Лабораторная работа № 1

ИСПЫТАНИЕ НА РАСТЯЖЕНИЕ ОБРАЗЦОВ

ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы: получить диаграмму растяжения, вычислить механические характеристики конструкционной стали при растяжении и по ним определить марку стали испытуемого образца.

Оборудование, приборы и материалы:

1) Испытательная машина УММ-5

_{2) Штангенциркуль:}

Исходные данные:

Образец 1 (13. 10. 2011г.)

Размеры образца до испытания (рисунок 16а):

- диаметр заготовки;

- диаметр рабочей части образца;

- длина рабочей части образца;

- полная длина образца;

Испытательные нагрузки (рисунок 18 а):

- нагрузка текучести;

- нагрузка временного сопротивления (максимальная нагрузка);

- разрывная нагрузка;

Площадь сечения рабочей части образца:

Напряжения, соответствующие испытательным нагрузкам (рисунок 19 а):

- предел текучести - предел прочности - разрывное напряжение Размеры образца после испытания (рисунок15а, 17а): Площадь сечения шейки (рисунок 15а, 17а):
	Рисунок 15 а – Шейка образца 1 и относительное остаточное сужение

Относительное остаточное сужение (рисунок 15а):

Абсолютное удлинение рабочей части образца (рисунки 16а, 17а, 18а):

Относительное остаточное удлинение (рисунок 19 а):

Истинное напряжение в момент разрыва:

Площадь участков машинной диаграммы (рисунок 18 а):

Полная работа разрыва образца:

Рисунок 16 а – Образец 1 до начала испытания

Рисунок 17 а - Образец 1 после испытания

Δ

Рисунок 18 а - Машинная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (образец 1)

Рисунок 19 а - Диаграмма условных напряжений при растяжении образца 1 из малоуглеродистой стали

Основные физико-механические характеристики стали (образец 1):

1. Характеристики прочности:

1. Предел текучести:

2. Предел прочности:

3. Условное напряжение в момент разрыва:

4. Истинное напряжение в момент разрыва:

2. Характеристики пластичности:

5. Относительное остаточное удлинение:

6. Относительное остаточное сужение:

7. Предел текучести:

3. Характеристики энергии поглощения:

8. Полная работа разрыва

9. Удельная работа разрыва

Образец 2 (27.10.2011г.)

Размеры образца до испытания (рисунок 16б):

- диаметр заготовки;

- диаметр рабочей части образца;

- длина рабочей части образца;

- полная длина образца;

Испытательные нагрузки (рисунок 18 б):

- нагрузка текучести;

- нагрузка временного сопротивления (максимальная нагрузка);

- разрывная нагрузка;

Площадь сечения рабочей части образца 2:

Напряжения, соответствующие испытательным нагрузкам (рисунок 19 б):

- предел текучести; - предел прочности; - разрывное напряжение. Размеры образца после испытания (рисунок 17б): Площадь сечения шейки (рисунок 17б):
	Рисунок 15 б – Шейка образца 2 и относительное остаточное сужение

Относительное остаточное сужение (рисунок 15б):

Абсолютное удлинение рабочей части образца (рисунки 17б - 18б):

Относительное остаточное удлинение (рисунок 19 б):

Истинное напряжение в момент разрыва:

Площадь участков машинной диаграммы (рисунок 18 б):

Полная работа разрыва образца:

Рисунок 16 б - Образец 2 до начала испытания

Рисунок 17 б - Образец 2 после испытания

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования носит название НАКЛЁПА или НАГАРТОВКИ. На диаграмме напряжений (рисунки 19а, 19б) в точке К производится разгрузка под тем же углом α, что и линейный участок деформирования (tgα=Е), при этом размер образца после разгрузки изменяется, остаточная деформация ε_ост и характеризует внешние проявления наклёпа. Последующая повторная нагрузка диаграммы напряжений повторяет прямолинейный участок разгрузки и заканчивается в той же точке К, т. е. условный предел текучести σ_т ́>σ_т возрос по уравнению с первоначальным σ_т, а относительное удлинение при разрыве уменьшается δ´=δ-ε_ост на величину ε_ост для точки К. Материал после наклёпа стал прочнее и менее деформативнее. Если свойства упрочнения для подвергнутой наклёпу детали нежелательны, то деталь после наклёпа отжигают для снятия остаточных напряжений и восстановления первоначальных пластических свойств. Если для детали более важны не пластические, а упругие и прочностные свойства, то наклёп используется как технологическая операция (дробеструйная обработка поверхности, обкатка роликами и т. д.). При прочих равных условиях, кованые детали прочнее литых или горячекатанных.

Δ

Рисунок 18 б - Машинная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (образец 2)

Рисунок 19 б - Диаграмма условных напряжений при растяжении образца 2 из малоуглеродистой стали

Основные физико-механические характеристики стали (образец 2):

1. Характеристики прочности:

   1. Предел текучести:

   2. Предел прочности:

   3. Напряжение в момент разрыва:

   4. Истинное напряжение в момент разрыва:

2. Характеристики пластичности:

   1. Относительное остаточное удлинение:

   2. Относительное остаточное сужение:

   3. Предел текучести:

3. Характеристики энергии поглощения:

1. Полная работа разрыва

2. Удельная работа разрыва

Выбираем марку стали по трем источникам (табл. 7).

Таблица 7 - Таблица выбора марки стали

Источник информации	Марка стали	σТ,МПа	σВ,МПа	δ%	ψ%
Эксперимент – 1 27.10/11	Сталь 30	350	495	28,5	68,5
Эксперимент – 2 13.10.11	Сталь 30	304	425	20,71	66
Феодосьев В.И. [2] (Таблица 8)	Сталь 30	330	530	28	-
Сильман Г.И. [20] (Таблица 10)	Сталь25 Сталь 30	280 300	460 500	23 21	50 50
В.Г.Сорокин [25]	Сталь 30 ВСт3пс Сталь25	290 245 -	490 370 – 480 450	21 26 23	50 - 50

Вывод: Испытанные образцы изготовлены:

- образец № 1 из стали марки Сталь 30;

- образец № 2 из стали марки Сталь 30

Приложения

Некоторые теоретические положения по определению физико-механических

характеристик стали

1. Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности (σ_ПЦ), ;

; . Обычно считают, что если величина оказалось на 50 % больше, чем 1/Е, то предел пропорциональности достигнут.

2. Упругие свойства материала сохраняются до напряжения - предел упругости. Под пределом упругости понимается такое наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций.

• Понятие предела пропорциональности и предела упругости довольно условно.

3. Предел текучести -

4. Предел прочности -

5. Разрывное напряжение -

6. В определенных условиях за предел текучести принимается условная величина напряжения, при котором остаточная деформация . Обозначают (рисунок 20).

7-12 %

Рисунок 20 - Диаграмма растяжения легированной стали

(см. Феодосьев В.И. [2], рисунок 1)

Таблица 8 – Физико-механические характеристики некоторых конструкционных материалов [2, табл. 1]

Материал	σТР	σТС	σВР	σВС	δ% l0=5d
	кг/см2
Сталь малоуглеродистая	2500	2500	3900	-	42
Сталь 30 незакаленная	3300	3300	5300	-	28
Сталь 30 закаленная	10300	9000	11000	-	11
Сталь 45 незакаленная	3700	3700	6200	-	24
Сталь 45 закаленная	10400	9700	10800	-	13
Сталь У8 незакаленная	2500	4300	6300	-	25
Сталь У8 закаленная	7000	7000	11000	-	16
Сталь 30ХГСА закаленная	14000	14000	16200	-	10
Сталь 40ХНВ закаленная	17200	21000	20500	-	10
Чугун серый СЧ28	1400	3100	1500	6400	0,6
Титан технический	5200	5200	6000	-	23
Медь отожженная	550	550	2200	-	46
Медь прутковая	2500	2500	3200	-	15
Латунь	3300	3300	4500	-	17
Бронза	1100	1100	1400	-	7,5
Алюминий	500	500	850	-	35
Дюраль	3400	3400	5400	-	13

Таблица 9 - Механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей [20 (табл. 15), 21 табл. 2.18)]

Марка стали	Свойства											Порог хладолом- кости 0С
	σ0,2	σВ		δ	ψ		KCU,		Твердость НВ
									после отжига не более		после улучшения
	МПа		%
	не менее											tВ		tН
20ХГСА	650	800		12	45		70		207		241-311		-		-
30Х	700	900		12	45		70		187		229-277		0		-100
30ХГСА (30ХГС)	850	1100		10	45		50 (45)		229		248-321		20		-60
30ХМА (30ХМ)	750	950		12 (11)	50 (45)		90 (80)		229		248-321		-		-
30ХН3А	800	1000		10	50		80		241		255-321		-40		-120
33ХС	700	900		13	50		80		241		255-321		-		-
36Х2Н2МФА	110	1200		12	50		80		269		293-331		-60		-140
38ХСА (38ХС)	750	950		12	50		80 (70)		255		285-321		-		-
38ХН3МФА	1100	1200		12	50		80		269		293-331		-60		-140
40Х	800	1000		10	45		60		217		248-293		0		-100
40ХР	800	1000		12	50		90		229		248-302		10		-70
40ХГР	800	1000		11	45		80		229		248-302		20		-60
40ХГТР	800	1000		11	45		80		229		248-302		40		-60
40ХН	800	1000		11	45		70		207		235-277		-30		-100
40ХНР	800	1000		10	45		90		277		293-331		0		-80
40ХФА	750	900		10	50		90		241		262-321		0		-100
40ХНМА	900	1050		12	50		90		269		293-331		-40		-120
40ХН2МА	950	1100		12	50		80		269		293-331		-40		-120
45ХН	850	1050		10	45		70		207		255-302		-30		-100
45Г2	700	850		13	45		45		255		277-331		-		-
45ХН2МФА	1300	1450		7	35		40		269		до 415		-		-
50Х	900	1100		9	40		40		229		248-302		0		-100
50ХН	900	1100		9	40		50		207		248-302		-30		-100

Таблица 10 - Свойства качественных углеродистых сталей после нормализации

[20 (табл. 3), 21 (табл. 2.5)]

Марка стали	Содержание углерода масс. %	σ0,2	σВ	δ	ψ	Твердость НВ после отжига, не более
		МПа не менее		% не меее
1	2	3	4	5	6	7
08	0,05…0,12	200	330	33	60	131
10кп	0,07…0,14	190	320	33	55	143
10	0,07…0,14	210	340	31	55	143
15	0,12…0,19	230	380	27	55	149
20	0,17…0,24	250	420	25	55	163
25	0,22…0,30	280	460	23	50	170
30	0,27…0,35	300	500	21	50	179
35	0,32…0,40	320	540	20	45	187
40	0,37…0,45	340	580	19	45	187
45	0,42…0,50	360	610	16	40	197
50	0,47…0,55	380	640	14	40	207
55	0,52…0,60	390	650	13	35	217
60	0,57…0,65	410	690	12	35	229
65	0,62…0,70	420	710	10	30	229
70	0,67…0,75	430	730	9	30	229

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ПО ПРИМЕНЕНИЮ

КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ [2]

Стали для ответственных сварных конструкций [20, п.1.6]

Эти стали содержат обычно до 0,22%С. Основные легирующие элементы: до 1,8% Мn, до 1,2%Si, до 0,9%Cr, до 1,7%Ni, до 0,5%Cu, до 0,15%V, до 0,03%Ti, до 0,15%N. Поставляются стали в виде листового и сортового фасонного проката. Применяются без дополнительной термической обработки (т.е. в состоянии поставки), в нормализованном состоянии с высокотемпературным отпуском, иногда после закалки и отпуска (например, стали 14Г2, 17ГС, 15ХСНД). В последнем случае значительно повышаются прочностные свойства, снижаются порог хладноломкости и склонность к старению. Использование легированных сталей взамен углеродистых позволяет экономить от 15 до 30% металла, а применение термообработанных профилей дает экономию до 50% металла.

Для судостроения, аппаратов химической промышленности, вагоностроения и мостостроения применяют стали 09Г2, 10Г2С1Д, 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2С, 09Г2Д, 15ГФ (ГОСТ 19282-89). Эти стали имеют широкий интервал рабочих температур (от -70 до +450 0С). Стали с медью и никелем (10ХСНД, 15ХСНД) отличаются повышенной коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Для крупных листовых конструкций, корпусов, сосудов, котлов и трубопроводов используют стали 14Г2, 16ГС, 17ГС, 14ХГС, 12ХГС. Из стали 12ГС методами вытяжки, гибки и штамповки изготавливают также детали сельхозмашин и автомобилей.

Широкое применение находят в последнее время стали с карбонитридным упрочнением, содержащие 0,05-0,12%V и 0,015-0,025%N. Эти стали имеют измельченную структуру и пониженный до -80⁰С порог хладноломкости. Для металлоконструкций мостов, подкрановых ферм, зданий и других сварных конструкций ответственного назначения используют стали 14Г2АФ, 14Г2АФД, 16Г2АФ, 18Г2АФ, 12Г2САФ, 12ГН2МФАЮ. Для ответственных сварных конструкций северного исполнения используют сталь 15Г2АФД, для сварных конструкций экскаваторов – стали 12ГН2МФАЮ, 12Г2СМФ, 14Г2СМФ, 14ГСМФР, 18Г2АФ. Сталь 12ГН2МФАЮ применяют также для изготовления платформ автомобилей большой грузоподъемности (до 120т). Стали с молибденом и бором (например, 14ГСМФР) в нормализованном состоянии содержат в структуре бейнит и имеют повышенный предел текучести при хорошей пластичности.

В состоянии поставки (нетермообработанные) стали 15Г2СД, 15Г2СФд, 14Г2АФД, 16Г2АФД, 15Г2АФДпс имеют следующие свойства: .

Стали 18Г2АФ и 18Г2АД отличаются более высокими прочностными свойствами:

. Такие же свойства имеет и нормализованная сталь 16Г2АФ. В улучшенном состоянии стали 12Г2СМФ и 12ГН2МФАЮ имеют , а сталь 12ХН2МФБАЮ -

Критические температуры хрупкости (при u-образном надрезе на образцах) составляют: для стали 12Г2СМФ от -70 до -100⁰С, для сталей 14Г2АФ и 16Г2АФ от -90 до -100⁰С и для стали 12ГН2МФАЮ от -100 до -110⁰С.

Ударная вязкость сталей может быть существенно повышена специальными способами выплавки – обработкой синтетическим шлаком (СШ) или электрошлаковым переплавом (ЭШП). Так, например, для стали 16Г2АФ ударная вязкость КС^-40 имеет следующие значения: при СШ = 160 Дж/см², при ЭШП = 280…290 Дж/см².

Стали повышенной хладостойкости [20, п.1.7]

Стали для машин и сооружений, поставляемых в районы с холодным климатом, должны иметь низкий порог хладноломкости. Изделия из этих сталей должны сохранять работоспособность в условиях низких температур (до -60⁰С) при повышенной скорости ветра, метелях, заносах, обледенении и т.д.

Изделия в северном исполнении подразделяют на две категории: 1) эксплуатируемые на открытом воздухе и в не отапливаемых помещениях, 2) эксплуатируемые в отапливаемых помещениях, но подвергающиеся воздействию низких температур и других климатических факторов во время транспортировки и монтажа. Для изделий в северном исполнении чаще всего используют спокойные стали. Кипящие стали можно применять в том случае, если они (в виде листов или лент) предназначены для глубокой вытяжки.

Стали по ГОСТ 19281-89 и 19282-89 (см. раздел 1.6) применяются для несущих элементов конструкций, испытывающих воздействие растягивающих и изгибных напряжений: ходовые рамы машин, стрелы и башни, поворотные платформы и т.д.