Навигация:
Главная → Все категории → m1

Механические свойства сталей


Механические свойства сталей

Механические свойства сталей — св-ва, отражающие разл. стороны работы материала при изготовлении и эксплуатации конструкций, определяются при деформировании и разрушении образцов на спец. испытат. машинах. Важнейшие М.с.с. характеризует сопротивление материала статич., переменным и ударным нагрузкам.

Осн. М.с.с. определяются при испытаниях на одноосное растяжение при статич. характере нагружения. Машины для испытаний на растяжение (сжатие) состоят из узла нагружения, узлов для передачи нагрузки и центрирования образца, сило-измерителей, деформометров, систем управления режимом нагружения, силовой рамы, уравновешивающей усилия, возникающие при нагружении, а также аппаратами, записывающими диаграммы "усилие—перемещение" или "напряжения— деформация" (о — е).

Наглядное представление о разл. стадиях процесса деформации дает диаграмма работы при растяжении, построенная в координатах "деформация—напряжение" (рис. 1). При малых деформациях диаграмма для стали считается прямолинейной, эта область нагружения принимается упругой, напряжения пропорциональны деформациям, а деформация обратима; здесь выполняется закон Гука а — Ее , где Е— модуль продольной упругости. В инж. целях закон Гука с достаточной точностью описывает поведение строит, стали в упругой области, фактич. отклонения от линейности здесь несущественны.

Область упругости сверху ограничивается двумя точками: пределом пропорциональности а Пц и пределом упругости от упр. Под аПц понимают мин. напряжение, при к-ром начинается отклонение от закона Гука, его определяют как напряжение, при к-ром отступление от линейной зависимости между деформацией и напряжением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образов, касательной к кривой "а — е" в точке а пц с осью напряжений увеличивается на 50% своего значения на линейном участке.

Пода уПр понимается макс, напряжение, при к-ром после разгрузки практически не наблюдается остаточной деформации. Условный предел упругости — это напряжение, при к-ром остаточное удлинение достигает 0,05%, т.е. а о,05- В случае если на диаграмме "а — е" имеется плавный переход от упругих деформаций к пластич. (рис. 1,а), определяется условный предел текучести, за к-рый обычно принимают напряжение, соответствующее 0,2% остаточной деформации — <7 0,2- Такие диаграммы, напр., имеют нержавеющие стали аустенитного класса (12Х18Н10Тит.п.).

На диаграммах "а — е" малоуглеродистых строит, сталей имеет место площадка текучести (рис. 1,6), представляющая собой область нестабильного развития малых пластич. деформаций в образце. Напряжение, соответствующее площадке текучести, наз. физ. пределом текучести и обозначается как о т.
В строит, сталях отношение сопротивлений ранним пластич. деформациям, напр., ао,01 к пределу текучести, может изменяться в достаточно широких пределах. Напр., у сталей с бейнитовой структурой a o,oi/cr од «* 0,6, а у нормализов. мелкозернистых сталей о o,oi-*oy.

Макс, напряжение на диаграммах "а —е " наз. врем, сопротивлением разрыву, или пределом прочности, и обозначается а в- Величина прочностных хар-к строит, сталей при растяжении и при сжатии практически идентична. Область диаграммы между концом площадки текучести и а в наз. областью деформац. упрочнения, между сг в и разрушением — областью сосредоточ. деформации.

При испытаниях используют образцы с прямоугольным (плоские) или с круглым (цилиндрич.) сечением. Применяются два осн. типа образцов — короткий и длинный. Короткий цилиндрич. образец является пятикратным: нач. рабочая длина /о равна пяти нач. диаметрам, длинный цилиндрич. образец — десятикратным. В случае плоских коротких образов /о — - 5,65 У/7£, где F0 — нач. площадь образца; в случае длинных — /о — 11,3 JFZ.

Относит, удлинение короткого образца обозначают как S $, длинного — <5 ю, равномерное относит, удлинение (А1оравн//о)'100% обозначают как 6 равн-Величины осн. прочностных и пластич. хар-к — см. Сталь для металлических конструкций.

В практике работы конструкций широко распространен изгиб. Испытания на изгиб проводят достаточно широко по схемам трехточечного изгиба, либо образец, лежащий на опорах, нагружается двумя равными, симметрично приложенными сосредоточ. нагрузками, при этом на участке между ними создается чистый изгиб с постепенным моментом. Большинство универс. испытат. машин снабжено раздвигающимися опорами для проведения испытаний на изгиб. При этих испытаниях напряжение подсчитывают по ф-ле а — M/W, где М — изгибающий момент; W — момент сопротивления; для прямоугольного сечения W—bh /6 (b — ширина, h — высота образца). При испытании на изгиб гладких образцов из строит, сталей обычно стадия разрушения не достигается. В последнее время широкое распространение находят испытания на изгиб образцов с надрезами.

