Временное сопротивление
Временное сопротивление при комнатной температуре в результате длительной эксплуатации при высокой температуре изменяется двояким образом. При высоких значениях в исходном состоянии оно сильно снижается в эксплуатации; при значениях, близких к нижнему пределу по техническим условиям, временное сопротивление практически не изменяется. [1]
Временное сопротивление разрыву должно быть не ниже минимально допустимого предела для временного сопротивления разрыву основного металла по ГОСТ или техническим условиям на соответствующие полуфабрикаты ( ленты, трубы и др.) из сталей данной марки. [2]
Временное сопротивление и предел прочности при изгибе уменьшаются вследствие увеличения хрупкости металлической основы и наличия в образцах больших внутренних напряжений, вызванных закалкой. В таком состоянии малоуглеродистый чугун, как и другие чугуны с пластинчатой формой графита, после закалки имеет невысокую эрозионную стойкость. Это объясняется перенапряженностью отдельных микроучастков, особенно в местах скопления графитовых включений, где концентрируются большие напряжения. В этом случае металлическая основа чугуна разрушается быстро без инкубационного периода. [3]
Временное сопротивление растяжению должно быть не ниже 20 кг / еж2 через 2 дня. [4]
Временное сопротивление ( а) характеризует максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца. Различают напряжения условные и истинные. Условным напряжением называют отношение величины нагрузки к исходному сечению образца; истинным – к сечению, которое образец приобрел к моменту достижения данной нагрузки. Диаграммы растяжения пластичных металлов с условными напряжениями отличаются от диаграмм с истинными напряжениями. [5]
Временное сопротивление ( предел прочности при растяжении) 0В ( впч, 0в, 0н), кгс / мм2 – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, которая предшествует разрушению образца, и отнесенное к начальной площади ( F0) его поперечного сечения до испытания. [6]
Временное сопротивление скалыванию по склейке в сухом состоянии определяют на образцах, изображенных на фиг. [7]
Временное сопротивление скалыванию у клеевого соединения должно удовлетворять требованиям технических условий На клей. [8]
Временное сопротивление при изгибе существенно зависит от качества подготовки поверхности образцов. [9]
Временное сопротивление и относительное удлинение после разрыва определяют в соответствии с нормативно-технической документацией. [10]
Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение соответствуют указанным, вгтабл. [11]
Временное сопротивление разрыву металла сварных швов при 20 С должно соответствовать значениям, установленным в нормативно-технической документации на основной металл. [12]
Временное сопротивление разрыву определяют для лент толщиной 0 3 мм и более, относительное удлинение – для лент толщиной 0 5 мм и более. [14]
Временное сопротивление возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение Cu31Sn8, временное сопротивление резко снижается. Относительное удлинение несколько возрастает при содержании в бронзе 4 – 6 % Sn, но при образовании эвтектоида – сильно падает. Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет бронзу. Он улучшает литейные свойства, повышает твердость, прочность, износостойкость, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии. [15]
Механические свойства
характеризуют способность материала сопротивляться внешним механическим воздействиям. К основным механическим свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и др.
Основные характеристики механических свойств сплавов цветных металлов:
Для стальных и железобетонных конструкций применяются углеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности. Стали для конструкций классифицируются по способу выплавки, технологии раскисления, химическому составу, способу упрочнения, качеству и назначению, а также по прочности.
По способу выплавки стали делятся на мартеновские, кислородно-конверторные и бессемеровские; по технологии раскисления – на спокойные, полуспокойные и кипящие (в том числе закупоренные кипящие); по способу упрочнения – на холоднодеформированные и термически обработанные (термоупрочненные).
Сталь по назначению подразделяется: на сталь общего назначения – углеродистая горячекатаная обыкновенного качества и сталь разных назначений – углеродистая горячекатаная повышенного качества (низколегированная) и высокой прочности.
Установлены следующие классы прочности стали (по значениям временного сопротивления и предела текучести): С 38/23, С 44/30, С 46/34, С 52/40, С 60/45, С 70/60.
Предел пропорциональности σпц – напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и удлинениями достигает некоторой устанавливаемой техническими условиями или стандартом величины (например, уменьшения тангенса угла наклона касательной к диаграмме растяжения по отношению к оси деформаций на 20 или 33% своего первоначального значения).
