Механические характеристики, определяемые при динамических испытаниях

Динамические испытания на ударный изгиб позволяют определить ударную вязкость. Специальные образцы с надрезом (концентратором напряжений) разрушают на маятниковом копре за один удар. Ударная вязкость представляет собой работу, необходимую для разрушения, отнесенную к рабочей площади поперечного сечения образца

Детали машин часто подвергаются действию повторно-переменных (циклических) напряжений (например, железнодорожные рельсы). В металле при этом постепенно накапливаются повреждения, и через какое-то время деталь разрушается при напряжениях, существенно меньших, чем предел прочности. Это явление называется усталостью. Свойство металлов противостоять усталости называют выносливостью.

Пределом выносливости называют такое напряжение, которое не приводит к усталостному разрушению при бесконечно большом цикле нагружений. Предел выносливости определяют по результатам специальных испытаний.

Напряжение, равное пределу выносливости, обычно очень мало, оно много меньше предела прочности. Эксплуатировать изделия при столь малых нагрузках часто оказывается нецелесообразно. Обычно деталь эксплуатируют при больших напряжениях, но через определенное время, не дожидаясь ее разрушения, деталь заменяют (ж/д рельсы). Безопасное время, т.е. максимально возможное число циклов до разрушения, определяется в результате специальных испытаний.

Следует заметить, сто предел выносливости тем выше, чем лучше обработана поверхность изделия. Кроме того, химико-термическая обработка поверхности металла также повышает предел выносливости.

Классификация и маркировка углеродистых сталей

Стали классифицируются по следующим признакам:

- по химическому составу – углеродистые и легированные;

- по назначению – конструкционные, инструментальные и специальные (нержавеющие, жаропрочные, электротехнические и др.);

- по качеству – обыкновенные, качественные, высококачественные, особо высококачественные.

Сера и фосфор – вредные примеси. В сталях обыкновенного качества больше вредных примесей (серы до 0,05%, фосфора – до 0,04%). В качественных сталях серы - до 0,04%, фосфора – до 0,035%.

Углеродистые конструкционные стали

Стали обыкновенного качества маркируются:

Ст0, Ст1, Ст2,….,Ст6.

Цифры не указывают на содержание углерода, однако чем больше цифра, тем выше содержание углерода (от 0,06 до 0,5%), выше прочность стали и ниже ее пластичность.

В конце марки могут стоять дополнительные индексы, указывающие характер застывания стали:

Ст3кп, Ст5пс, Ст6сп.

Стали обыкновенного качества хорошо свариваются (из-за низкого содержания углерода) и хорошо обрабатываются прокаткой.

Качественные конструкционные стали имеют лучший химический состав по вредным примесям и неметаллическим включениям. Эти стали маркируются цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях %. В конце марки могут указываться индексы (например, кп).

В зависимости от содержания углерода эти стали делятся на 4 группы:

1. Стали 08, 10

Это низкоуглеродистые стали, не подвергающиеся термической обработке из-за низкого содержания углерода. Имеют низкую твердость и высокую пластичность. Хорошо свариваются. Используются для изготовления малонагруженных деталей машин и сварных конструкций.

2. Стали 15, 20, 25

Это низкоуглеродистые стали. Не закаливаются, но нормализуются, могут подвергаться ХТО. Хорошо свариваются, хорошо штампуются и могут обрабатываться резанием.

Используются для изготовления неответственных деталей машин, не подвергающихся высоким нагрузкам.

3. Стали 30, 35, 40, 45, 50

Это среднеуглеродистые стали. Подвергаются нормализации, улучшению и поверхностной закалке. Хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Имеют высокую прочность и хорошую пластичность. Из них изготавливают детали, от которых требуется сочетание высокой прочности с вязкостью сердцевины (распределительные валы, зубчатые передачи). Это самая значительная группа сталей.

4. Стали 60, 65,70, 75,80, 85

Это высокоуглеродистые стали. Подвергаются различным видам термообработки, после чего получают высокую прочность, износостойкость и упругость. Из них изготавливают детали, работающие в условиях трения и вибрационных нагрузок: пружины, рессоры, прокатные валки, диски сцепления.

Углеродистые инструментальные стали

Режущая часть инструмента (резцов, сверла, фрезы) при работе подвергается истиранию, воздействию высоких температур, большим силовым нагрузкам. Поэтому для изготовления инструмента обычно используют легированные стали или твердые сплавы.

Углеродистые стали используют для изготовления инструмента, работающего при невысоких скоростях резания, когда температура режущих кромок не превышает 250⁰ . Таким инструментом обрабатывают изделия из материалов, обладающих невысокой твердостью.

Эти стали маркируются:

У7, У8, У8А, У10, У11, У11А, У12, У13А

Цифры указывают содержания углерода в десятых долях %. Например, сталь У12 содержит 1,2% углерода. В конце марки высококачественных углеродистых инструментальных сталей ставится буква А.

Из стали с малым содержанием углерода, например У7, изготавливают молотки, стамески, зубила. Из сталей У11, У11А изготавливают резцы, сверла, фрезы и т.п. Из сталей У12, У13, У13А - инструмент, работающий без ударных нагрузок (напильники, рашпили).

Автоматные стали

Это особая группа углеродистых сталей, обрабатываемых резанием на станках-автоматах с повышенной скоростью резания. Из них изготавливаю детали массового спроса: винты, болты, шайбы, гайки.

Обработка резанием требует от стали особых свойств. С одной стороны нужна определенная твердость, так как мягкая вязкая сталь (с малым содержанием углерода) обрабатывается плохо, при ее обработке получается длинная трудноудаляемая стружка. С повышением содержания углерода обрабатываемость также ухудшается из-за повышения твердости. Кроме того, на обрабатываемость стали сильно влияет структура стали: величина зерна (крупнозернистая обрабатывается лучше) и фазовый состав (в доэвтектоидных сталях желателен пластинчатый перлит, а в заэвтектоидных – зернистый перлит). Автоматные стали содержат необходимое количество углерода и зерно средней величины.

Автоматные стали имеют повышенное содержание серы (до 0,3% ) и фосфора (0,05-0,16% ). Это облегчает снятие стружки, облегчает нарезку резьбы, способствует получению высококачественно обрабатываемой поверхности.

Автоматные стали маркируются:

А12, А20, А30

Буква А указывает, что сталь автоматная. Цифры указывают содержание углерода в сотых долях % .

Из стали А12 изготавливают винты, болты, гайки и мелкие детали сложной конфигурации. Из сталей А20, А30 изготавливают ответственные детали, работающие при высоких напряжениях.

В марках некоторых специальных сталей первая буква в маркировке указывает на назначение:

А – автоматная таль,

Р – быстрорежущая сталь,

Ш – шарикоподшипниковая сталь,

Э – электротехническая сталь.

Легированные стали и сплавы