При эксплуатации строит, сооружений нагрузки действуют длит, время. Поэтому в ряде случаев проводятся испытания материалов в условиях длит, нагружения (см. Ползучесть, Релаксация).

Результаты испытания сталей при статич. характере нагружения в ряде случаев дополняют данными испытаний на твердость.

Важнейшее св-во строит, сталей — сопротивление хрупким разрушениям — чаще всего оценивается при испытаниях на трехточечный ударный изгиб небольших призматич. надрезанных образцов. В лабораторной практике обычно испыты-вается серия образцов в интервале темп-р, прежде всего климатич. (от плюс 20 до минус 70 °С). Основной определяемой при этих испытаниях величиной является ударная вязкость (КС).

Методически несложные испытания на ударный изгиб являются осн. методом приемно-сдаточных испытаний строит, сталей. Их результаты обычно вносятся в научно-технич. документацию на сталь.

В нашей стране испытания на ударный изгиб проводят на спец. маятниковых копрах. Маятник свободно качается на шариковых подшипниках, размещ. на опорах. Перед испытанием маятник поднимают на определ. высоту. Метод испытаний основан на разрушении образца с надрезом посередине одним ударом молота, за-крепл. на маятнике. В результате испытания определяют полную работу, затрач. при разрушении образца (работу удара).

Определение этой работы в маятниковых копрах основывается на оценке разницы угла подъема маятника перед испытанием и угла, на к-рый маятник смог подняться после разрушения образца (рис. 2). Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнес, к нач. площади — нетто поперечного сечения образца в месте расположения надреза. Форма и размеры осн. образцов толщиной 10 мм должны соответствовать данным таблицы.

Трещину получают в вершине нач. V-образного надреза при циклич. изгибе образца в плоскости, норм, надрезу.

Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква — вид концентратора. Для обозначения ударной вязкости при пониж. или повыш. темп-pax вводится цифровой индекс, указывающий темп-ру испытаний. Напр., KCU" , KCV"40, КСТ40 — ударная вязкость, определ. при минус 40 °С на образцах с концентраторами видов U, V и Т соответственно.

Типичные результаты лабораторных испытаний серий образцов строит, стали показаны на рис. 3. Кроме ударной вязкости обычно определяют вид излома (соотношение волокнистой и кристаллич. составляющих в изломе), а также хар-ки пластич. деформации в изломе. Мин. темп-pa испытаний, при к-рой измеряемая величина выше критериального значения, наз. переходной (критич. темп-рой вязкохрупкого перехода).

Наиболее часто используется энерге-тич. критерий (величина работы разрушения или ударной вязкости), деформац. критерий, а также критерий разрушения срезом.

За критерий по ударной вязкости для сталей обычной прочности СтЗ принимается KCU — 29 Дж/см , для сталей повыш. и высокой прочности — 34—49 Дж/см в зависимости от прочности. У хороших сортов сталей обычной прочности критич. темп-pa по этому критерию составляет минус 20 °С, у сталей повыш. и высокой прочности — минус 40 и даже минус 70 °С.

За критич. по деформац. критерию обычно принимают темп-ру, при к-рой сужение у дна надреза составляет 3—7 % в зависимости от вида концентратора.
За критич. по разрушению срезом принимают темп-ру, соответствующую виду излома с определ. процентом волокнистой составляющей (обычно 50%). Эта темп-pa для стали СтЗсп составляет около 20 °С, для хладостойких сталей металлич. конструкций — около минус 60 °С.

Мощность стандартных копров составляет 300 Дж. В последнее время выпускаются копры гораздо большей мощности — до 5— 10 кДж. Эти копры используют для испытания толстых листов, идущих на изготовление магистральных нефте- и газопроводов. При этом размеры брутто образца для испытаний обычно составляют 305x76x7 мм (г — полная толщина исследуемого листа). Концентратором напряжений в данном случае служит прессов, острый надрез глубиной 5 мм.

Для оценки сопротивления сталей разрушению в последнее время все большее распространение получают методы, основ, на теории трещин и базирующиеся на св-вах материалов, наз. хар-ками тре-щиностой кости.

Для определения хар-к трещино-стойкости испытывают с записью диаграмм "нагрузка—смещение" ("Р—V") или "нагрузка—прогиб" ("Р—Г) образцы с предварительно усталостной трещиной. По результатам испытаний определяют след. осн. хар-ки трещиностойкости.