Предел упругости σуп – напряжение, при котором остаточные удлинения достигают некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями или стандартом (например, 0,001; 0,01% и т. д.). Иногда предел упругости обозначается соответственно допуску σ0,001; σ0,01 и т. д.
Читать также: Как заточить победитовый диск для циркулярки
Предел текучести σт для материалов, имеющих площадку текучести (малоуглеродистая сталь), определяется как напряжение, соответствующее нижней точке площадки текучести; для материалов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ0,2 – напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2%.
Временное сопротивление (предел прочности) σв – напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади сечения образца. Временное сопротивление можно отождествлять с пределом прочности только для хрупких материалов, разрушающихся без образования шейки. Для пластичных материалов это характеристика своеобразной потери устойчивости при растяжении, т. е. характеристика сопротивления значительным пластическим деформациям.
Относительное удлинение при разрыве δ – отношение (обычно в %) приращения расчетной длины образца после разрыва к ее исходной величине. Для длинного круглого образца (lрасч=10d) – δ10; для короткого образца (lрасч=5d) – δ5.
Относительное сужение при разрыве ψ – отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения образца.
Условный предел текучести при изгибе σт.и – нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба, при котором остаточное удлинение наиболее напряженного крайнего волокна достигает 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при изгибе σв.и – нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба и соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей излому образца.
Условный предел текучести при кручении τ0,2, τт – касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при кручении τв – касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения и соответствующее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.
Твердость по Бринеллю НВ – твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка. Для некоторых материалов существует приблизительно прямая пропорциональность между твердостью НВ и временным сопротивлением; например, для углеродистых сталей σв ≈ 0,36 НВ.
Твердость по Роквеллу HRC, HRB – твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению оставшейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.
Твердость по Виккерсу HV – твердость материала, определяемая путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров и вычисляемая как частное от деления стандартной нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка.
Предел ползучести (условный) – длительно действующее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток Бремени при данной температуре не превышает величины, установленной техническими условиями.
Предел длительной прочности – напряжение, вызывающее разрушение образца после заданного срока его непрерывного действия при определенной температуре.
Предел выносливости – наибольшее периодически изменяющееся напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при большом числе циклов, заданном техническими условиями (например, 10 6 ; 10 7 ; 10 8 ). Обозначается при симметричном цикле σ-1 (изгиб), σ-1p (растяжение-сжатие), τ-1 (кручение), при пульсирующем цикле (напряжения меняются от нуля до максимума) соответственно σ, σ0p и τ.
Ударная вязкость ak – работа, затраченная на разрушение образца при ударном изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.
Упругое последействие: прямое – постепенное увеличение деформации после быстрого прекращения роста нагрузки; обратное – сохранение или медленное уменьшение деформации после быстрого снятия нагрузки или остановки разгрузки.
Наклеп – упрочнение металла, происходящее благодаря пластической деформации при процессах холодной обработки (холодной прокатке, вытяжке, волочении).
Старение (механическое) – самопроизвольное длительное изменение механических свойств стали после наклепа, вызванное фазовыми превращениями. Различают естественное старение, протекающее при комнатной температуре, и искусственное старение – при повышенных температурах.
Разрушение стали возможно вязкое (пластичное) – от сдвига, хрупкое – от отрыва. В обоих случаях разрушение состоит в нарушении целостности, в разрыве. Нарушение сплошности может возникнуть при условии накопления энергии, отвечающей величине поверхностной энергии на поверхностях нарушения целостности, и в соответствии с этим расстояние между атомами должно достичь критических величин, при которых происходит нарушение связи между ними.
Работа разрушения – величина всей площади диаграммы растяжения образца в координатах Р-∆l; упругая работа – площадь упругой части той же диаграммы; удельная работа – работа, приходящаяся на единицу объема рабочей части образца и соответствующая площади диаграммы растяжения в координатах σ-ε.
Удельный вес в расчетах принимают равным для стали 7,85, для чугуна 7,2; удельный вес стали с содержанием 0,1% С – 7,06 (в жидком состоянии).
Читать также: Пропали каналы на спутнике как настроить
Модуль упругости E стали и другие упругие константы практически не зависят от величины зерна, структуры, соотношений между объемами феррита и перлита, от содержания углерода и других легирующих добавок.
Модуль упругости для прокатной стали, литья, горячекатаной арматуры из сталей марок Ст.5 и Ст.3 Е=2,1·10 6 кГ/см 2 ; для сталей 30ХГ2С и 25Г2С E=2·10 6 кГ/см 2 . Для холоднотянутой круглой и периодического профиля проволоки, а также для холодно-сплющенной арматуры E=1,8·10 6 кГ/см 2 .
Для пучков и прядей высокопрочной проволоки (с параллельным расположением проволок) Е=2·106 кГ/см 2 ; для канатов стальных спиральных и канатов (тросов) с металлическим сердечником Е=1,5·10 4 кГ/см 2 ; для тросов с органическим сердечником E=1,3·10 6 кГ/см 2 .
Для отливок из серого чугуна марок СЧ28-48, СЧ24-44, СЧ21-40 и СЧ18-36 E=1·10 6 кГ/см 2 .
Модуль сдвига для прокатной стали G=8,4·10 6 кГ/см 2 .
Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) μ=0,3.
Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
– статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
– динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
– циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
1. Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности
(σв),
предел текучести
(σт),
относительное удлинение
(δ) и
относительное сужение
(ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения:
Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете.
8256 – | 7223 – или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock! и обновите страницу (F5)
очень нужно
Предел прочности
– это то же, что и временное сопротивление материала. Но несмотря на то, что правильнее использовать термин
временное сопротивление
, понятие предел прочности лучше прижилось в технической разговорной речи. В то же время в нормативной документации, стандартах применяют термин «временное сопротивление».
Прочность
– это сопротивление материала деформации и разрушению, одно из основных
механических свойств
. Другими словами, прочность – это свойство материалов, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия (нагрузки, температурные, магнитные и другие поля).
К характеристикам прочности при растяжении
относятся модуль нормальной упругости, предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести и временное сопротивление (предел прочности).
Предел прочности
– это максимальное механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала, подвергаемого деформации; предел прочности при растяжении обозначается σВ и измеряется в килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см 2 ), а также указывается в мегапаскалях (МПа).
Различают:
- предел прочности при растяжении,
- предел прочности при сжатии,
- предел прочности при изгибе,
- предел прочности при кручении.
Предел кратковременной прочности (МПа)
определяется с помощью испытаний на растяжение, деформацию проводят до разрушения. С помощью испытаний на растяжение определяют временное сопротивление, удлинение, предел упругости и др.. Испытания на длительную прочность предназначены главным образом для оценки возможности использования материалов при высоких температурах (длительная прочность, ползучесть); в результате определяется σB/Zeit – предел ограниченной длительной прочности на заданный срок службы. [1]
Физику прочности
основал Галилей: обобщая свои опыты, он открыл (1638 г.), что при растяжении или сжатии нагрузка разрушения
P
для данного материала зависит только от площади поперечного сечения
F
. Так появилась новая физическая величина – напряжение
σ=P
/
F
– и физическая постоянная материала: напряжение разрушения [4].
Физика разрушения как фундаментальная наука о прочности металлов
возникла в конце 40-х годов XX века [5]; это было продиктовано острой необходимостью разработки научно обоснованных мер для предотвращения участившихся катастрофических разрушений машин и сооружений. Раньше в области прочности и разрушения изделий учитывалась только классическая механика, основанная на постулатах однородного упруго-пластического твёрдого тела, без учёта внутренней структуры металла. Физика разрушения учитывает также атомно-кристаллическое строение решётки металлов, наличие дефектов металлической решётки и законы взаимодействия этих дефектов с элементами внутренней структуры металла: границами зёрен, второй фазой, неметаллическими включениями и др.
Большое влияние на прочность материала
оказывает наличие ПАВ в окружающей среде, способных сильно адсорбироваться (влага, примеси); происходит уменьшение предела прочности.
Читать также: Фен для выпайки микросхем
К повышению прочности металла приводят целенаправленние изменения металлической структуры, в том числе – модифицирование сплава.
Учебный фильм о прочности металлов (СССР, год выпуска:
Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.
СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ КОМНАТНЫХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ (Н.С. Самойлов)
Жаропрочными
называют стали и сплавы, сохраняющие при повышенных температурах в течение определенного времени высокую механическую прочность и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.
Жаростойкими (окалиностойкими)
называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 0 С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.
