refik.in.ua 1

Лабораторная работа № 4.


Влияние химического состава на механические свойства сталей.


  1. Цель работы

  1. Изучить основные свойства конструкционных материалов и влияние на
    них химического состава.

  2. Установить влияние углерода на механические свойства стали по
    результатам испытания образцов.

  1. Основные методические и теоретические положения

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготов­ления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, которые работают под влиянием механических нагрузок. В зависимости от назначения изделий, узлов и деталей на материалы могут действовать статические, ударные (дина­мические) или циклические нагрузки. Условия эксплуатации могут быть ус­ложнены низкими или высокими температурами, контактом с разнообразными агрессивными средами. Эти факторы предопределяют требования к конструк­ционным материалам, главными среди которых являются эксплуатационные, технологические и экономические.

Основным эксплуатационным требованием для конструкционных мате­риалов является конструкционная прочность. Конструкционной прочностью называют комплекс механических свойств, которые обеспечивают надежную и продолжительную работу материала в заданных условиях эксплуатации.

Технологические требования предусматривают возможность изготовления деталей и конструкций с наименьшей трудоемкостью. Они характеризуются способностью материала к литью, возможностью обрабатываться резанием, давлением, свариваться, прокаливаться и т.д. От технологичности материала зависит производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования предусматривают наименьшие затраты на за­купку и снабжение выбранных материалов, возможность и целесообразность переработки отходов производства (например, стружки). При использовании более дорогих материалов (легированных сталей, сплавов цветных металлов) их использование должно быть обосновано лучшими эксплуатационными свой­ствами таких материалов.


В данной работе рассматриваются критерии конструкционной прочности и влияние на них химического состава, в первую очередь углерода - основного компонента стали, определяющего их значения.

Критерии конструкционной прочности выбирают в зависимости от усло­вий эксплуатации. При статических нагрузках критериями прочности являют­ся: временное сопротивление в, предел текучести т , относительное удлинение  и сужение , ударная вязкость ан, твердость по Бринеллю, Роквеллу (HRA, HRB, HRC), Виккерсу. Определение этих критериев было рассмотрено ранее при выполнении соответствующих практических работ.

Поскольку для работы большинства деталей пластическая деформация не­допустима, то их сдерживающая способность, как правило, определяют за гра­ницей текучести. Для приближенной оценки границы прочности используют значение твердости НВ (для стали выполняется эмпирическая зависимость е=НВ/3)

Большинство деталей машин и приборов работают под действием про­должительных циклических погрузок. При таких условиях в материале проис­ходит постепенное накопление разрушений, изменение его свойств, образова­ние трещин, их развитие и разрушение.

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Процессы посте­пенного накопления повреждений в материале под действием циклических на­грузок, которые приводят к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушения называют усталостью, а свойство оказывать сопротив­ление усталости — выносливостью. Для распространения трещины на опреде­ленную длину необходимо, чтобы около ее острия была исчерпана пластич­ность. Поэтому у пластичных металлов сопротивление распространению тре­щины усталости значительно выше, чем ее зарождение.


Критерием усталостной прочности является предел выносливости a - наи­большее напряжение, которое способно выдержать материал при циклических нагрузках не разрушаясь.

Циклическая долговечность и прочность материалов зависят от многих факторов, определяющими среди которых является структура и напряженное состояние поверхностного слоя, качество поверхности и действие коррозийной среды.

По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения: чем выше прочность материала, тем выше допустимое напряжение и тем меньше размеры и масса детали.

Для ограничения упругих деформаций материал должен иметь высокий модуль упругости Е (или сдвига), что является критерием его жесткости. Имен­но критерий жесткости, а не прочности, предопределяет размеры станин стан­ков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Тем не менее, возможны и противоположные требования. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, наоборот, важно обеспечить большие упругие напряжения.

Для материалов авиационной и ракетной техники, судостроения имеет большое значение эффективность материала по массе.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны иметь достаточную пластичность (способность остаточно деформиро­ваться без разрушения) и ударную вязкость (способность оказывать сопротив­ление разрушению под действием динамических нагрузок). Тем не менее, же­лание уменьшить металлоемкость конструкций предопределяет использование высокопрочных и, как правило, менее пластичных материалов с повышенной склонностью к хрупкому разрушению. Следует учитывать и то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, которые дополнительно снижают их пла­стичность, вязкость и повышают опасность хрупкого разрушения. Это концен­траторы напряжений (надрезы), низкие температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор), радиационное облучение, коррозийные среды.


Для предупреждения внезапных разрушений в условиях эксплуатации не­обходимо учитывать трещиностойкость материалов. Трещиностойкость - это группа параметров, которые характеризуют способность материала оказывать сопротивление распространению трещины. Различают энергетические, силовые и деформационные критерии трещиностойкости. Наибольшее распространение получил силовой критерий — вязкость разрушения под действием статического нагружения К. Чем выше значение К, тем выше сопротивляемость материала вязкому разрушению.

Долговечность - свойство материала оказывать сопротивление, развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины постепенного разрушения (изнашива­ния) могут быть обусловлены развитием процессов усталости, изнашиванием, ползучестью, коррозией, радиационным охрупчиванием и т. д. Эти процессы предопределяют постепенное накопление необратимых повреждений в мате­риале и его разрушение. Для большинства деталей машин долговечность опре­деляется сопротивлением материала усталостному разрушению (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию.

Стойкость против изнашивания - свойство материала при определенных условиях трения оказывать сопротивление изнашиванию Изнашивание - про­цесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделе­ния его частиц под влиянием сил трения. Результатом изнашивания является износ. Величину износа определяют по изменению размеров или массы. Для повышения стойкости против изнашивания необходим рациональный выбор материала для пар трения и методов их обработки. Оптимизация этих парамет­ров, как правило, осуществляется экспериментальным путем для конкретных условий эксплуатации.

Таким образом, пригодность материала для работы в конкретных услови­ях эксплуатации характеризуется такими показателями конструкционной проч­ности:


  • критерий прочности (предел прочности в, предел текучести о2, предел выносливости -1,), которые при заложенном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей,

  • модуль упругости Е, который для заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. ее жесткость,

- пластичность (относительное удлинение  и относительное сужение ),
ударная вязкость ан (КСУ, КСТ, KCU), вязкость разрушения К температурный
порог холодноломкости t50, которые оценивают надежность материала в
эксплуатации,

- циклическая долговечность, скорость изнашивания, ползучести,
коррозии, которые определяют долговечность материала.

На рис. 2.1 приведено влияние углерода на некоторые из этих показателей.

Зная микроструктуру стали или ее марку и используя зависимости, пред­ставленные на рис. 2.1, можно определить содержание углерода в стали и зна­чение основных показателей ее конструкционной прочности.




  1. Оборудование, инструмент и материалы.

  1. Разрывная испытательная машина УММ – 5 с паспортом 1шт
  2. Образцы для испытания на растяжение 5 шт


  3. Твердомер ТК-2 1 шт

  4. Твердомер ТШ – 2 1 шт

  5. Микроскоп МПБ – 2 1 шт

  6. Образцы для определения твердости 3 шт

  7. Штангенциркуль 1 шт

  8. Маятниковый копер МК-30 1 шт

  9. Образцы для определения ударной вязкости 2 шт

  1. Методика выполнения работы

  1. Оформить разделы 1 и 2 отчета о выполнении работы.

  2. Получить у лаборанта (учебного мастера) необходимые образцы и инструмент для определения прочности, пластичности, твердости и ударной вязкости.

  3. Оформить разделы 3 и 4 отчета о выполнении работы.

  4. Определить характеристики прочности, пластичности, твердости и ударной вязкости каждого образца. Данные занести в таблицы 1,2 и 3.

  5. Измерения твердости провести не менее трех раз для каждого из образцов.

  6. По данным таблицы 1,2 и 3 построить зависимости механических свойств от содержания углерода (п.п. 8, 9, 10, 11).

  7. На основании полученных зависимостей сделать выводы о влиянии углерода на механические свойства стали.

  8. Подписать отчет у лаборанта (учебного мастера) и лично предъявить его преподавателю для защиты и соответствующей оценки.

Измаильский Факультет Одесской Национальной

Морской Академии

Протокол лабораторной работы №____________________________________
(наименование лабораторной работы)

_______ группа.

_______ курс.

Работа выполнена __________________________________________ 20___ г.

Совместно с курсантом_______________________________________________

Отметки руководителя


Оценка при опросе

Отметка о выполнении

Дата













Цель работы:

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Ответы на вопросы:

  1. Какие основные механические свойства характеризуют работоспособность деталей машин? ________________________________________________________________

________________________________________________________________________

  1. Как изменяется твердость стали при увеличении содержания углерода? _________

________________________________________________________________________

  1. Как изменяется пластичность стали при увеличении содержания углерода? ______

________________________________________________________________________

  1. Как изменяется вязкость стали при увеличении содержания углерода? ___________

________________________________________________________________________

  1. Для изготовления малонагруженных деталей (оси, втулки, шестерни) используют стали высокой пластичности и малой прочности. Какой материал Сталь 15 или Сталь 45 целесообразно использовать для изготовления данных деталей? ________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Оборудование, инструмент и материалы


  1. Разрывная испытательная машина УММ-5 с технической характеристикой 1шт.

  2. Твердомеры ТК-2 и ТШ-2М 1 шт.

  3. Маятниковый копер МК-30 с технической характеристикой 1 шт.

  4. Комплект образцов для определения прочности и пластичности 1 шт.

  5. Комплект образцов для определения твердости 1 шт.

  6. Комплект образцов для определения ударной вязкости 1 шт.

  7. Штангенциркуль с пределом измерения: __ мм и точностью ___ мм 1 шт.

  8. Микроскоп МПБ-2 1 шт.


Расчетные формулы


  1. Предела точности

  2. Относительного удлинения

  3. Твердости

    1. по Бринеллю

    2. по Роквеллу

  4. Ударной вязкости


Результаты измерений и расчетов прочности и пластичности образцов
Таблица 1
Измерение прочности до и после испытания

№ п/п

Марка материала

Размеры образца

Нагрузка

Результаты расчетов

До испытания

После испытания

Pb, H

, МПа

, %

d0mm


10mm

F0mm

1mm

1.

























2.

























3.


























Результаты измерений и расчетов твердости образцов
Таблица 2
Измерение на прочность образцов

№ п/п

Марка материала

Метод Бринелля

Метод Роквелла

d, м

D, м

Р, Н

НВ, МПа

HRA


HRC

1.






















2.






















3.
























Результаты измерений и расчетов ударной вязкости
Таблица 3
Расчет ударной вязкости образцов

№ п/п

Марка материала

Размеры поперечного сечения

Площадь поперечного сечения мм2

Работа разрушения Дж

Ударная вязкость кДж/м2

1.
















2.
















3.

















Графические зависимости: прочности, пластичности, твердости и ударной вязкости стали от содержания углерода.

Выводы

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________