Диаграмма растяжения ее назначение

В ходе опыта на растяжение был получен график зависимости удлинения от приложенной силы.

Позже были введены относительные величины, такие как напряжение и относительное удлинение. Благодаря этим величинам можно модифицировать исходный график из опыта так, что по нему сразу можно будет определить необходимые величины, безотносительно того, какую геометрию имел образец в опыте.

Однако сделать это можно двумя путями:

• Искать истинные напряжения и истинные относительные удлинения
• Для нахождения напряжений использовать только исходную площадь поперечного сечения; для нахождения относительного удлинения абсолютное удлинение делить на исходную длину недеформированного стержня

Несмотря на то, что первый способ является точным по своей сути, в инженерной практике используют упрощённый подход. Во-первых, для расчётов на прочность ищутся действующие и допускаемые напряжения и затем сравниваются. В случае применения истинной диаграммы для определения допускаемых напряжений, расчётчикам так же пришлось бы вычислять точные площади для определения истинных действующих напряжений, что является неоправданно трудоёмким процессом. Во-вторых, на интересующем линейном участке истинная и упрощённая инженерная диаграммы практически совпадают:

Выше показана диаграмма растяжения для некоторого стального образца: кривая В – истинная диаграмма, кривая A – инженерная диаграмма.

Если применить второй (упрощённый) способ к диаграммам из опыта, то характер кривых не изменится:

Всё это рассказывается потому, что в современной практике люди, делающие расчёты на прочность, при выборе допускаемых напряжений руководствуются НЕ диаграммой растяжения в целом, а лишь некоторыми характерными точками, снятыми с этой диаграммы.

Для каждого металлического материала в дальнейшем будем выделять две характерные точки на оси напряжений:

1. Напряжение, выше которого образец будет иметь заметные остаточные деформации
2. Напряжение, при котором образец воспринял наибольшую силу

Если взглянуть на график для стали, то можно заметить, что имеется такой участок, на котором начинает значительно расти удлинение, при этом сила практически не меняется. Материал как будто течёт. Назовём этот участок площадкой текучести, а соответствующее напряжение – пределом текучести. Явление текучести материала характерно для строительных сталей, бронзы, латуни. Обозначим это напряжение как σт:

На графике для алюминия такой площадки нет. Тем не менее введём некоторый условный предел, скажем, напряжение, при котором остаточная деформация равняется 0.002 мм/мм или 0.2%. Назовём его условным пределом текучести и обозначим как σ02. Условный предел текучести используется для титановых и алюминиевых сплавов:

Вторая характерная точка – это напряжение, при котором образец выдержал наибольшую силу. Согласно диаграмме растяжения, этому напряжению соответствует начало образования шейки в образце – локализованного уменьшения поперечного сечения. После этого предела сила начинает падать, потому образец продолжил удлиняться. Если же после этого предела растягивающая сила продолжит увеличиваться, то образец разрушится. Этот предел назовём пределом прочности или временным сопротивлением разрушению и будем обозначать σв или σпч:

Также иногда встречается и третья характерная точка – это напряжение, соответствующее окончанию начального линейного участка. Это напряжение называется пределом пропорциональности. Оно чуть меньше предела текучести и, строго говоря, пользоваться нужно именно им, а не пределом текучести. Однако для его определения нужны очень точные измерительные приборы. Потому общепринято пользоваться пределом текучести в качестве предела, выше которого будут значительные остаточные деформации.

Помимо характерных напряжений, имеется также и одна характерная деформация — это относительное удлинение при разрыве. Это отношение абсолютного удлинения образца при разрыве к исходной недеформированной длине. Эту величину чаще всего обозначают греческой буквой δ, её размерность либо мм/мм, либо в %. По этой величине можно судить о степени пластичности того или иного материала.

Примеры того, в каком виде расчётчик получает представления о механических свойствах материала:

Д16 (дюраль)
30ХГСА (легированная сталь)

Будет ли площадка текучести на диаграмме растяжения чугуна.
Понятие диаграммы растяжения встречается в лекции Испытание материала на растяжение. Диаграмма растяжения для разных материалов имеет неодинаковый вид. Этот материал относится к пластичным материалам, которые имеют площадку текучести, и разрушаются при больших остаточных деформациях.

Необходимо, правда, отметить, что не для всех пластичных материалов площадка текучести имеет четко выраженный характер. Для таких материалов вводится понятие условного (или технического) предела текучести, представляющего собой напряжение, которое возникает в материале образца при относительном удалении, равном 0,2 %. Иногда условный предел текучести обозначают .

Заметим, что пластичность – это положительное свойство материала. Она играет большую роль в обеспечении безопасности и надежности конструкций.

Пластические свойства материала оцениваются следующими двумя характеристиками, которые также определяют при испытании на растяжение:

относительным остаточным удлинением образца при разрыве (%):

,

где – конечная длина расчетной части образца;

относительным поперечным сужением образца при разрыве(в %):

,

где – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Но существуют материалы, например чугун, которые характерны тем, что они вообще не имеют площадки текучести, и их разрушение происходит без образования шейки (диаграмма растяжениядля них обрывается сразу же после достижения пределов прочности) и при очень малых остаточных деформациях.

Описание характерных точек диаграммы.

σп — Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности. Предел пропорциональности зависит от условно принятой степени приближения, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости σу , т.е это наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций.

σт — предел текучести.

Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести условно принимается величина напряжения, при котором остаточная деформация составляет 0,2%.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности или временного сопротивления. Предел прочности также является условной величиной.

Единица измерения предела текучести и предела прочности — паскаль Па. Более удобно предел текучести и предел прочности измерять в мегапаскалях МПа.

Пользуясь диаграммой «Железо— цементит» определите структурные составляющие сталей марок 45, У8, У12 при температуре 20°С, 730°С, 1130°С. Охарактеризуйте встречающиеся при этом структуры.

Углеродистая сталь и чугун — наиболее распространенные металлические сплавы современного машиностроения. Они являются в основном сплавами железа с углеродом. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом позволяет определить строение углеродистых сталей и чугунов при различном содержании углерода и разных температурах, она используется при выборе режимов термической обработки сталей и чугунов, при выборе интервала температуры горячей обработки сталей давлением и т. п. Начало изучения диаграммы состояния сплавов железа с углеродом было положено работами талантливого русского инженера-металлурга Д. К. Чернова в 1868 г. Работ по изучению железоуглеродистых сплавов и по построению диаграмм железо—углерод очень много. Большое количество русских и иностранных ученых вложило много труда в исследования, направленные на уточнение этой диаграммы. Углерод в углеродистых сталях и чугунах обычно образует химическое соединение Fe3C, называемое цементитом (карбид железа), которое содержит 6,67% углерода. Рассмотрим часть диаграммы железо—углерод от железа до цементита, так как в технике применяют сплавы, содержащие не более 5,5% углерода. Цементит можно считать самостоятельным компонентом. В этом случае часть диаграммы состояния сплавов железа с углеродом, содержащих до 6,67% углерода, превращается в самостоятельную диаграмму сплавов железа с цементитом. Рассмотрим сначала компоненты системы железо — цементит. Железо, как было показано ранее, имеет аллотропические превращения. При температурах от абсолютного нуля до 768°С существует магнитное а-железо с решеткой объемно-центрированного куба. Оно имеет при комнатной температуре плотность 7,86 г/сма, предел прочности при растяжении 220—250 Мн/м2 (22—25 кГ/мм2), относительное удлинение около 50% и ударную вязкость порядка 0,3 Мдж/м2 (30 кГ-м/см2).Углерод образует твердый раствор в сс-железе, называемый ферритом. Это название произошло от латинского слова ferrum — железо. Растворимость углерода в а-железе при комнатной температуре очень мала. Она не превышает 0,006% (точка Q на диаграмме железо — цементит). С повышением температуры растворимость увеличивается и при 727х°С достигает максимальной — 0,025% (точка Р на диаграмме)…» Нагрев феррита выше 768°С приводит к потере магнитных свойств. Кристаллическая решетка остается неизменной. Немагнитное а-железо устойчиво в интервале температур от 768 — 911°С. Выше 911°С объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка у чистого железа превращается в гране-центрированную. Кристаллы а-железа превращаются в новые кристаллы у-железа. В результате перекристаллизации пластические свойства улучшаются. Твердый раствор внедрения углерода в у-железе называется аустенитом. Он немагнитен. Растворимость углерода в аустените значительно превышает растворимость углерода в феррите. Максимальная растворимость достигается при температуре 1147°С и составляет 2% (точка Е на диаграмме). Растворенный углерод расширяет область существования устойчивого аустенита. При содержании 0,8% углерода аустенит устойчив начиная от 727°С (аустенит получил свое название в честь английского ученого-металловеда Р. Аустена).В интервале температур от 1392 — 1539°С существует б-железо с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба. Железо а и железо б — одна и та же аллотропическая модификация, но существующая в двух интервалах температур. Цементит — самая твердая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Твердость его немного меньше, чем у самого твердого минерала — алмаза. Цементит хрупок. Он имеет очень сложную кристаллическую решетку. Плотность цементита составляет 7,82 г/см3 — почти такая же, как у железа. В решетке цементита железо и углерод положительно ионизированы. Они взаимодействуют между собой как металлы: в узлах находятся положительно заряженные ионы, между которыми располагается электронный газ. Поэтому цементит обладает рядом металлических свойств (электропроводен, имеет металлический блеск и т. д.). При температурах ниже 210° С цементит слабо ферро-магнитен. Выше 210°С он теряет магнитные свойства. Цементит образует твердые растворы замещения. Углерод может замещаться азотом или кислородом, а железо — марганцем, хромом, вольфрамом, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Теперь рассмотрим диаграмму. Линия ABCD на диаграмме — ликвидус, а линия AHIECF — солидус. Вследствие сложности диаграмму железо — цементит удобнее рассмотреть по частям. Начнем с левого верхнего угла. Рассмотрим превращения, происходящие в произвольном сплаве концентрации Кх, содержащем углерода менее 0,1%. При охлаждении ниже точки / из жидкого сплава начнут выпадать кристаллы б-феррита. Превращение жидкости в б-феррит заканчивается в точке Область AHN на диаграмме занята одним б-ферритом. На кривой охлаждения участок /—2 более пологий из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации. Феррит устойчив до точки 3. В интервале между точками 3 и 4 происходит постепенное превращение б-феррита в аустенит. В области N HI устойчивы одновременно б-феррит и аустенит. В точке 4 превращение феррита в аустенит заканчивается. Ниже линии N1 устойчив аустенит. Сплав , содержащий 0,16% углерода, начинает затвердевать в точке 5. В интервале между точками 5 и 6 из жидкого раствора выпадают кристаллы б-феррита. Следовательно, в области ABIH диаграммы существуют одновременно кристаллы б-феррита и жидкость. При температуре, соответствующей точке 6, между б-ферритом и жидким сплавом происходит перитектическая реакция с образованием аустенита, сопровождающаяся выделением тепла. На кривой охлаждения этой реакции соответствует площадка 6—6′. Перитектическая реакция происходит по всей горизонтальной линии HIВ. На участке HI она заканчивается при некотором избытке остаточного б-феррита, а на участке IB — с избытком жидкости, которая при дальнейшем охлаждении переходит также в аустенит. Рассмотрим теперь процессы первичной кристаллизации в высокоуглеродистых сплавов. Сплавы, содержащие более 2% углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики. Сплав с концентрацией углерода 4,3% превращается целиком в эвтектику. Эвтектика сплавов железа с цементитом состоит из аустенита и цементита и называется ледебуритом. Доэвтектические сплавы, содержащие углерода от 2 — 4,3%, начинают кристаллизацию с образования кристаллов аустенита. При температуре, соответствующей точке а, сплав состоит из кристаллов аустенита и жидкости. Согласно правилу отрезков, доля жидкости равна отношению отрезков ас : be, а доля аустенита — отношению отрезков ab : be. Химический состав кристаллов аустенита и жидкости определяется соответственно проекциями точек с и b на ось концентраций. Когда температура снижается до точки 2, аустенит содержит 2% углерода (точка Е на диаграмме), а жидкость 4,3% (точка С на диаграмме). Вся оставшаяся жидкость превращается при постоянной температуре в эвтектику. На линии ЕС доэвтектические сплавы состоят из аустенита и ледебурита. Заэвтектические сплавы начинают кристаллизацию с выпадения кристаллов первичного цементита. Кристаллизация заэвтектического сплава С2 начинается в точке 4. По мере кристаллизации из жидкости выпадает все больше первичного цементита. Концентрация углерода в нем 6,67% — больше среднего содержания углерода в сплаве. Поэтому жидкий сплав будет обедняться углеродом. При температуре, соответствующей точке d, состав жидкого сплава определяется проекцией точки е на ось концентраций. Когда температура снижается до точки 5, состав жидкости опять соответствует эвтектике — 4,3% углерода. При этой температуре вся оставшаяся жидкость превращается в эвтектику. Ниже линии CF заэвтектические сплавы состоят из первичного цементита и ледебурита. Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2,0% углерода, называют сталями, более 2,0% углерода — чугунами. Рассмотрим превращения аустенита в сталях при охлаждении. Сплав, содержащий 0,8% углерода, сохраняет структуру аустенита неизменной до 727°С. При медленном охлаждении в точке 5 происходит превращение аустенита в механическую смесь, состоящую из пластинок феррита и цементита, называемую перлитом. Перлит получил свое название за то, что шлиф образца перлитной стали переливается подобно перламутру. г<-Образование однородной механической смеси из твердого раствора при постоянной температуре называют эвтектоидным 1 превращением, а получающуюся при этом превращении структуру — эвтектоидом. Следовательно, перлит — эвтектоид. Стали, содержащие углерода меньше, чем перлит, называют доэвтектоидными; стали, содержащие углерода больше, чем перлит, — заэвтектоидными. В доэвтектоидных сталях превращение аустенита начинается с образования феррита. Сталь концентрации Кх при температуре, соответствующей точке 2, начинает превращаться в феррит, который почти не растворяет углерода. При температуре точки б растворимость углерода в перлите определяет точка а. Оставшийся перлитного ледебурита (мелкие черные пятнышки на светлом фоне).Заэвтектический чугун при 1147°С состоит из ледебурита и первичного цементита. Ниже 727°С ледебурит превращается из аустенитного в перлитный. Первичный цементит — белые пластинки на фоне ледебурита.

Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 7 | Нарушение авторских прав

lektsii.net — Лекции.Нет — 2014-2020 год. (0.009 сек.)
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав