Механические свойства сталей.

Практическое занятие № 4

 

 

1. Цель работы.

 

1. Закрепить знания о механических свойствах сталей.

1. Изучить связь механических свойств сталей с конкретными областями их применения.
2. Научиться использовать справочную литературу при выборе сталей для практического применения.

 

1. Введение

Для изучения свойств материалов и установления значения предельных напряжений (по разрушению или пластической деформации) производят испытания образцов материала вплоть до разрушения. Испытания производят при нагрузках следующих категорий: статической, ударной и циклической (испытание на усталость или выносливость).

По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Значительно реже производят испытания на сложное сопротивление, например, сочетание растяжения и кручения.

Так как результаты испытаний зависят от формы образца, скорости его деформации, температуры при испытании и т. д., то эксперимент обычно ведут в условиях, предусмотренных Государственными стандартами (ГОСТами).

Испытания производят на специальных машинах, разнообразных по конструкции и мощности.

Испытание на растяжение. Для стали и других конструкционных материалов испытание на растяжение является основным, и оно применяется чаще, чем другие виды нагружения.

Размеры и форма применяемых образцов стандартизованы. Наиболее распространен так называемый малый пятикратный образец (d = 5 – 6 мм; расчетная длина = 25 – 30 мм). Прочностные свойства, в общем, мало зависят от геометрических размеров гладкого образца, в то время как пластические свойства в существенной степени зависят от размеров испытуемых образцов). Форма образцов для испытаний представлена на рис.2.1.

 

Рис.2.1. Образец для испытаний сталей на растяжение.

 

Кривая растяжения, характерная для низкоуглеродистой стали, представлена на рис. 2.2.

 

 

Рис. 2.2. Кривая растяжения с площадкой текучести.

 

В справочной литературе чаще всего для характеристики сталей используют следующие характеристики, полученные при испытании на растяжение:

• σ пц, σ уп и σ т – пределы пропорциональности, упругости и текучести;

• σ в – временное сопротивление;

• σр – напряжение в момент разрыва.

Кривая растяжения, характерная для среднеуглеродистых сталей, представлена на рис. 2.3.

 

.

 

Рис. 2.3. Кривая растяжения без площадки текучести.

 

σ0,2 – условный предел текучести σр,ист – истинное напряжение в момент разрыва

В справочной литературе часто используют для характеристики сталей, помимо приведенных ранее, следующие характеристики:

 

 

Измерение твердости. Весьма часто для определения прочности пользуются простым не разрушающим образец методом – измерением твердости. Под твердостью материала понимают сопротивление проникновению в него постороннего тела, т. е. по сути дела твердость тоже характеризует сопротивлению деформации. Существует ряд методов определения твердости:

 

• Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности. Твердость – одна из характеристик сопротивления деформации.

• Метод Бринелля: в испытуемый материал под действием силы Р внедряется шарик (индентор) диаметром D; число твердости по Бринеллю – НВ = Р / S, где S – сферическая поверхность отпечатка с диаметром d.

• Метод Роквелла: индентор – алмазный конус или стальной шарик; числом твердости считают величину обратную глубине вдавливания h; прибор имеет три шкалы: HRB – при вдавливании стального шарика; HRA и HRC при вдавливании алмазного конуса (с различной нагрузкой).

• Метод Виккерса: индентор – алмазная пирамида; критерий числа твердости HV – диагональ отпечатка d.

 

Методы HB и HRB применяют для мягких материалов; HRC - для твердых материалов (например, закаленных сталей); методы HV и HRA - для тонких слоев (листов).

Между различными методами существует примерная корреляция. По соответствующим таблицам можно перевести значение твердости, полученное одним из методов в значения твердости соответствующие другим методам.

Число твердости по Бринеллю приблизительно в три раза больше чем предел прочности: НВ ≈ σ в / 3.

Метод определения микротвердости Н применим для определения твердости отдельных структурных составляющих. Индентор – алмазная пирамида при очень небольшой нагрузке (до 100г).

Метод Шора - экспресс-метод определения твердости (HSD) крупных изделий в условиях производства по отскоку стального шарика.

Испытание на усталость. При знакопеременных нагрузках разрушение может происходить постепенно при напряжениях меньших, чем предел прочности. Этот процесс постепенного разрушения - усталость металла. Результат испытания на усталость – одна из характеристик долговечности материала – предел выносливости.

σr - предел выносливости - максимальное значение напряжения цикла, при котором разрушение не происходит после практически неограниченного числа циклов изменения напряжений. Цикл изменения напряжений – совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период их изменения.

Предел усталости (выносливости) определяют с помощью кривой усталости (рис. 2.4), полученной в результате серии испытаний.

 

 

Рис. 2.4. Кривая усталости.

 

Испытание на удар. Для установления степени надежности материала необходимо определение сопротивления разрушению при ударных нагрузках. Разрушение образца расположенного на двух опорах производят ударом маятникового копра на одинаковых образцах при различных температурах. В результате построения сериальной кривой определяют порог хладноломкости. Такие испытания достаточно трудоемки и многочисленны. Поэтому при массовых приемно-сдаточных испытаниях проводят испытания на одном типе образца при одной, реже двух температурах. Эти параметры приводят в справочной литературе. Испытуемые стандартные образцы имеют различные концентраторы напряжений. Поэтому результаты испытаний имеют различные обозначения; KCV, KCU и KCT. При этом - KC – символ ударной вязкости; V – соответствует острому надрезу на испытываемом стандартном образце, U – надрезу с радиусом закругления, а Т – надрезу с наведенной трещиной.