Механические свойства металлов и сплавов

Прочность материала

У стали есть одно важное свойство — прочность. Чтобы установить прочность материала, производятся испытания. Стержень из стали выбранной марки растягивают, а потом проверяют, как изменился образец после прикладываемых усилий. По итогам испытаний составляют график, где указывают приложенное усилие (напряжение) и уровень деформации.

У металла есть такой важный параметр, как предел текучести. Обнаружить предел текучести образца можно в результате тестирования. Если к заготовке были приложены незначительные нагрузки, то ее форма будет восстановлена. Когда напряжение, прикладываемое к заготовке, перейдет за предел текучести, образец получит необратимые изменения.

Цель испытаний — определить максимальное напряжение, которое может выдержать образец. Поэтому тесты продолжаются до тех пор, пока образец не разорвется. При этом испытатели узнают, какова у стали прочность на растяжение.

Прочность сталей

Механические свойства сталей, как и других металлических материалов, чаще всего определяются с помощью испытания на растяжение. Испытание на растяжение заключается в приложении растягивающего усилия к образцу – чаще всего, в виде стержня – и измерении изменения длины образца при увеличении прилагаемого усилия (рисунок 1). Образец вырезают из интересующего материала или изделия. Результат испытания представляет собой диаграмму растяжения – график, на котором по вертикали откладывается напряжение (усилие на единицу площади образца), а по горизонтали – деформация (относительное изменение длины образца).


Рисунок 1 – Диаграмма напряжение-деформация при испытании образца на растяжение

При малых деформациях стержень ведет себя упруго – он «отпружинивает» обратно к своей исходной длине, если приложенные напряжения снимают. При напряжении выше величины, которую называют пределом текучести, стержень начинает деформироваться пластически. Это значит, что после снятия прилагаемых напряжений стержень уже не возвращается к своей исходной длине, а получает необратимое удлинение. Путем растяжения стержня до разрушения находят максимальное напряжение на диаграмме растяжения. Это максимальное напряжение называют прочностью при растяжении или временным сопротивлением растяжению материала, из которого был изготовлен образец.

Твердость изделия

Сталь обладает твердостью, которую измеряют с помощью индентора. Индентор — это материал, который внедряют в сталь до тех пор, пока не останется отпечаток. Разумеется, он должен быть прочнее и тверже стали. Лучший материал для такого инструмента — алмаз. Твердость измеряют по шкале Роквелла, также можно определить твердость заготовки по Бриннелю и Викерсу. Измеряя твердость по Роквеллу, устанавливают глубину следа от индентора на заготовке. Между твердостью и прочностью есть соотношение в закаленных сталях при правильном отпуске.

Пластичность металла

Сталь отличается пластичностью, это свойство нельзя недооценивать. Благодаря пластичности из стали можно создавать любые заготовки и изделия. Не все стали являются пластичными. Если материал не пластичен, то он хрупок, а хрупкие стали уязвимы. Изделия из таких материалов могут разрушиться в результате механических воздействий. Если пластичная сталь при механическом воздействии сгибается, то хрупкая — ломается.

Проверить пластичность (или хрупкость) можно путем уже описанного выше теста на растяжение. Пластичная заготовка после достижения предела текучести начнет хорошо растягиваться. Хрупкий образец просто сломается. Аналогичным образом можно испытать материал на сужение, прикладывая усилие в обратном направлении.

Пластичность сталей

Если при простом испытании на изгиб металл разрушается только после большого пластического прогиба, то его считают пластичным. Если такого прогиба нет совсем или он незначительный – материал называют хрупким. Хорошая пластичность металла проявляется при испытании на растяжение высокой величиной удлинения образца и/или его сужения. Удлинение выражает в процентах увеличение длины образца после разрушения к его исходной длине (см. рисунок 1). Аналогично сужение выражает в процентах уменьшение площади образца по сравнению с его исходной площадью (рисунок 2).


Рисунок 2 – Диаграмма растяжения для хрупкого и пластичного металлов

Чаще всего механические свойства сталей в целом оценивают по трем показателям: пределу прочности, пределу текучести и удлинению. Пределы прочности и пластичности обычно выражают в мегапаскалях (МПа), удлинение – в процентах (%). Практически всегда с увеличением прочности металла или сплава его пластичность снижается.

Усталость металлов

Усталость металлов — свойство, которым описывают разрушение сталей под влиянием циклических нагрузок. Усталостное разрушение происходит следующим образом. Для примера можно взять деталь, которая подвергается растягивающим нагрузкам в одной части и сжимающим — в другой. Происходит циклическое напряжение, однако оно ниже предела текучести. Деталь будет работать долго, пока на ее поверхности не появится точка концентрации напряжений. Это может быть незначительная царапина или задир.

После появления задира напряжение в точке концентрации будет превышать предел текучести. Это приведет к появлению трещин и более серьезных дефектов. В результате деталь разрушится. Аналогичные нагрузки испытывают валы, пружины, колесные оси. Они подвержены циклическим нагрузкам.

Усталость металла свойственна и тем деталям, которые постоянно испытывают вибрирующие нагрузки. Например, это происходит с деталями на крыльях самолетов. Предотвратить разрушение практически невозможно, единственный способ — регулярная проверка и профилактика. Если на детали есть повреждение, то безопаснее ее заменить. Подвергаются усталости стали клапаны в автомобильных двигателях. При малейших повреждениях производится замена комплектующих.

05 декабря 2017

Поделиться с друзьями:

Приложение 2. Механические характеристики сталей

Главная / Услуги / ГОСТы и СНиПы / ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность /

Версия для печати

Механические характеристики: для углеродистых и низколегированных сталей — табл. 1 и 2, для теплоустойчивых хромистых сталей — табл. 3 и 4, для жаропрочных, жаростойких и коррозионностойких сталей аустенитного и аустенито-ферритного класса — табл. 5 и 6

Таблица 9

210(2100) 300(3000) 280(2800) 220(2200) 195(1950) 270(2700) 280(2800)
100 230(2300) 201(2010) 265,5(2655) 240(2400) 213(2130) 188(1880) 240(2400) 240(2400)
150 224(2240) 197(1970) 256,5(2565) 231(2310) 209(2090) 183(1830) 231(2310) 231(2310)
200 223(2230) 189(1890) 247,5(2475) 222(2220) 204(2040) 177(1770) 222(2220) 222(2220)
250 197(1970) 180(1800) 243(2430) 218(2180) 198(1980) 168(1680) 218(2180) 218(2180)
300 173(1730) 162(1620) 226,5(2265) 201(2010) 179(1790) 150(1500) 201(2010) 201(2010)
350 167(1670) 147(1470) 210(2100) 185(1850) 159(1590) 132(1320) 185(1850) 185(1850)
375 164(1640) 140(1400) 199,5(1995) 174(1740) 147(1470) 123(1230) 162(1620) 174(1740)
400 183(1830) 158(1580) 158(1580)
410 156(1560) 156(1560)
420 138(1380) 138(1380)

Таблица 10

Расчетная температура стенки сосуда или аппарата, °С Расчетное значение временного сопротивления Rт, МПа (кгс/см2), для сталей марок
ВСт3 09Г2С, 16ГС 20 и 20К 10 10Г2, 09Г2, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1
толщина, мм
до 20 свыше 20 до 32 свыше 32 до 160
20 460(4600) 380(3800) 470(4700) 440(4400) 410(4100) 340(3400) 440(4400)
100 435(4350) 360(3600) 425(4250) 385(3850) 380(3800) 310(3100) 385(3850)
150 460(4600) 390(3900) 430(4300) 430(4300) 425(4250) 340(3400) 430(4300)
200 505(5050) 420(4200) 439(4390) 439(4390) 460(4600) 382(3820) 439(4390)
250 510(5100) 435(4350) 444(4440) 444(4440) 460(4600) 400(4000) 444(4440)
300 520(5200) 440(4400) 445(4450) 445(4450) 460(4600) 374(3740) 445(4450)
350 480(4800) 420(4200) 441(4410) 441(4410) 430(4300) 360(3600) 441(4410)
375 450(4500) 402(4020) 425(4250) 425(4250) 410(4100) 330(3300) 425(4250)

Таблица 11

Расчетная температура стенки сосуда или аппарата, °С Расчетное значение предела текучести Rp0,2, МПа (кгс/см2), для сталей марок
12МХ 12ХМ 15ХМ 15Х5М 15Х5М-У
20 220(2200) 220(2200) 233(2330) 220(2200) 400(4000)
100 219(2190) 219(2190) 230(2300) 210(2100) 352,5(3525)
150 218(2180) 218(2180) 229(2290) 207(2070) 345(3450)
200 217,5(2175) 217,5(2175) 228(2280) 201(2010) 337,5(3375)
250 217,5(2175) 217,5(2175) 228(2280) 190(1900) 330(3300)
300 212(2120) 212(2120) 220(2200) 180(1800) 315(3150)
350 206(2060) 206(2060) 213(2130) 171(1710) 300(3000)
375 202(2020) 202(2020) 210(2100) 164(1640) 270(2700)
400 198(1980) 198(1980) 205(2050) 158(1580) 255(2550)
410 195(1950) 195(1950) 204(2040) 155(1550) 240(2400)
420 194(1940) 194(1940) 202(2020) 152(1520) 225(2250)

Таблица 12

Расчетная температура стенки сосуда или аппарата, °С Расчетное значение временного сопротивления Rт, МПа (кгс/см2), для сталей марок
12МХ 12ХМ 15ХМ 15Х5М 15Х5М-У
20 450(4500) 450(4500) 450(4500) 400(4000) 600(6000)
100 440(4400) 440(4400) 440(4400) 380(3800) 572(5720)
150 434(4340) 434(4340) 434(4340) 355(3550) 555(5550)
200 430(4300) 430(4300) 430(4300) 330(3300) 535(5350)
250 440(4400) 437(4370) 437(4370) 320(3200) 520(5200)
300 454(4540) 445(4450) 445(4450) 318(3180) 503(5030)
350 437(4370) 442(4420) 442(4420) 314(3140) 492(4920)
375 427(4270) 436(4360) 436(4360) 312(3120) 484(4840)
400 415(4150) 426(4260) 426(4260) 310(3100) 472(4720)
410 413(4130) 424(4240) 424(4240) 306(3060) 468(4680)
420 410(4100) 421(4210) 421(4210) 300(3000) 462(4620)

Таблица 13

Расчетная температура стенки сосуда или аппарата, °С Расчетное значение предела текучести Rp0,2, МПа (кгс/см2), для сталей марок
08Х18Г8Н2Т (КО-3) 07Х13АГ20 (ЧС-46) 02Х8Н22С6 (ЭП-794) 15Х18Н12С4ТЮ (ЭИ-654) 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т 06ХН28МДТ, 03ХН28мдт
20 350(3500) 350(3500) 200(2000) 350(3500) 350(3500) 220(2200)
100 328(3280) 260(2600) 160(1600) 330(3300) 300(3000) 207(2070)
150 314(3140) 230(2300) 150(1500) 310(3100) 280(2900) 195(1950)
200 300(3000) 200(2000) 135(1350) 300(3000) 283(2830) 186(1860)
250 287(2870) 190(1900) 125(1250) 280(2800) 250(2500) 175(1750)
300 274(2740) 180(1800) 115(1150) 270(2700) 240(2400) 165(1650)
350 170(1700) 160(1600)
375 165(1650) 157,5(1575)
400 160(1600) 155(1550)

Таблица 14

Расчетная температура стенки сосуда, или аппарата, °С Расчетное значение временного сопротивления Rт, МПа (кгс/см2), для сталей марок
08Х18Г8Н2Т (КО-3) 07Х13АГ20 (ЧС-46) 02Х8Н22С6 (ЭП-794) 15Х18Н12С4ТЮ (ЭИ-654) 06ХН28МДТ, 03ХН28мдт
20 600(6000) 670(6700) 550(5500) 700(7000) 550(5500)
100 535(5350) 550(5500) 500(5000) 640(6400) 527,5(5275)
150 495(4950) 520(5200) 480(4800) 610(6100) 512,5(5125)
200 455(4550) 490(4900) 468(4680) 580(5800) 500(5000)
250 415(4150) 485(4850) 450(4500) 570(5700) 490(4900)
300 375(3750) 480(4800) 440(4400) 570(5700) 482,5(4825)
350 465(4650) 478(4780)
375 458(4580) 474(4740)
400 450(4500) 470(4700)

Таблица 15

Расчетная температура стенки сосуда или аппарата, °С Расчетное значение предела текучести Rp1,0, МПа (кгс/см2), для сталей марок
12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15М3Т 03Х21Н21М4ГБ 03Х18Н11 03Х17Н14М3
20 276(2760) 252(2520) 270(2700) 240(2400) 230(2300)
100 261(2610) 234(2340) 260(2600) 200(2000) 210(2100)
150 252(2520) 222(2220) 257(2570) 187,5(1875) 195(1950)
200 240(2400) 210(2100) 257(2570) 180(1800) 180(1800)
250 231(2310) 198(1980) 250(2500) 173(1730) 170(1700)
300 222(2220) 184,5(1845) 223(2230) 168(1680) 155(1550)
350 216(2160) 169,5(1695) 215(2150) 162(1620) 152(1520)
375 210(2100) 162(1620) 212(2120) 160(1600) 135(1350)
400 205,5(2055) 154,5(1545) 210(2100) 160(1600) 130(1300)
410 204(2040) 153(1530) 160(1600) 125(1250)
420 202,5(2025) 151,5(1515) 160(1600) 123(1230)
430 201(2010) 150,75(1508) 160(1600) 122(1220)
440 199,5(1995) 150(1500) 160(1600) 121(1210)
450 198(1980) 148,5(1485) 160(1600) 120(1200)
460 196,5(1965) 147(1470)
470 195(1950) 146(1460)
480 93,5(1935) 145,5(1455)
490 192(1920) 144(1440)
500 190,5(1905) 142,5(1425)
510 189(1890) 141(1410)
520 187,5(1875) 139,5(1395)
530 186(1860) 138(1380)

Примечание. Предел текучести для поковок, сортового проката и труб при 20 °С следует принимать:

— для поковок из стали марок 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т — ;

— для поковок и сортового проката из стали марки 08Х18Н10Т — ;

— для сортового проката из стали марок 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т -;

— для поковок из стали марок 03Х17Н14М3, 03Х18Н11 — ;

— для сортового проката из стали марки 03Х18Н11 — ;

— для труб из стали марки 03Х21Н21М4ГБ (ЗИ-35) — ;

— для поковок из стали марки 03Х21Н21М4ГБ (ЗИ-35) — (поковки)

где предел текучести материала поковок определен по ГОСТ 25054 (по согласованию).

Таблица 16

Расчетная температура стенки сосуда или аппарата, °С Расчетное значение предела текучести Rp0,2 МПа (кгс/см2), для сталей марок
12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т 08Х18Н10Т, 08X18H12T, 08Х17Н13М2Т, 08X17H13M3T 03Х21Н21М4ГБ 03Х18Н11 03X17H14M3
20 240(2400) 210*(2100) 250(2500) 200(2000) 200(2000)
100 228(2280) 195(1950) 240(2400) 160(1600) 180(1800)
150 219(2190) 180(1800) 235(2350) 150(1500) 165(1650)
200 210(2100) 173(1730) 235(2350) 140(1400) 150(1500)
250 204(2040) 165(1650) 232(2320) 135(1350) 140(1400)
300 195(1950) 150(1500) 205(2050) 130(1300) 126(1260)
350 190(1900) 137(1370) 199(1990) 127(1270) 115(1150)
375 186(1860) 133(1330) 195(1950) 125(1250) 108(1080)
400 181(1810) 129(1290) 191(1910) 122,5(1225) 100(1000)
410 180(1800) 128(1280) 121,5(1215) 98(980)
420 180(1800) 128(1280) 121(1210) 97,5(975)
430 179(1790) 127(1270) 120,5(1205) 97(970)
440 177(1770) 126(1260) 120(1200) 96(960)
450 176(1760) 125(1250) 120(1200) 95(950)
460 174(1740) 125(1250)
470 173(1730) 124(1240)
480 173(1730) 123(1230)
490 171(1710) 122(1220)
500 170(1700) 122(1220)
510 168(1680) 120(1200)
520 168(1680) 119(1190)
530 167(1670) 119(1190)

* Для сталей 08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15М3Т предел текучести при 20 °С равен 200 (2000) МПа (ксг/см2).

Примечания:

1. Для поковок из стали марок 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, пределы текучести, приведенные в табл. 16, умножают на 0,83.

2. Для сортового проката из стали марок 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т пределы текучести, приведенные в табл. 16, умножают на

где R*p0,2 — предел текучести материала сортового проката определен по ГОСТ 5949.

3. Для поковок и сортового проката из стали марки 08Х18Н10Т пределы текучести, приведенные в табл. 16, умножают на 0,95.

4. Для поковок из стали марки 03Х17Н14М3 пределы текучести, приведенные в табл. 16, умножают на 0,9.

5. Для поковок из стали марки 03Х18Н11 пределы текучести, приведенные в табл. 16, умножают на 0,9; для сортового проката из стали марки 03Х18Н11 пределы текучести умножают на 0,8.

6. Для труб из стали марки 03Х21Н21М4ГБ (ЗИ-35) пределы текучести, приведенные в табл. 16, умножают на 0,88.

7. Для поковок из стали марки 03Х21Н21М4ГБ (ЗИ-35) пределы текучести, приведенные в табл. 16, умножают на отношение

где R*p0,2 — предел текучести материала поковок определен по ГОСТ 25054 (по согласованию).

Таблица 17

Расчетная температура стенки сосуда или аппарата, °С Расчетное значение временного сопротивления Rт, МПа (кгс/см2), для сталей марок
03Х21Н21М4ГБ 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т 03Х17Н14М3 03Х18Н11 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15М3Т 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т
20 550(5500) 600(6000) 500(5000) 520(5200) 520(5200) 540(5400)
100 540(5400) 583(5830) 474(4740) 450(4500) 480(4800) 500(5000)
150 535(5350) 550(5500) 453(4530) 433(4330) 455(4550) 475(4750)
200 535(5350) 515(5150) 432(4320) 415(4150) 430(4300) 450(4500)
250 534(5340) 503(5030) 412(4120) 405(4050) 424(4240) 443(4430)
300 520(5200) 500(5000) 392(3920) 397(3970) 417(4170) 440(4400)
350 518(5180) 376(3760) 394(3940) 408(4080) 438(4380)
375 517(5170) 368(3680) 392(3920) 405(4050) 437(4370)
400 516(5160) 360(3600) 390(3900) 402(4020) 436(4360)
410 358(3580) 388(3880) 400(4000) 434(4340)
420 356(3560) 386(3860) 398(3980) 432(4320)
430 354(3540) 384(3840) 396(3960) 431(4310)
440 352(3520) 382(3820) 394(3940) 430(4300)
450 350(3500) 380(3800) 392(3920) 428(4280)
460 390(3900) 426(4260)
470 388(3880) 424(4240)
480 386(3860) 422(4220)
490 385(3850) 421(4210)
500 383(3830) 420(4200)
510 381(3810) 418(4180)
520 380(3800) 416(4160)
530 374*(3740) 412*(4120)

* Для расчетной температуры стенки 550 °С.

<< назад / в начало / вперед >>

19 Апреля 2012 г.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Для любых предложений по сайту: [email protected]