Для образцов конечных размеров пользуются решениями, получ. для бесконечной пластины, но модифициров. с помощью к.-л. ф-ции, сводящей к нулю соответствующие поверхностные силы.

В строит, относительно мягких сталях при росте номин. напряжения величина действит. напряжения у вершины трещины превышает предел текучести раньше, чем достигается критич. интенсивность напряжений, при этом у вершины трещины в зоне размером гт возникают пластич. деформации. Правильное определение К\с возможно лишь в случае гт « /, практически при гт//, равном 0,02—0,03. Поэтому для уменьшения величины гт следует проводить испытания в условиях плоской деформации, к-рая достигается при увеличении толщины образца. На практике корректные значения К\с в строит, сталях можно получить при толщине образца (проката) не менее 40 мм и темп-pax не выше минус 40—70 °С.

Достаточно корректная оценка трещиностойкости пластических сталей в прокате наиболее распростран. толщин до 40 мм в диапазоне климатич. темп-р может быть получена при определении критич. раскрытия трещины <5с в тупиковой ее части в момент страгивания. Поскольку речь идет о малых и неопредел, расстояниях, условия разрушения более удобно выражать не через деформации, а через перемещения.

Страгивание лавинообразно распространяющейся трещины в элементах конструкций из строит, сталей в ряде случаев из-за недостаточного стеснения пластич. деформаций происходит при наличии в окрестности вершины трещины значит, пластически деформиров. зоны. Поправка на пластичность при оценке трещиностой-кости в окрестности вершины трещины должна интегрально отражать нелинейность процесов пластич. деформации, в этом случае наиболее эффективно использование энергетич. методов. Здесь наиболее перспективны методы, основ, на понятии /-интеграла.

Описанную энергетич. интерпретацию /-интеграла нельзя применять к процессам распространения трещины в материалах с высокой пластичностью из-за необратимости пластич. деформации.

Для определения хар-к трещиностойкости применяют след. образцы: плоский прямоугольный с центр, трещиной для испытаний на осевое растяжение, ци-линдрич. с кольцевой трещиной для испытаний на осевое растяжение, наиболее часто применяемый при испытаниях строит, сталей прямоугольный компактный с краевой трещиной для испытаний на вне-центр. растяжение, плоский прямоугольный с краевой трещиной для испытаний на трехточечный изгиб.

Для определения хар-к трещиностойкости используют испытат. машины. Для измерения смещений УИЛИ прогибов/ применяют двухконсольные датчики-скобы тензорезисторного типа.

При записи диаграмм "Р—v" или "Р—/' масштаб по оси v или/должен быть не менее 50:1, лучше 200:1.

Для надежной эксплуатации ряда тяжел онагру ж. металлич. конструкций (магистральные газо- и нефтепроводы, сосуды, работающие под давлением, крупные конструкции, воспринимающие динамич. нагрузки и т.п.) необходимо специально оценить способность материала останавливать возникшие трещины. Из подобных испытаний наибольшее распространение получил метод Робертсона (и его модификации) , при к-ром материал нагружается нестабильно распространяющейся трещиной. Сущность метода заключается в след.

В крупной пластине исследуемого проката натурной толщины создается градиентное температурное поле: с одного торца проводят охлаждение до криогенных темп-р (ниже минус 80 °С), напр., с помощью жидкого азота, с противоположного торца проводится умеренный подогрев до 40—50 °С. Далее пластина нагружается растяжением (в направлении, нормальном оси, по к-рой располагаются источники охлаждения—нагрева) до определ., заранее заданного уровня но-мин. напряжений (а н < о т). Затем на торце пластины, имеющем криогенную темп-ру, инициируется хрупкая трещина (ста-тич. или ударной нагрузкой). Возникшая нестабильная трещина при распространении в сторону повышающихся темп-р увязает при определ. темп-ре остановки трещины /ост. Испытывается серия образцов в интересующем исследователей диапазоне напряжений а н. По результатам испытаний строится зависимость /ост от а н. при этом получают область напряжений и темп-р, при к-рых возникшая хрупкая трещина не распространяется в сталях. Для малоуглеродистой стали /ост составляет 10—20 °С, для лучших сортов улучшенной стали — минус 60 °С. Иногда применяют изотермич. вариант испытаний по Робертсону, при к-ром пластины имеют пост, темп-ру.

Анализ разрушения листовых конструкций показывает, что условия их разрушения близки к результатам испытаний по Робертсону, что позволяет формулировать требования к сталям для ответств. конструкций ПО /ост.

Одним из важнейших эксплуатационных св-в строит, сталей является их сопротивление переменным нагрузкам (см. Усталость). Механич. испытания на усталость чаще всего проводят по гармонич. циклу, характеризующемуся величинами макс, мин., и среднего напряжений (сттах.сттш, am); (amax -<7min)/2-cra— амплитуда напряжений; a max/'о min — R — коэф. асимметрии цикла.

Асимметричный цикл как общий случай усталостного напряжения можно рассматривать как суммирование постоянного среднего напряжения a m (статич. нагрузка) и переменной амплитуды напряжений аЛ:а —от + о лШ), где / — вре-мя; a m — (о max + о шш) /2.

Наиболее жесткими являются испытания по симметричному циклу: Сттах-— - о min, при этом а т " 0. При испытании элементов строит, конструкций часто используют пульсирующий цикл, при к-ром стпип - 0. Однако наиболее характерным считается цикл с относительно небольшим значением R , равным 0,14—0,25.

В ряде случаев при испытаниях напряжения задают блоками нагрузок, моделирующих условия действит. эксплуатации, в последнем случае практич. значение испытаний увеличивается.

По результатам испытаний на усталость в самом простом случае, проводимом при разл. напряжениях и хар-ках циклов на сериях не менее чем из пятнадцати образцов, строятся кривые усталости в полу-логарифмич. или логарифмич. координатах a max - lgN (N — число циклов), lg a max - \%N, ста - lg#, lgcra - lgN, а также диаграммы предельных напряжений или предельных амплитуд напряжений с учетом изменения коэф. асимметричности.

При циклич. испытаниях на усталость определяются след. хар-ки: предел выносливости, усталостная долговечность, скорость роста трещины, длительность периода до появления трещины, чувствительность к концентрации напряжений, влияние темп-ры и среды, частоты напряжения, площади сечения, асимметрии цикла и т.п.

Осн. критерием при определении предела выносливости и построении кривых усталости являются полное разрушение или появление трещин с протяженностью по поверхности 0,5— 1 мм. Собственно за предел выносливости принимают отах или оа, при к-рых образец выдерживает установл. критерий при испытаниях на определ. базе циклов. Для строит, сталей эта база составляет 10.10 циклов при обычной многоцикловой усталости и 510 циклов при малоцикловой усталости. Под усталостной долговечностью понимают число циклов до достижения описанного критерия при конкретных напряжениях, превышающих предел выносливости.
Коэф. чувствительности к концентрации напряжений q — (Ко - 1) / (ао - 1), где Ко—эффективный коэф. концентрации напряжений, определяемый как отношение пределов выносливости гладкого и надрезанного образцов; аа — теоретич. коэф. концентрации напряжений, вы-числ. при решении упругой задачи.

При испытаниях на усталость при растяжении — сжатии, изгибе и кручении — испытат. машины обеспечивают разрушение образцов по след. схемам: повторно-переменное растяжение—сжатие — наиболее распростран. схема испытаний строит, материалов, соединений и узлов конструкций; чистый или консольный изгиб при вращении цилиндрич. образцов; чистый или консольный изгиб в одной плоскости; повторно-переменное кручение.

Испытат. машины могут иметь разл. способы возбуждения перем. нагрузок: с помощью гидропульсаторов; кривошип-но-шатунный, пост, силой (напр., кон-сольно прилож. нагрузка к вращающемуся образцу), электромагнитный, электро-динамич. и т.п. При испытаниях на малоцикловую усталость нагружение может быть жестким — при задании амплитуды деформации — полной са или пластич. ера, а также мягким — при задании амплитуды напряжений аа.

Для испытаний используют как цилиндрич. образцы, так и плоские стандартизированные образцы с концентраторами напряжений «а. равными 2—5,7. При испытаниях строит, сталей для металлич. конструкций обычно используют серии крупных плоских образцов натурной толщины, сохраняя прокатную поверхность. Испытывают не только серии гладких образцов, но и образцов с концентраторами напряжений, характерными для соединений конструкций с отверстием, соответствующим отверстию под болт, а также со сварными швами (стыковыми, лобовыми и фланговыми), характерными для соединений. Предел выносливости образцов, вырезанных из листов с необработанной поверхностью, примерно соответствует след. закономерностям (при R-0,14) <70,14"-141+сгв/4; для образцов с отверстием а о, 14 - 53 + а в/4; для образцов со стыковым швом а о,14 - 67 + 0,17ов.

Пределы выносливости образцов с угловыми швами (лобовыми и фланговыми) не зависят от прочности проката.

Похожие статьи:
Мрамор

Навигация:
Главная → Все категории → m1

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум