Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Механические свойства металлов

Механические свойства металлов.

Прочность. Прочностью называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные (временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;

прочные (от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;

высокопрочные (более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.

Таблица 10. Прочность металлов

МеталлВременное сопротивление, МПаМеталлВременное сопротивление, МПа
Титан580Цинк120-140
Железо200-300Алюминий80-120
Медь200-250Золото120
Магний120-200Олово27
Серебро150Свинец18

Пластичность. Пластичность — это свойство твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые их вызвали. В качестве показателя пластичности выборочно относительное удлинение, определяемое при тех же испытаниях, что и временное сопротивление.

По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:

высокопластичные — (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий идр.);

пластичные — (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа);

хрупкие — (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кольбат, сурьма.

Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.

Таблица 11. Пластичность металлов.

МеталлОтносительное удлинение, %МеталлОтносительное удлинение, %
Золото65Титан50
Серебро65Олово40
Свинец65Алюминий30-40
Медь50-60Цинк30
Железо40-50Магний10-22

Твердость. Твердость — это характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая путем вдавливания шарика (метод Бринелля) или призмы (метод Виккерса). Количественный оценкой твердости является число твердости НВ, равное отношению нагружения (Н) к площади поверхности отпечатка (мм 2 ). Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.

Таблица 12. Твердость металлов.

МеталлНВМеталлНВ
Титан160Алюминий16-25
Железо70-80Серебро25
Магний30-40Золото18
Медь40Олово5
Цинк33Свинец4

Модуль продольной упругости. Модуль продольной упругости, или модуль Юнга, Е определяет жидкость металла , т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере увеличения упругости деформации (таблица 13).

Предел прочности стали

Прочность металлических конструкций – один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.

Предел прочности стали

Предел прочности

Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.

Каким образом производится испытание на прочность

Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.

Испытание на разрыв

Испытание на разрыв

Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.

Виды пределов прочности

Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.

Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.

Различают следующие виды предела прочности при:

  • сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
  • изгибе — влияет на гибкость деталей;
  • кручении – показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
  • растяжении.

Виды испытаний прочности материалов

Виды испытаний прочности материалов

Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.

Предел прочности стали

На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

На значение параметра влияют:

  • химический состав сплава;
  • термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.

Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.

Условный предел текучести

Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σт. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.

На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.

Общие сведения и характеристики сталей

С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали. Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.

Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.

Влияние углерода на механические свойства стали

Влияние углерода на механические свойства стали

Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.

Добавки марганца и кремния

Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.

Влияние кремния на свойства сталей

Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.

При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.

Влияние легирующих добавок на свойства стали

Влияние легирующих добавок на свойства стали

В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.

Азот и кислород в сплаве

Эти самые распространенные в земной атмосфере газы вредно влияют на прочностные свойства. Образуемые ими соединения в виде включений в кристаллическую структуру существенно снижают прочностные параметры и пластичность.

Легирующие добавки в составе сплавов

Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:

  • Хром. Применяется для повышения прокаливаемости и твердости. Доля – 0,8-0,2%.
  • Бор. Улучшает хладноломкость и радиационную стойкость. Доля – 0,003%.
  • Титан. Добавляется для улучшения структуры Cr-Mn сплавов. Доля – 0,1%.
  • Молибден. Повышает прочностные характеристики и коррозионную стойкость, снижает хрупкость. Доля – 0,15-0,45%.
  • Ванадий. Улучшает прочностные параметры и упругость. Доля – 0,1-0,3%.
  • Никель. Способствует росту прочностных характеристик и прокаливаемости, однако при этом ведет к увеличению хрупкости. Этот эффект компенсируют одновременным добавлением молибдена.

Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.

Взаимосвязь напряжения текучести с твердостью и пределом прочности

Зависимость между напряжением текучести и пределом прочности

Связь между напряжением текучести и пределом прочности устанавливается по зависимости между экстраполированным пределом текучести и σB. Поскольку по экстраполированному пределу текучести можно достаточно точно определить напряжение текучести для большинства материалов, начиная со степени деформации , то такое допущение можно считать оправданным.

Ниже рассмотрены зависимости между пределом прочности и экстраполированным пределом текучести кривых упрочнения при растяжении первого рода и при сжатии второго рода.

Экстраполированный предел текучести у кривых упрочнения первого рода при растяжении находится по пересечению касательной к кривой упрочнения в точке начала образования шейки с осью ординат. У кривых упрочнения второго рода при сжатии экстраполированный предел текучести S (см. рис. 1) представляет собой напряжение, соответствующее по величине отрезку ординаты, отсекаемому прямой, являющейся продолжением участка III кривой упрочнения.

Согласно теоретическим выкладкам М. П. Марковца для материалов, у которых равномерное относительное поперечное сужение ΨB не более 0,15, разница между экстраполированным пределом текучести определенным />по кривым упрочнения при растяжении, и пределом прочности σB не превышает 3%, а при ΨB до 0,2 — не более 7%. При этом />всегда должно быть меньше величины σB.

Теоретически установленную зависимость между и σB М.П. Марковец подтвердил экспериментально. Было показано, что независимо от рода материала (цветные и черные металлы), вида предшествующей термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, закалка + отпуск) и прочности ( изучаемых материалов составлял 20-180 кГ/мм 2 ) отношение для материалов с до 15% близко к единице (рис. 1). Только для латуни и аустенитной стали ЭИ69, у которых величина ΨB доходит до 30%, это соотношение составляет 1,2-1,3.

П. Марковцем также была проведена большая работа по сопоставлению и σB по экспериментальным данным других исследователей — Н. Н. Давиденкова, Кербера и Роланда. Было установлено, что данные различных авторов, полученные экспериментально в разных лабораториях над огромным количеством металлов н сплавов (алюминии, меди и их сплавах, углеродистых и легированных сталях) при комнатных и повышенных температурах (от 20 до 300°С), подтверждают теоретически установленную закономерность для металлов и сплавов, у которых ΨB не превышает 15%.

Экспериментально определим взаимосвязь между экстраполированным пределом текучести при сжатии S и σB. В качестве исследуемого материала служили углеродистые и легированные горячекатаные и термически обработанные стали (табл. 1). Кривые упрочнения строили по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Результаты сравнения графически изображены на рис. 1, из которого видно, что между величинами S и σB независимо от марки изделия и вида, и режима предварительной обработки имеется линейная зависимость. Математическая обработка экспериментальных данных показывает, что S в среднем меньше σB примерно на 6%, т. е.

Полученные экспериментальные данные согласуются с экспериментальными и теоретическими данными М. П. Марковца о зависимости между экстраполированным пределом текучести при растяжении и σB в том смысле, что S меньше σB примерно на ту же величину.

Химический состав и вид предшествующей обработки сталей, для которых устанавливали зависимость между экстраполированным пределом текучести при сжатии S и пределом прочности σB

Классы прочности стали и категория качества по хладостойкости

В целях унификации применяемые в строительных металлоконструкциях стали по гарантированным значениям предела текучести и временного сопротивления разрыву разделены на семь основных уровней (классов) прочности

Сталь класса С 225 (от > 225 МПа) условно принято называть сталью нормальной прочности, трех следующих классов (от >285 >325 >390 МПа) — сталью повышенной прочности и остальных трех классов (от >440 > 590 >735 МПа) — сталью высокой прочности.

Таблица классов прочности и группы качества по хладостойкости проката строительных сталей

Обычно первому классу прочности соответствует прокат углеродистой стали обыкновенного качества в горячекатаном состоянии, последующим классам прочности от второго до пятого — прокат низколегированной стали в горячекатаном или нормализованном состоянии, шестому и седьмому классам прочности — прокат экономно легированной стали, поставляемой, как правило, в термоулучшенном состоянии. Однако возможно также получение проката второго и третьего классов путем термического и термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Наряду с требованием гарантированной прочности к строительным сталям предъявляется требование гарантированного сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Оно регламентируется показателями ударной вязкости при отрицательной температуре и при температуре плюс 20 °С после механического старения. Все строительные стали по хладостойкости условно можно разделить на три группы:

  • I — без гарантированной хладостойкости;
  • II — с гарантированной хладостойкостью для металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных температурных условиях (расчетная температура не ниже минус 40 °С);
  • III — с гарантированной хладостойкостью, но для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре ниже минус 40 °С («северное исполнение»).

В таблице приведена температура испытаний, при которой должна быть гарантирована ударная вязкость стали каждой группы качества по хладостойкости. Указанным группам соответствуют определенные марки стали и категории качества, предусмотренные стандартами на сталь. Так, по ГОСТ 27772-88* группе I соответствует сталь С235, группе II — стали С255 и С285, стали С345 и С375 категории 1 и 3, сталь С590, группе III — стали С345 и С375 категории 2 и 4, сталь С590К.

Все температуры испытаний в таблице (как и в ГОСТ 27772-88*) указаны для условий определения ударной вязкости KCU на стандартных образцах с полукруглым надрезом (радиус 1 мм) типа I по ГОСТ 9454-78*, вырезаемых из листов и широкой полосы в направлении поперек направления прокатки, а из фасонных профилей и сортовой стали — вдоль направления прокатки. Вместе с тем в последнее время остро ставится вопрос о переходе при аттестации стали к более жестким условиям определения ударной вязкости KCV на образцах с острым треугольным надрезом (радиус 0,25 мм) типа II по ГОСТ 9454-78*. Использование этих образцов соответствует международной практике.

Согласно имеющимся методическим исследованиям, единый переход от норм KCU к нормам KCV, общий для всех металлоизделий, отсутствует и необходимо учитывать индивидуальные особенности, включающие в себя как вид металлопроката, так и качество стали. Все же общим для такого перехода является необходимость повышения температуры испытания, которая для металлопроката строительной стали эквивалентной хладостойкости при прочих равных условиях (то же направление вырезки образцов, та же метрологически обоснованная величина ударной вязкости 0,3 мДж/м2) составляет примерно 40 °С. Таким образом нормам KCU, при минус 40 °С и минус 70 °С будут близко соответствовать нормы KCV при 0 °С и минус 30 °С.

Под влиянием колебания содержания элементов в интервале марочного состава, неоднородности слитка и условий прокатки прочностные характеристики стали каждой марки варьируются в широких пределах. Стремление более полно использовать фактическую прочность проката в конструкциях привело к идее селективного разделения на металлургических заводах всей совокупности металлопродукции данной марки на отдельные группы прочности, отличающиеся гарантируемыми значениями предела текучести и временного сопротивления разрыву.

В нашей стране такое разделение на группы прочности осуществлено для строительных углеродистых и низколегированных марок стали первого, второго и третьего классов прочности [26] и нашло отражение в ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 27772-88*. По этим нормам каждая марка углеродистой и низколегированной стали разделена на две группы прочности, причем для второй группы гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления на 10-40 МПа выше, чем для первой. Высокая надежность соблюдения норм прочности и пластичности (с вероятностью не ниже 95 %) обеспечивается специальными статистическими процедурами приемки и контроля. Металлопрокат, поставляемый по этим нормам, получил название сталь с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности.

Предел прочности металлов таблица


Гношова Ольга Юрьевна, генеральный директор компании «Юнирек»

Первое, на что стоит обратить внимание при выборе стеллажного оборудования — это марка стали, из которой оно будет изготовлено.

Друзья! Мы находимся в испытательной лаборатории Уральского научно-исследовательского института черных металлов ( ОАО «Уральский институт металлов»).

Испытательная лаборатория Уральского института металлов

Мы покажем вам, чем отличаются марки стали с точки зрения грузонесущей способности, способности сопротивляться стационарной и динамической нагрузке и за что, в конечном счете, платит покупатель стеллажей.

Марки стали отличаются по химическому составу и физическим свойствам. Нас интересует как деформируется сталь после воздействия на нее нагрузки.
Деформации разделяют на обратимые (упругие) и необратимые (пластические).

Приведем классический пример из жизни склада: погрузчик ударяет стойку стеллажа. Если стойка принимает свое изначальное положение, то это «деформация упругая», а если стойка не возвращается в свое проектное положение, принимает «форму погрузчика», то это называется «пластическая деформация».

Деформация стойки стеллажа после удара погрузчиком

Каждый сплав имеет предел или критический момент, после которого упругая деформация переходит в пластическую. Именно этот показатель – «предел текучести» стали, нас с вами интересует.

Стойки стеллажа из стали Ст20

Чем выше показатель предела текучести стали, тем дольше сталь способна находиться в напряженном состоянии и противостоять стационарным и динамическим нагрузкам.

Самыми популярными в России марками стали для производства стеллажей являются марки Ст08пс, Ст3пс, Ст3сп, Ст3кп, Ст350, S355МС.

По нашей просьбе, на заводе были изготовлены 4 образца стеллажных стоек. По два образца из стали марок S355MC и Ст3, толщиной 1,5 и 2,0 миллиметра.

Для наглядности их окрасили в разные цвета – сталь Ст3 в оранжевый, а сталь S355MC в синий цвет.

Образцы стали марок S355MC и Ст3, толщиной 1,5 и 2,0 миллиметра

Перед испытаниями в Лаборатории определили химический состав (марку стали) образцов при помощи фотоэлектрического спектрального анализа.

Ниже приведена таблица с ориентировочными показателями различных сталей, используемых при производстве стеллажных комплектующих в России (данные показатели могут отличаться в зависимости от партий проката и при разных условиях).

В Европе при производстве стеллажей используется только сталь с высоким пределом текучести, марки S52 (и других).

Показатели сталей, используемых при производстве стеллажей России

σ0,2 — предел текучести условный, МПа

sв — временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа

sT — предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа

d5 — относительное удлинение после разрыва, %

HB — твердость по Бринеллю

KCU — ударная вязкость, Дж/см2

Стационарная нагрузка

Итак, мы подвергли стационарной нагрузке (давлением пресса) две пары стоек.

Первая пара — из стали толщиной 1,5мм

Образец из стали Ст3 1,5мм

Образец из стали S355МС показал, что пределом его текучести является нагрузка в 109,8 кН, что соответствует 11200 кгс

образец из стали S355МС оказался на 16,7% устойчивее

  • Образец из стали Ст3 показал, что пределом его текучести является нагрузка в 94,14 кН, что соответствует 9600 кгс.
  • Образец из стали S355МС показал, что пределом его текучести является нагрузка в 109,8 кН, что соответствует 11200 кгс.

Видео показывает, что после наступления критического момента, даже после снижения нагрузки от пресса, образец продолжает деформироваться.

Данное поведение металла стоек следует принимать во внимание в процессе эксплуатации стеллажного оборудования. Необходимо помнить, что деформированная стойка выносит меньшую нагрузку, чем «целая», и поэтому ее нельзя подвергать прежней нагрузке.

Вторая пара из стали толщиной 2,0 мм

Образец из стали Ст3 2мм показал, что пределом его текучести является нагрузка в 127,5кН

Образец из стали S355МС 2мм показал, что пределом его текучести является нагрузка в 164,75 кН, что соответствует 16800 кгс

Образец из стали S355МС оказался на 29,5% устойчивее

  • Образец из стали Ст3 показал, что пределом его текучести является нагрузка в 127,5кН, что соответствует 13000 кгс.
  • Образец из стали S355МС показал, что пределом его текучести является нагрузка в 164,75 кН, что соответствует 16800 кгс.

Кстати, европейский концерн «Mecalux» не использует для производства паллетных стеллажей сталь толщиной менее 1,8мм.

Для определения устойчивости стали разных марок к динамическим нагрузкам, были произведены испытания образцов по показателю «Предел прочности на растяжение».

Динамическая нагрузка Предел прочности на растяжение

Предел прочности на растяжение есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) разорвет тело из конкретного материала.

Нами были подготовлены два образца в виде металлических пластин из стали Ст3 и S355МС, которые поочередно подвергли растяжению

Образец из стали Ст3 показал, что пределом его прочности является нагрузка в 8,24кН, что соответствует 840 кгс

Образец из стали S355МС показал, что пределом его прочности является нагрузка в 10,2 кН, что соответствует 1040 кгс

  • Образец из стали Ст3 показал, что пределом его прочности является нагрузка в 8,24кН, что соответствует 840 кгс.
  • Образец из стали S355МС показал, что пределом его прочности является нагрузка в 10,2 кН, что соответствует 1040 кгс.

Таким образом, образец из стали S355МС оказался на 23,85% прочнее на растяжение, чем образец из стали Ст3.

Сегодняшними испытания мы хотели наглядно показать, что образцы из разных марок стали ведут себя по-разному после воздействия нагрузки.

Вы увидели, что образцы из S355MC стали держат гораздо большие стационарные и динамические нагрузки, чем образцы из стали Ст3.

Поэтому, при выборе стеллажного оборудования марка стали имеет значение!

Надеемся, что приведенная информация покажется Вам интересной и полезной.

ООО «Юнирек» проектирует и поставляет стеллажное оборудование уже более 8-ми лет, безаварийная служба поставленного оборудования обеспечена политикой компании – мы не идем на компромиссы в вопросах качества и безопасности.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Поставка фрезерного станка 6т82
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector