Какие характеристики механических свойств определяются при растяжении

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Существуют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента B размещаются между атомами растворителя A в его кристаллической решетке.

Твердые растворы внедрения могут быть только с ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Твердые растворы внедрения: при растворении в металлах неметаллических элементов, как углерод, бор, азот и кислород. Например: Fe и С.

Прочность — свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия.

Рисунок 1 — Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали: а — замещения; б — внедрения

Механические свойства стали (в т. ч. и прочность) обычно определяют по условной диаграмме растяжения. ГОСТ 1497-84 регламентирует следующие прочностные свойства:

• -временное сопротивление разрыву (или предел прочности при растяжении) уВ — условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Pd, предшествующей разрушению образца: уb = Pd/F0 кгс/мм2;
• -предел текучести уТ (физический) — наименьшее условное напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки: уt=Pc/F0 кгс/мм2; его определяют для низкоуглеродистой отожженной стали;
• -предел текучести у0,2 (условный) — напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% первоначальной расчетной длины; его определяют для большинства марок конструкционной среднеуглеродистой и легированной стали, у которых на диаграмме растяжения отсутствует «площадка текучести». Для определения условного предела текучести от начала координат диаграммы растяжения по оси абсцисс откладывают в соответствующем масштабе отрезок, составляющий 0,2% первоначальной длины; через полученную точку проводят прямую, параллельную начальному линейному участку (ОА) диаграммы (до пересечения с диаграммой). Ордината точки пересечения и соответствует условному пре­делу текучести у0,2. Предел текучести у0,2 можно определить по формуле у0,2 = P0,2/F0 кгс/мм2;

Пластичность — свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.

Относительное удлинение д представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l0 и выражается в процентах:

Под относительным сужением понимают отношение уменьшения поперечного сечения разорванного образца к первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:

Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите процессы кристаллизации и превращений в твердом состоянии для сплава, содержащего 3,4 % С, напишите для этих процессов фазовые реакции с указанием составов реагирующих фаз и температурных интервалов превращений, изобразите схему кривой охлаждения заданного сплава и обоснуйте ее вид с применением правила фаз. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выдел пня цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% — структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные — перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 — Ф,

где С — число степеней свободы системы;

К — число компонентов, образующих систему;

1 — число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф — число фаз, находящихся в равновесии.

Рисунок 2: а — диаграмма железо-цементит, б — кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,4% углерода

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,4%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре цементит (вторичный) + перлит + ледебурит (перлит + цементит).

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 250 НВ. Укажите, как этот режим называется, какая структура получается в этом случае

Рисунок 3 — Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8 сталь сплав закалка превращение

Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости HB 250, является изотермический отжиг. При изотермическом отжиге сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 и после выдержки охлаждают до температуры несколько ниже точки Аr1. При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита, затем охлаждают до комнатной температуры. для получения структуры пластинчатого перлита заданной твердости (HB 250) устанавливается температура изотермической выдержки 640-660°С.

Чем ниже температура распада аустенита, тем дисперснее продукты распада аустенита и тем выше получаемая твердость.

Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества. Прежде всего, он может дать выигрыш во времени, если суммарное время ускоренного охлаждения, изотермической выдержки и последующего ускоренного охлаждения меньше времени медленного непрерывного охлаждения изделия вместе с печью. Другое преимущество изотермического отжига — получение более однородной структуры, т.к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Структура стали У8 после изотермического отжига — перлит.

Сталь 40 подвергалась закалке от температур 750 и 830° С, Используя диаграмму состояния железо-цементит, укажите выбранные температуры нагрева и опишите превращения, которые произошли при двух режимах закалки. Какому режиму следует отдать предпочтение и почему?

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Расчеты прочности и жесткости конструкций и их деталей невозможно осуществить, если неизвестны механические свойства реальных материалов и их числовые характеристики, которые могут быть определены только экспериментальным путем.

Важность экспериментальных исследований объясняется еще и тем, что все решения сопротивления материалов являются приближенными. Поэтому их достоверность и пределы применимости могут быть установлены лишь экспериментально.

Механические свойства материалов при различных видах деформаций (растяжении, сжатии, кручении и т. д.) изучаются путем испытания на специальных машинах брусьев простейшей формы, называемых образцами. Испытания проводятся обычно при комнатной температуре. В последнее время большое внимание уделяется исследованию свойств материалов при повышенных температурах. Наибольшей простотой и надежностью результатов отличаются испытания на растяжение. Испытательные машины снабжены динамометрами для замеров нагрузки на образец, а деформации образцов измеряются специальными приборами — тензометрами, устанавливаемыми непосредственно на образцах.

Применяются круглые и плоские образцы. Их размеры и конфигурация стандартизованы. Характерной особенностью образцов является наличие на концах усиленных частей — головок под захват машины и плавного перехода к более тонкой рабочей части постоянного сечения (рис. 2.7). Такая форма образца позволяет обеспечить однородное напряженное состояние в его рабочей части.

В процессе испытания изучается зависимость между нагрузками и вызванными ими удлинениями. Эту зависимость принято представлять

Рис. 2.7.

Рис. 2.8

Рис. 2.9

в виде диаграмм растяжения. Как правило, испытательные машины оборудованы специальными приспособлениями для автоматической записи таких диаграмм.

При построении диаграмм растяжения по оси абсцисс откладываются удлинения рабочей части образца, а по оси ординат — соответствующие им значения растягивающей силы Р.

На рис. 2.8 представлена диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали. Эту диаграмму можно разделить на три характерных участка.

На участке О А, соответствующем стадии упругости образца, деформации материала подчиняются закону Гука.

На участке рост нагрузки замедляется, а затем почти прекращается при одновременном росте удлинений. Явление значительного роста удлинений без заметного увеличения нагрузки называется текучестью, а горизонтальный (или почти горизонтальный) участок диаграммы растяжения называется площадкой текучести.

На стадии общей текучести полированная поверхность образца покрывается сеткой тонких линий (см. рис. 2.8), называемых линиями сдвига, или линиями Чернова, по фамилии русского металлурга, впервые заметившего их. Эти линии являются следами плоскостей скольжения (сдвига) частиц материала друг относительно друга. Они наклонены к оси бруса под углом, близким к 45°, и практически совпадают с плоскостями действия максимальных касательных напряжений (см. разд. 2.5).

Многие материалы, например легированные стали, дюралюминий, обнаруживают пластические свойства, но площадки текучести не имеют. Характер диаграмм растяжения для дюралюминия и легированной стали представлен на рис. 2.9.

На участке называемом зоной упрочнения, материал вновь приобретает свойство оказывать сопротивление нагрузке, но с ростом удлинения образца нагрузка возрастает значительно медленнее, чем на упругом участке. В зоне упрочнения равномерное до этого уменьшение поперечных размеров рабочей части образца нарушается появлением местного утоньшения — шейки (см. рис. 2.8). Деформация образца приобретает местный характер течения материала в области шейки, и в связи с быстрым уменьшением сечения образца в этом месте для развития деформаций требуется меньшая нагрузка. Этим, главным образом, и объясняется падение нагрузки за точкой С диаграммы. Точка D диаграммы соответствует разрушению образца.

Рис. 2.10