Испытание металлов на растяжение

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Испытание металлов на растяжение………………………………………2

    2. Конструкционные углеродистые и легированные стали…………………6

    3. Инструментальные стали и сплавы. Быстрорежущие стали……………13

    Задание 18…………………………………………………………………….19

    Задание 37

    Задание 54

    4. Задача (б)…………………………………………………………………...20

    5. Список используемой литературы………………………………………..21 
 
 
 
 
 
 
 

1. Испытание металлов  на растяжение.

    Различные металлы и сплавы имеют разные механические и технологические свойства, которые предопределяют качество деталей машин, а также обрабатываемость металла. Эти свойства металла выявляют соответствующими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и др.

    Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец 1 и устанавливают его в зажимы (или захваты) 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего используют машины с гидравлической системой передачи усилия или с винтовой системой.

    Растягивающая сила F (рис. 1) создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность образца, он разорвется.

    Результаты  испытания обычно изображают в виде диаграммы. По оси абсцисс откладывают нагрузку F, по оси ординат — абсолютное удлинение.

    Из  диаграммы видно, что вначале  образец удлиняется пропорционально нагрузке. Прямолинейный участок ОА соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Искривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим деформациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.

    От  точки С образец удлиняется без  увеличения нагрузки. Горизонтальный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести. 

 

    

    

Рис. 1

    Как показывают исследования, текучесть  сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца появляются линии, наклонные к оси образца под углом 45°. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей наибольшей величины, и на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается и, как следствие, происходит разрыв образца, что на диаграмме соответствует положению точки К. Предел прочности образца определяют по формуле

    Ơ_пч = F_D / S,

    где: Ơ_nч — предел прочности;

    F_D — нагрузка, при которой через определенный промежуток времени наступает разрушение растянутого образца, Н (кгс);

    S — площадь поперечного сечения образца в исходном положении, м² (мм²).

    Обычно  при испытании различных металлов и сплавов на растяжение определяют относительное удлинение е — отношение прироста длины образца до разрыва к начальной длине образца. Его определяют по формуле

е =ΔL/L₀ ·100,

    где: е — относительное удлинение;

    ΔL = L₁- L₀ —абсолютное удлинение;

    L₀ — начальная длина образца;

    L₁ — длина образца после испытания.

    Экспериментально  было установлено, что напряжение в  материале при упругой деформации возрастает пропорционально относительному удлинению образца. Эта зависимость получила название закона Гука.

    Для одностороннего (продольного) растяжения закон Гука имеет вид  Ơ=E·е,

    где: Ơ = F/s — нормальное напряжение;

    F — растягивающая сила;

    s — площадь поперечного сечения;

    е — относительное удлинение;

    Е — постоянная величина, зависящая от материала стержня.

    Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости при растяжении или модулем Юнга. Каков физический смысл модуля упругости? Обратимся к диаграмме растяжения образца (рис.1). Модуль упругости на ней пропорционален тангенсу угла наклона а к оси абсцисс. Значит, чем круче прямая ОА, тем жестче материал, и тем большее сопротивление оказывает он упругой деформации.

    Для характеристики металла важно знать  не только относительное удлинение е, но и относительное сужение площади поперечного сечения, которое также позволяет характеризовать пластичность материала.

    Естественно, что при растяжении образца площадь  поперечного сечения уменьшается. В месте разрыва она будет наименьшей. Относительное сужение определяют по формуле φ = (S₀ — S₁) / S_o • 100%,

    где: φ— относительное сужение;

    S₀ — площадь поперечного сечения образца до испытания;

    S₁ — площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).

    Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен материал.

    Кроме трех рассмотренных характеристик  механических свойств металлов: предела прочности (Ơ_пч), относительного удлинения (е) и относительного сужения (φ), можно определить, пользуясь записанной на машине диаграммой, предел упругости (Ơ_у) и предел текучести (Ơ_м).

 

    

    2. Конструкционные  углеродистые и  легированные стали. 

    Конструкционная сталь подразделяется на:

•качественную углеродистую сталь

    •качественную легированную сталь

    Большое значение в современной технике  имеют легированные стали. Они содержат так называемые легирующие элементы, к которым относятся хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам и др. легирующие элементы добавляются для придания стали определенных свойств. Так, хромоникелевые стали, содержащие помимо неизбежных примесей хром и никель, обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами, а также жаростойкостью. Из них изготавливают многие части машин и предметы домашнего обихода (нержавеющие ложки, вилки). Хромомолибденовые и хромованадиевые стали тверды и прочны при повышенных температурах и давлениях. Они идут на изготовление трубопроводов, деталей авиамоторов и компрессоров. Из хромовольфрамовых сталей делают режущие инструменты. Марганцовистые стали весьма устойчивы к трению и удару.

    Легированная  сталь может быть:

• низколегированную;
• легированную;
• пружинно-рессорную;
• теплоустойчивую;
• шарикоподшипниковую.

    Качественная  конструкционная легированная сталь изготовляется по ГОСТ 4543-71. В зависимости от химического состава и свойств конструкционную легированную сталь подразделяется на категории:

• качественную (без букв);
• высококачественную А;
• особо высококачественную Ш.

    В обозначении марки конструкционной  легированной стали две первые цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, стоящие после букв указывают примерное содержание в конструкционной легированной стали легирующего элемента в целых единицах. Отсутствие цифры в обозначении легированной стали означает, что содержание этого элемента до 1,5% (по верхнему пределу). Конструкционная легированная сталь используется для изготовления различных улучшаемых деталей; втулок, шестерней, обойм, гильз, дисков плунжеры, других деталей, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости.

    Свариваемость легированных сталей: сварка конструкционных легированных сталей несколько затруднена из-за склонности к закалке околошовной зоны и образованию в ней хрупких структур (требуется специальная технология сварки).

    Качественная  конструкционная сталь низколегированная изготовляется согласно ГОСТ 19281-89.

    Марки качественной конструкционной стали  низколегированной 10ХНДП, 15ХНДП, 0ХСНД, 15ХСНД являются атмосферно коррозионно-стойкими (АКС), толщина металлоконструкций из АКС за 20-30 лет работы уменьшается в 2-3 раза меньше, чем толщина конструкций из обычной стали низколегированной или стали углеродистой.

    Низколегированная качественная конструкционная сталь  используется для изготовления корпусов вагонов железнодорожных, метро, трамвая, несущих конструкций локомотивов, сельскохозяйственных и других полевых машин и инженерных сооружений, работающих в условиях переменных динамических нагрузок и сезонных и суточных теплосмен. Свариваемость - сваривается без ограничений.

    Качественная  конструкционная рессорно-пружинная сталь изготовляется согласно ГОСТ 14959-79. Марки этой стали: 65, 70, 75, 85, 60Г, 65Г, 55С2,60С2, 60С2А, 70С3А, 55ХГР, 50ХФА, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА.

    Эта сталь используется для изготовления пружин, рессор, гибких мембран, сильфонов и аналогичных деталей. Для сварных конструкций рессорно-пружинная сталь не применяется.

    Теплоустойчивая качественная конструкционная сталь изготовляется согласно ГОСТ 20072-74. Марки теплоустойчивой конструкционной стали: 12МХ, 12×1МФ, 25×1МФ, 25×2М1Ф, 20×3МВФ,15×5М, 15ХМ. Теплоустойчивая качественная конструкционная сталь используется для изготовления деталей, работающих в нагруженном состоянии при температуре до 600⁰ С в течение длительного времени. Свариваемость стали: ограниченно или трудносвариваемая.

    Шарикоподшипниковая качественная конструкционная сталь изготовляется согласно ГОСТ 801-79. Марки шарикоподшипниковой конструкционной стали: ШХ15, ШХ4, ШХ15СГ, ШХ20СГ. В обозначении марок конструкционной стали буквы и цифры означают: Ш - подшипниковая; Х - легированная хромом; цифра - содержание хрома, СГ - легированная кремнием и марганцем. Сталь используется для изготовления деталей, работающих под воздействием сосредоточенного и переменного напряжений, возникающих в зоне контакта шариков и роликов с беговыми дорожками колец подшипников качения. Свариваемость шарикоподшипниковой стали: сваривается способом КТС.

    Структура и свойства легированного феррита и аустенита.

    Основой большинства современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами. Легирование феррита сопровождается его упрочнением.

    В первом приближении можно считать, что при легировании феррита несколькими элементами их влияние на его упрочнение может быть просуммировано: концентрация i-го легирующего элемента, растворенного в феррите, % по массе; умноженная на коэффициент упрочнения феррита.

    Чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость.

    При высоком содержании в стали Ni или Мn аустенит может существовать при низких температурах. Он является основной составляющей (матрицей) многих коррозионно-стойких жаропрочных и немагнитных сталей. Аустенит наиболее сильно упрочняет углерод, растворимость которого в нем достигает при нормальной температуре 1 %, и азот. Легирующие элементы, растворяясь в Y-железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Для легированного аустенита характерны низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит легко наклёпывается, т.е. быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения.