Прочность стали является одной из главнейших характеристик качества стали как конструкционного материала. Под прочностью понимают способность стальных изделий сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Высокопрочными считаются стали, обладающие высокими механическими свойствами (пределами прочности, текучести, упругости) и имеющими определенную пластичность (относительное удлинение и сужение) и вязкость (коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации, температуру вязко-хрупкого перехода) и др.
Механические свойства сталей – совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения.
В соответствии с этим механические свойства сталей измеряют (единицы физических величин ГОСТ 8.417–78):
– напряжениями (МПа, МН/м2, кгс/мм2; Па = Н/м2; кгс = 9,8 Н; Па = 1,02´10–5 кгс/см2);
– деформациями (в %);
– удельной работой деформации и разрушения (МДж/м2, кгс×м/см2; Дж = Н×м);
– скорость развития процесса разрушения при статистической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторной нагрузки, мм/кцикл).
Основные факторы, изменяющие механические свойства стали:
- химический состав металла;
- состав и качество шихтовых материалов, применяемых при выплавке стали;
- применение процессов внепечной обработки жидкой стали (вакуумирование, обработка синтетическим шлаком, продувка аргоном, модифицирование, рафинирование и др.);
- процессы прокатки, ковки, штамповки (температура нагрева, температура и степень деформации, и др.)
|
Механические свойства сталей определяются при механических испытаниях образцов различной формы. По характеру нагрузки стали могут работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез (сдвиг) и т.д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки. Также разнообразны условия эксплуатации сталей по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону ее изменения во времени. Для металлов наиболее распространены испытания на растяжение, прочность, ударный изгиб, твердость, выносливость, ползучесть.
При испытании сталей на растяжение определяют:
1. Предел прочности – условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца; отношение РВ/F0 = sв характеризует временное сопротивление (предел прочности) материала, где Р – максимальная нагрузка, F0 – площадь поперечного сечения образца.
2. Предел текучести – условное напряжение, при котором остаточнаяотносительная деформация (пластическое удлинение) образца составляет 0,2 %, s0,2 = Рт/F0 (чаще обозначают sт), где Р – нагрузка, F0 – площадь поперечного сечения образца.
3. Предел упругости (sе) – напряжение при котором остаточное пластическое удлинение образца составляет 0,02 %.
4. Удлинение – отношение в процентах приращения длины образца при растяжении до разрыва к его первоначальной длине.
5. Сужение – отношение в процентах уменьшения площади поперечного сечения образца при растяжении до разрыва к его первоначальной площади поперечного сечения.
Пластичность при растяжении конструкционных материалов оценивается удлинением (d = (l 0 – l к) / l 0 × 100%) или сужением (y = (F0 – Fк) / F0 × 100%), при сжатии укорочением, при кручении – предельным углом закручивания рабочей части образца (ГОСТ 1497–73).
|
Испытание стали на растяжение проводится на нормальных или пропорциональных образцах, которые бывают десятикратные или пятикратные. Нормальные образцы имеют диаметр равный 20 мм, пропорциональные – круглые и прямоугольные произвольных размеров. Во всех случаях расчетная длина образца составляет либо 11,3 ÖF, либо 5,65 ÖF, где F – исходная площадь поперечного сечения образца.
Ударная вязкость – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушаться под действием ударной нагрузки. Оценивается работой отнесенная к единице площади излома, необходимой для деформации и разрушения призматического образца с односторонним поперечным надрезом при воздействии на его среднюю часть как на балку, лежащую на 2-х опорах, нагрузки в виде удара со скоростью приложения силы порядка 15–20 м/сек, (дж/м2, кгс×м/см2); обозначается символом КСU, КСV и КСТ (последняя буква определяет тип поперечного надреза и соответствует геометрической форме буквы: U-образной, V-образной и Т – усталостной трещине; ГОСТ 9454–78; старое обозначение ан, ГОСТ 9454–60). Удельная работа КС = К/S0 (ан = Ан/ S0), где К и Ан – работа; S0 – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковых копрах с отсчетом энергии груза до и после приложения нагрузки при различных температурах, °С: +20, 0, –20, –40, –60. Резкое падение ударной вязкости при понижении температуры испытания определяет порог хладноломкости материала; надежная эксплуатация его возможна лишь при температурах, лежащих выше порога хладноломкости.
|
Сопротивление пластической деформации часто оценивают по результатам испытаний на твердость, путем вдавливания твердого наконечника в форме шарика, твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59; ед. измерения НВ; HB = P/F; F = pD2/2 – pD/2ÖD2–d = pDt, где d – диаметр отпечатка 10,5 или 2,5 мм; t – глубина, мм; P – сила, кгс; D – диаметр стального шарика (сталь ШХ15) или из карбида вольфрама, мм). Определение твердости при вдавливании конуса или пирамиды по Виккерсу (ГОСТ 2999-75,ед. измерения HV, HV = P/F = P/(d2/2 cos 22°) = 1,8544P/d2, материал конуса победит или твердый сплав, материал четырехгранной пирамиды – алмаз, с углом 136°). До HB 350¸400 величины HV и HB равны. Определение твердости при вдавливании шарика или конуса с предварительным нагружением по Роквеллу (ГОСТ 9013-59, при диаметрах шарика 1/16, 1/8, 1/4 дюйма или алмазного конуса с углом 120°, вычисляется по шкалам С, А, В, ед. изм. НRС, HRA, HRB). Микротвердость (ГОСТ 9450-76). Испытания на твердость не требуют нарушения целостности детали и потому являются самым массовым средством контроля механических свойств.