала под действием силы. Деформацию материалов делят на упругую деформацию (исходная форма может быть восстановлена после снятия внешней силы) и пластическую деформацию (исходная форма не может быть восстановлена после снятия внешней силы, изменения формы, удлинения или укорочения). Строительная сталь использует предел текучести в качестве основы для расчетного напряжения. Предел текучести, обычно используемый символ σs, представляет собой критическое значение напряжения текучести материала.
- (1) Для материалов с очевидными явлениями текучести предел текучести представляет собой напряжение в точке текучести (значение текучести);
- (2) Для материалов с незначительными явлениями текучести напряжение, когда предельное отклонение линейной зависимости между напряжением и деформацией достигает заданного значения (обычно 0.2% относительного удлинения материала). Он обычно используется в качестве показателя оценки механических свойств твердых материалов и является фактическим пределом использования материала. Поскольку пластическая деформация возникает после того, как напряжение превышает предел текучести материала, деформация увеличивается, и материал выходит из строя и не может нормально использоваться.
Стандарт предела текучести
- 1. Максимальное напряжение на кривой пропорционального предельного напряжения-деформации, которая соответствует линейной зависимости, часто выражается в мире как σp. При превышении σp считается, что материал начинает поддаваться. В строительных проектах обычно используются три стандарта доходности:
- 2. После того, как образец с пределом упругости нагружается и разгружается, максимальное напряжение, при котором материал может полностью упруго восстановиться без остаточной остаточной деформации, является стандартом. Обычно это выражается в ReL на международном уровне. Когда напряжение превышает ReL, считается, что материал начинает деформироваться.
- 3. Предел текучести основан на указанной остаточной деформации. Например, в качестве предела текучести обычно используется напряжение 0.2% остаточной деформации, а символ Rp0.2.
Основное определение
В процессе использования на любое сооружение приходятся разные нагрузки в виде сжатий, растяжений или ударов. Они могут действовать как обособленно, так и совместно.
Современные конструкторы стремятся уменьшить массу стальных деталей для экономии материала, но при этом не допустить критичного снижения несущей способности всей конструкции. Происходит это засчет уменьшения сечения стальных арматур.
В зависимости от назначения объектов, могут меняться некоторые требования к стали, но имеется перечень стандартных и важных показателей. Их величины рассчитывают на этапе проектирования деталей и узлов будущего сооружения. Заготовка должна обладать высокой прочностью при соответствующей пластичности.
В первую очередь при расчетах прочности изделия из стали обращают внимание на предел текучести. Это значение характеризующее поведение деталей при воздействиях на них
После прохождения этого предела в материале происходят невосстановимые процессы искажения кристаллической решетки. При последующем увеличении силы воздействия на заготовку и преодолении площадки текучести, деформация увеличивается.
Предел текучести иногда путают с пределом упругости. Это похожие понятия, но предел упругости — это величина максимального сопротивления металла и она чуть ниже предела текучести.
Величина текучести примерно на пять процентов превышает предел упругости.
Стандарты ГОСТ и DIN на высокопрочный крепеж
Сегодня “высокопрочка” поступает на рынок от отечественных, европейских и азиатских производителей. И если качество китайского крепежа вызывает недоверие у потребителей, то российский и европейский продукт пользуется большим спросом. Во многих зарубежных нормативах DIN, EN прописано использование болткомплектов (болт, гайка, шайба в сборе) от одного производителя. В наших документах нет таких правил. Нет в них и требований по виду защитного покрытия, тогда как европейские метизы оцинковываются, как правило, горячим методом.
Таблица 2. Стандарты на высокопрочный крепеж в России и Европе.
| Национальные стандарты РФ | Европейские стандарты |
| ГОСТ Р 52643-2006 Общие технические условия | DIN EN 14399-1:2006 Общие требования |
| ГОСТ Р 52644-2006 (ИСО 7411:1987) Болты | DIN EN 14399-2:2006 Проверка пригодности к предварительным натяжениям |
| ГОСТ Р 52645-2006 (ИСО 4775:1984) Гайки | DIN EN 14399-4:2006 Гарнитуры из болтов и гаек. Система HV |
| ГОСТ Р 52646-2006 (ИСО 7415:1984) Шайбы | DIN EN 14399-5:2006 Шайбы |
| DIN EN 14399-6:2006 Шайбы с фаской |
Основные виды высокопрочных болтов, винтов и шпилек, используемые в России строительными компаниями и машиностроительными предприятиями:
ГОСТ 52644, ГОСТ 22353, DIN 6914, ISO 7412
Перечисленные стандарты распространяются на шестигранные болты высокой прочности (БВП), разработанные для использования при монтаже строительных металлоконструкций из стали, а также в мостостроении и тяжелом машиностроении для создания высоконагруженных соединений. Размерный ряд ограничен диаметрами М16 – М48. Выпускаются в климатическом исполнении «У» и «ХЛ»
ГОСТ 7798, ГОСТ 7805, DIN 933, DIN 931, ISO 4014, ISO 4017
Стандарты на БВП с нормальной шестигранной головкой, полной и неполной резьбой, используемые для скрепления деталей и элементов конструкций в автомобилестроении, других производственных и строительных областях. Имеют широкий диапазон диаметров от М3 до М64. Выпускаются без покрытия или оцинкованными разными способами (гальваническим, термодиффузионным, горячим). Аналоги с мелкой резьбой – DIN 960, DIN 961.
DIN 912, DIN 6912, ГОСТ 11738, ISO 4762
По данным стандартам изготавливаются винты с внутренним шестигранником и головкой в форме цилиндра, которые используются в самых разных отраслях промышленности. Винты DIN, ISO имеют более длинный перечень размеров, выпускаются только в высоких классах прочности 8.8, 10.9, 12.9, тогда как ГОСТ допускает их изготовление и низких классов, но ограниченного диаметра от М3 до М36.
DIN 444, ГОСТ 3033-79
Настоящие стандарты описывают требования к откидным винтам (болтам) с ушком и метрической резьбой диаметром от М5 до М36, которые применяются в станочных приспособлениях, в качестве детали соединения в машиностроении или совместно со строительными анкерами с внутренней резьбой.
DIN 975, DIN 976
Данные стандарты регламентируют размеры, длину, шаг и тип резьбы резьбовых шпилек (штанг). К высокопрочным относят шпильки с границей прочности 800…1200 Нм. Они имеют фиксированную длину 1000 или 2000 мм, диаметр от М4 до М48. Применяются в машиностроении, строительной отрасли, при монтаже кабельно-трубных эстакад.
Все вышеперечисленные метизы изготавливаются в черном исполнении (под покраску) и оцинкованном различными способами.
Сталь 30 – ударная вязкость, Дж/см2
| Сортамент | Размеры – толщина, диаметр, мм | Режимы термообработки | Т, 0С | KCU при температурах |
| -600С | -400С | +200С | ||
| Заготовки | 60 | Закалка (вода) | 860 | |
| Отпуск | 400 | 42 | 45 | 72 |
| Т | r | R 109 | E 10-5 | l | a 106 | C |
| Град | кг/м3 | Ом·м | МПа | Вт/(м·град) | 1/Град | Дж/ (кг·град) |
| 20 | 7850 | 2 | 52 | |||
| 100 | 1.96 | 51 | 12.1 | 470 | ||
| 200 | 1.91 | 49 | 12.9 | 483 | ||
| 300 | 1.85 | 46 | 13.6 | 546 | ||
| 400 | 43 | 14.2 | 563 | |||
| 500 | 39 | 14.7 | 764 | |||
| 600 | 1.64 | 36 | 15 | |||
| 700 | 32 | 15.2 |
| Англия | Болгария | Германия | Евросоюз | Италия | Китай |
| BS | BDS | DIN, WNr | EN | UNI | GB |
| 080M32 |
30
1.0528
| C30 |
| C30E |
| Ck30 |
1.0528
| 1.1178 |
| C30 |
| C30E |
C30
| C30E |
| C30R |
30
| ML25Mn |
| ML30 |
| Польша | Румыния | США | Франция | Чехия | Япония |
| PN | STAS | — | AFNOR | CSN | JIS |
| 30 | |||||
| 30A | |||||
| 30rs |
OLC30
1030
| G10300 |
| M1031 |
C30E
| FR32 |
| XC32 |
12031
S28C
| S30C |
| S33C |
| SWRCH30K |
| SWRCH33K |
Способы обработки стали марки 40х
Материал плохо сваривается. Для устранения этого недостатка применяется термическая обработка. С ее помощью можно получить более универсальный сплав, улучшить его технические характеристики. Термическая обработка проводится в несколько этапов:
- Закалка. Проводится в масляной среде. Нужная для улучшения качества поверхностей структуры.
- Охлаждение детали. Осуществляется с помощью масла или на воздухе. Лучше использовать масло, поскольку оно повышает качество обработанной заготовки. Если применять воду, могут появиться дефекты.
- Отпуск. С его помощью устраняется внутреннее напряжение металла. Проводится на воздухе или с помощью масла.
Если термическая обработка была проведена правильно, твердость повышается до 217 НВ. При этом снижается внутреннее напряжение. Закалку проводят при температуре 860 °C, отпуск — при 200 °C. Если температурный режим не был нарушен, срок эксплуатации сплава увеличивается.
Поле проведения термической обработки улучшается свариваемость металла, для получения качественного шва до применения сварки места соединения нужно разогреть.
Сталь 40х имеет высокую себестоимость из-за сложностей производства, дополнительной термической обработки. Легированный металл чаще применяется для производства деталей, которые длительное время подвергаются большой нагрузке.
Особенности термообработки
Термическая обработка проводится с целью улучшения механических свойств стали 40., в основном, для повышения прочности и поверхностной твердости. Она состоит из комплекса операций, в результате которых изменяется внутренняя структура сплава. Материал подвергается сильному нагреву, поэтому технология термообработки должна учитывать особенности сплава, например:
- температуру плавления стали 40Х;
- ее химический состав;
- содержание примесей, влияющих на твердость металла;
- критические точки, при которых изменяется структура сплава.
ГОСТ определяет оптимальные режимы:
- закалки стали – масляная среда с температурой 860 градусов;
- отпуска – вода или масло при 500 градусах;
- если отпуск проводить при 200 градусах, твердость увеличивается до 552 МПа.
В итоге улучшаются характеристики:
- твердости – до 217 МПа;
- предела прочности на разрыв – 980 Н/м2;
- ударной вязкости – до 59 Дж/см2.
Медленное охлаждение после отпуска ведет к хрупкости стали. Избежать ее можно быстрым охлаждением, однако при этом возможно появление внутренних напряжений, вызывающих деформацию металла. Флокеночувствительность, то есть образование внутренних трещин и полостей, можно уменьшить вакуумированием процесса нагрева и совмещением его с продувкой аргоном.
Технические характеристики углеродистой стали 45
Особого внимания требует процесс закалки стали 40Х, так как она идет на изготовление деталей, испытывающих постоянные нагрузки, например, втулок, шестерен, болтов. После процедуры увеличивается твердость металла, но снижаются пластичность и устойчивость к ударным нагрузкам. Соотношение этих параметров зависит:
- от времени, в течение которого происходит нагрев до заданной температуры;
- интервала выдержки, определяющего равномерность прогрева;
- скорости охлаждения.
Критический диаметр после закалки в различных средах
При максимальной твердости от 43 до 46 HRC3 и содержании мартенсита не более 50% диаметр составляет от 16 до 76 мм.
При критической твердости в диапазоне от 49 до 53 HRC3 и количестве мартенсита, равном 90%, диаметр равен от 6 до 58 мм.
В обозначенных пределах прут с сечением цилиндрической формы прокаливается насквозь.
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.
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.
Читать также: Станок холодной ковки мастер универсал цена
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.