Жаропрочность характеризуется, в основном, пределами ползучести и длительной прочности. Ориентировочно о жаропрочности судят также по механическим свойствам, определяемым кратковременным испытанием на растяжение при рабочей температуре.
Дополнительные характеристики жаропрочности: длительная пластичность, релаксационная стойкость, предел выносливости, термостойкость и др.
Жаропрочность стали (сплава) определяется химическим составом и структурой; к числу элементов, повышающим жаропрочность, относятся молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кобальт, алюминий и отчасти хром и никель. Последний, наряду с марганцем, имеет значение, главным образом, как аустенитообразующий элемент (поскольку аустенитная структура создает наибольшую жаропрочность стали). На жаропрочные свойства хром влияет меньше, чем многие другие элементы. Однако его присутствие в стали или сплаве наряду с алюминием и кремнием повышает их жаростойкость (окалиностойкость). Поэтому хром — обязательный компонент жаропрочных сталей и сплавов.
Классификация
К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание последнего превышает 50 %.
В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов жаропрочные стали могут быть низко-, средне- и высоколегированными.
В низколегированной стали суммарное содержание легирующих элементов не превышает 4-5 %. Среднелегированной называется сталь с суммарным содержанием легирующих элементов от 5 до 9 %, причем содержание каждого из них не должно превышать 5 %. Высоколегированной называют сталь, в которой содержание любого легирующего элемента превосходит 5 %, либо суммарное содержание всех легирующих элементов — более 10 %.
По микроструктуре (получаемой после охлаждения на воздухе с высокой температуры) жаропрочные стали подразделяют на семь классов: перлитный, мартенситный, мартенситно-ферритный, ферритный, аустенитно-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитный.
Низколегированные стали относятся к перлитному классу, среднелегированные — к перлитному, мартенситному или мартенситно-ферритному, высоколегированные — к любому из перечисленных классов, кроме перлитного.
К сплавам на железоникелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе. Суммарное содержание железа и никеля не менее 65 %.
К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6-8 %).
Стали перлитного класса
Среди низколегированных сталей высокой жаропрочностью отличаются молибденосодержащие стали, например, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиевые, имеющие достаточно высокие сопротивление ползучести и длительную прочность при температурах до 565-580 °С. Такие стали условно называют теплоустойчивыми.
Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса приведен в ГОСТ 20072-74, ГОСТ 4543-71, ТУ 14-1-1391-75. Они содержат 0,5-3,3 % Cr; 0,25-1,2 % Мо; 0,15-0,8 % V. Некоторые марки содержат 0,3-0,8 % W либо Nb.
Эти стали применяют для изготовления различных деталей в котлостроении, работающих длительное время (10 000-100 000 ч) при температурах 500-580 °С, в частности, для паропроводных и пароперегревательных труб, а также для проката и поковок, используемых в турбинах и паровых котлах высокого давления.
Механические свойства сортового металла из перлитных сталей, предусмотренные ГОСТ или существующими ТУ, а также рекомендуемые режимы термической обработки приведены в табл. 1. Механические свойства при повышенных температурах, определяемые кратковременным испытанием на растяжение, как правило, не регламентируются. Решающее значение имеют нормы длительной прочности и ползучести при рабочих температурах в зависимости от длительности службы за время 10 000-100 000 ч (табл.2). Сведения о примерном назначении сталей перлитного класса и их рабочие температуры приведены в табл. 3.
Стали мартенситного класса
Стали мартенситного класса содержат 4,5-12 % Cr, а также в значительно меньшем количестве Ni, W, Mo, V.
Стали марок 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ и 15Х8ВФ широко применяют для изготовления элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов — деталей насосов, задвижек, крепежных деталей, крекинговых труб, работающих при температурах 550-600 °С. Стали этой же группы с более высоким содержанием Cr (6-10 %) и с повышенным содержанием Si (2-3 %), в основном, применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Сталь 11Х11Н2ВМФ(ЭИ962) применяют для дисков компрессоров и для других деталей, работающих при температурах до 600 °С с ограниченным сроком службы.
Механические характеристики мартенситных сталей приведены в табл. 1 характеристики жаропрочности — в табл. 12.2.
Стали мартенситно-ферритного класса
Стали мартенситно-ферритного класса содержат в структуре кроме мартенсита 10-25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях — Cr (11-13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков. Однако наиболее высокие (при обработке на одинаковую твердость) характеристики жаропрочности при 500-600 °С у стали 18Х12ВМБФР(ЭИ993).
Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных деталей. Ориентировочная рабочая температура для стали 15Х12ВНМФ(ЭИ802) — 550-580 °С и 570-600 °С — для стали 18Х12ВМБФР(ЭИ993).
Стали аустенитного класса
Стали аустенитногокласса — в основном хромоникелевые стали с содержанием Cr и Ni в пределах от 7 до 25 % каждого, наряду с которыми присутствуют W, Mo, Ti, Nb и др.
Это самая многочисленная группа жаропрочных (и жаростойких) сталей (см. ГОСТ 5632-72).
Таблица 1
Режимы термообработки и характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных сталей при нормальной температуре
Сталь
| Класс | Режим термообработки | Характеристики механических свойств | ||||||||
| Температура закалки или нормализации,°С | Охлаждающая среда | Температура отпуска (или отжига), °С | Охлаждающая среда | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ5, % | ψ, % | КСU,Дж/см2 | ||
| 12МХ(12ХМ) | Перлитный | 920 ± 10 | воздух | 680-690 | воздух | 420 | 260 | 21 | 45 | 60 |
| 15ХМ | 900-920 | воздух | 630-650 | — | 450 | 280 | 20 | 45 | 70 | |
| 12Х1МФ(12ХМФ,ЭИ575) | 960-980 | воздух | 740-760 | воздух | 480 | 260 | 21 | 55 | 100 | |
| 20ХМ | 860-880 | масло | 500-600 | воздух | 800 | 600 | 12 | 50 | 90 | |
| 25Х1МФ(ЭИ10) | 880-900 | масло | 640-660 | воздух | 900 | 750 | 14 | 50 | 60 | |
| 25Х2М1Ф(ЭИ723) | 1030-1060 | воздух | 680-720 | воздух | 900 | 750 | 10 | 40 | 30 | |
| 18Х3МВ(ЭИ578) | 960 ± 10 | масло | 660-680 | воздух | 650 | 450 | 18 | — | 120 | |
| 20Х3МВФ(ЭИ579) | 1030-1080 | масло | 660-700 | воздух | 900 | 750 | 12 | 40 | 80 | |
| 15Х5М | Мартенситный | 950-980 | воздух | 860 ± 20 | воздух | 450 | 220 | 20 | 50 | 120 |
| 15Х5 | — | воздух | 850-870 | воздух | 400 | 170 | 24 | 50 | 100 | |
| 15Х5ВФ* | — | воздух | 850-870 | с печью | 400 | 220 | 22 | 50 | 120 | |
| 40Х9С2(4Х9С2,ЭСХ8)* | — | воздух | 850-870 | с печью | 750 | 500 | 15 | 35 | — | |
| 40Х10С2М(ЭИ107) | 1050 | воздух или масло | 750±30 | масло | 950 | 750 | 10 | 35 | > 20 | |
| 15Х11МФ | 1095 | масло | 710 | воздух | 755 | 568-755 | 14 | 50 | 59 | |
| 18Х11МНФБ(ЭП291) | 1080-1130 | воздух, масло | 660-770 | воздух | 740 | 590-735 | 15 | 50 | 59 | |
| 20Х12ВНМФ(ЭП428) | 1010-1060 | масло | 660-770 | воздух | 740 | 590-755 | 14 | 45 | 54 | |
| 30Х13Н7С2(ЭИ72) | 1050+800 | вода, масло | 660-680 | воздух | 1200 | 800 | 18 | 25 | > 20 | |
| 11Х11Н2В2МФ | 1000-1020 | воздух или масло | 660-680 | воздух | 900 | 750 | 12 | 50 | 80 | |
| 16Х11Н2В2МФ(ЭИ962А) | 1000-1020 | то же | 550-590 | воздух | 1000 | 850 | 10 | 45 | 70 | |
| 20Х13(ЭЖ2) | 1000-1030 | то же | 680-720 | масло, воздух | 660 | 450 | 16 | 55 | 80 | |
| 13Х11Н2В2МФ-Ш(ЭИ961-Ш) | 1000-1020 | воздух, масло | 660-710 | воздух | 880 | 735 | 15 | 55 | 88 | |
| 12Х1 | Мартенситно-ферритный | 1020-1050 | воздух или масло | 700-750 | масло | 600 | 420 | 20 | 60 | 90 |
| 15Х11МФ | 1030-1100 | воздух | 700-740 | масло | 700 | 500 | 15 | 55 | 120 | |
| 15Х12ВНМФ(ЭИ802) | 1000-1020 | воздух, масло | 540-590 | воздух | 1080 | 930 | 13 | 55 | 88 | |
| 15Х11ВНМФ | 1010-1060 | масло | 660-770 | воздух | 740 | 590-735 | 14 | 45 | 54 | |
| 18Х12ВМБФР(ЭИ993) | 1050 | масло | 650-700 | воздух | 750 | 500 | 14 | 50 | 60 | |
| 18Х12ВМБФР-Ш(ЭИ993-Ш) | 1030-1050 | масло | 680-720 | воздух | 800 | 680 | 12 | 45 | 59 | |
| 15Х12В2МФ | 1050 | масло | 680 | воздух | 800 | 600 | 15 | 50 | 70 | |
| 20Х20Н14С2(ДИ911) | Аустенитно-ферритный | 1000-1150 | воздух, вода | — | — | 590 | 295 | 35 | 55 | — |
| 20Х23Н13(ЭИ319) | 1100-1150 | воздух, масло, вода | — | — | 490 | 295 | 35 | 50 | — | |
* Сталь применяется в отожженном состоянии
Таблица 2
Режимы термической обработки, пределы ползучести и длительной прочности легированных сталей перлитного и мартенситного классов, применяемых для длительной службы
| Сталь | Класс | Режим термообработки | Температура испытания,°С | Предел длительной прочности , МПа за время, ч | Предел ползучести, МПа, соответствующий 1% деформации за время, ч | |||||
| Температура закалки или нормализации,°С | Охлаждающая среда | Температура отпуска, °С | Охлаждающая среда | 10 000 | 100 000 | 10 000 | 100 000 | |||
| 12МХ(12ХМ) | Перлитный | 920 | воздух | 680-690 | воздух | 480 | 250 | 200 | 220 | 150 |
| 510 | 160 | 120 | — | 700 | ||||||
| 540 | 110 | 70 | — | 38 | ||||||
| 12Х1МФ(12ХМФ,ЭИ575) | 960-980 | воздух | 740-760 | воздух | 520 | 200 | 160 | 180 | 130 | |
| 560 | 140 | 108 | 118 | 84 | ||||||
| 580 | 120 | 90-100 | 90 | 62 | ||||||
| 25Х1МФ(ЭИ10) | 880-900 | масло | 640-660 | вода | 500 | 260-290 | — | — | 80 | |
| 550 | 100-150 | — | 90 | 30 | ||||||
| 25Х2М1Ф(ЭИ723) | 1050 | воздух | 680-700 | воздух | 550 | 180-220 | 140-480 | — | 70 | |
| 18Х3МВ(ЭИ578) | 900 ± 10 | масло | 660-680 | воздух | 450 | — | — | 230 | 160 | |
| 500 | — | — | 120 | — | ||||||
| 550 | — | — | 75 | — | ||||||
| 20Х3МВФ(ЭИ579) | 1030-1080 | масло | 660-700 | воздух | 500 | 340 | 300 | 180 | 150 | |
| 550 | 200 | 160 | 130 | 100 | ||||||
| 580 | 140 | 100 | — | 50 | ||||||
| 15Х5М | Мартенситный и мартенситно-ферритный, аустенитно-ферритный | 950-980 | воздух | 860 ± 20 | воздух | 480 | 180 | 150 | 105 | 70 |
| 540 | 100 | 75 | 65 | 40 | ||||||
| 15Х5ВФ* | — | 860 ± 10 | 500 | 120 | 92 | 85 | 60 | |||
| 550 | 90 | 70 | 50 | 38 | ||||||
| 600 | 65 | 52 | 38 | 28 | ||||||
| 20Х12ВНМФ(ЭП428) | 1010-1060 | масло | 660-770 | воздух | 450 | — | — | — | 274 | |
| 500 | 382 | 343 | — | — | ||||||
| 600 | 103 | 88 | — | 54 | ||||||
| 12Х13 | 1030-1050 | масло | 730-750 | воздух | 470 | 260 | 220 | — | — | |
| 500 | 220 | 190 | — | 57 | ||||||
| 530 | 190 | 160 | — | — | ||||||
| 13Х11Н2В2МФ-Ш(ЭИ961-Ш) | 1000-1020 | воздух, масло | 660-710 | воздух | 500 | 392 | s100 = 568 | — | — | |
| 550 | — | s100 = 441 | — | — | ||||||
| 600 | — | s100 = 294 | — | — | ||||||
| 15Х12ВНМФ(ЭИ802) | 1000 | масло | 680 | воздух | 550 | 250 | 220 | — | 100 | |
| 565 | 240 | 200 | — | 80-90 | ||||||
| 580 | 190 | 160 | — | 70-80 | ||||||
| 600 | 140-160 | 120 | — | 50-60 | ||||||
| 15Х11МФ | 1050 | воздух | 740 | — | 550 | 200 | 130-150 | — | 90-100 | |
| 600 | 100 | — | — | 40-50 | ||||||
| 18Х12ВМБФР(ЭИ993) | 1050 | масло | 650-700 | воздух | 560 | 250-300 | 220-260 | — | 150 | |
| 590 | 210-240 | 170-200 | — | 100 | ||||||
| 620 | 140 | 110 | — | 50 | ||||||
| 15Х12В2МФ | 1050 | масло | 680 | воздух | 575 | 170 | 150 | — | 75 | |
| 600 | 150 | 130 | — | 45 | ||||||
| 630 | 110 | 85 | — | — | ||||||
| 20Х20Н14С2(ДИ911) | 1000-1150 | воздух, вода | — | — | 875 | — | — | 9,8 | — | |
| 1000 | — | — | 1,4 | — | ||||||
| 20Х23Н13(ЭИ319) | 1100-1150 | воздух, масло, вода | — | — | 550 | 151 | 57 | — | — | |
- Сталь применяется в отожженном состоянии
Таблица 3
Примерное назначение низколегированных жаропрочных сталей перлитного класса
| Сталь | Назначение | Рабочая температура, ˚ С | Срок службы | Температура начала интенсивного окалинообразования, ˚ С |
| 12МХ(12ХМ) | Трубы паронагревателей, паропроводов и коллекторов энергетических установок; арматура паровых котлов и паропроводов | 500-510 | Весьма длительный | 570 |
| 15ХМ | 520-530 | 570 | ||
| 12Х1МФ(12ХМФ,ЭИ575) | 570-585 | 600 | ||
| 15Х1М1Ф | 570-585 | 600 | ||
| 18Х3МВ(ЭИ578) | Трубы для гидрогенизационных установок и нефтехимической аппаратуры | 450-500 | Длительный | 600 |
| 20Х3МВФ(ЭИ579) | 500-550 | 600 | ||
| 20Х3МВФ(ЭИ579) | Поковки (роторы, диски), болты | 530-560 | 600 | |
| 25Х1МФ(ЭИ10) | Крепежные детали (болты, шпильки), плоские пружины | 500-510 | Длительный | 600 |
| 25Х2М1Ф(ЭИ723) | 520-550 | 600 |
Таблица 4
Режимы термической обработки и характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей (при нормальной температуре)
| Сталь | Режим термообработки | Характеристики механических свойств | ||||||
| Температура закалки, °С. | Охлаждающая среда | Т , °С, длительность отпуска или старения | Временное сопротивление σв, МПа | Предел текучести σ0,2, МПа | Относительное удлинение δ5, % | Относительное сужение ψ, % | Ударная вязкость КСU, Дж/см2 | |
| 10Х11Н20Т3Р(ЭИ696) | 1150-1180 | воздух, масло | 750 (16 ч) | 850 | 500 | 10 | 15 | 30 |
| 10Х11Н23Т3МР-ВД (ЭП33ВД) | 1170-1200 | воздух | 750 (16-25 ч) | 900 | 600 | 8 | 10 | 30 |
| 37Х12Н8Г8МФБ-Ш (ЭИ-481Ш, 4Х12Н8Г8МФБ) | 1140-1160 | вода | 670 (12-14 ч) 770-800 (10-12 ч) | 850 | 600 | 15 | 20 | — |
| 45Х14Н14В2М(ЭИ69) | ** | 820 | 720 | 320 | 20 | 35 | 50 | |
| 09Х14Н18В2Б | 1110-1140 | воздух | * | 500 | 200 | 35 | — | — |
| 09Х14Н19В2БР(ЭИ695) | 1100-1150 | воздух | * | 500 | 220 | 38 | 50 | 140 |
| 09Х14Н19В2БР1(ЭИ695) | 1130-1160 | воздух | 750 | 520 | 220 | 30 | 44 | 120 |
| 37Х12Н8Г8МФБ-Ш (ЭИ-481Ш, 4Х12Н8Г8МФБ) | 1140 ± 10 | вода | 770-800 | 850 | 600 | 15 | 20 | 25 |
| 30Х13Г18Ф | 1150 ± 10 | вода | 700 (10 ч) | 700 | 360 | 30 | 40 | 80 |
| 08Х16Н13М2Б(ЭИ680) | 1100-1150 | вода, воздух | 750 | 560 | 220 | 40 | 50 | 120 |
| 10Х17Н13М2Т(ЭИ448) | 1050-1100 | вода | * | 520 | 220 | 40 | 55 | — |
| 08Х17Н15М3Т(ЭИ580) | 1050-1100 | воздух | * | 500 | 200 | 35 | 45 | — |
| 08Х15Н24В4ТР(ЭП164) | 1130-1150 | воздух | 730-750 | 750 | 450 | 20 | 35 | 80 |
| 08Х15Н24В4ТР(ЭП164) | ** | воздух | 700 (16 ч) | 700 | 400 | 15 | 30 | — |
| 12Х18Н9 | 1050-1100 | воздух, вода | 700 (20 ч) | 500 | 200 | 45 | 55 | — |
| 08Х18Н10Т(ЭИ914) | 1050-1100 | то же | 700 (20 ч) | 520 | 200 | 40 | 55 | — |
| 12Х18Н9Т | 1050-1100 | то же | 700 (20 ч) | 550 | 200 | 40 | 55 | — |
| 12Х18Н12Т | 1050-1100 | то же | 800 (10 ч) | 550 | 200 | 40 | 55 | — |
| 08Х18Н12Б(ЭИ402) | 1050-1100 | то же | * | 500 | 180 | 40 | 55 | — |
| 36Х18Н25С2 | 1100-1150 | воздух, масло, вода | * | 650 | 350 | 25 | 40 | — |
| 36Х18Н25С2 | 1200 | вода | 800 (8 ч) | 855 | 550 | 17 | 18 | 50 |
| 30Х19Н9МВБТ | 1150-1180 | воздух, вода | 750-800 | 680 | 350 | 35 | 40 | 60 |
| 31Х19Н9МВБТ(ЭИ572) | 1050 | вода | 750 (15 ч) | 680 | 350 | 25 | 25 | 70 |
| 55Х20Н4АГ9М | 1160-1190 | вода | 760-780 | 1000 | 650 | 8 | 10 | — |
| 20Х20Н14С2(ДИ911) | 1000-1100 | воздух, вода | * | 600 | 300 | 35 | 30 | — |
| 20Х23Н13(ЭИ319) | 1050-1150 | то же | * | 500 | 300 | 35 | 50 | — |
| 20Х23Н18(ЭИ-417) | 1100-1150 | то же | * | 500 | 200 | 35 | 50 | — |
| 20Х23Н18(ЭИ-417) | 1030-1130 | вода | * | 540 | 265 | 35 | — | — |
| 20Х25Н20С2(ЭИ283) | 1100-1150 | воздух, вода | * | 600 | 300 | 35 | 50 | — |
* Применяются без отпуска. **Без закалки
В марках этих сталей приняты следующие обозначения для легирующих элементов: А — N, Б — Nb, В — W, Г — Mn, К — Co, М — Mo, Н — Ni, P — B, C — Si, T — Ti, Ф — V, X — Cr, Ю — Al. Цифра после буквы указывает на округленное (среднемарочное) содержание этого элемента в процентах (при содержании менее 1 % цифру не пишут). Исключение — углерод, содержание которого первые две цифры марки выражают в десятых процента. Например, марка 45Х14Н14В2М(ЭИ69) следующего состава: 0,45 % С, 14 % Cr, 14 % Ni, 2 % W, и ≤ 1 % Мо. Характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей, а также оптимальные режимы термической обработки приведены в табл. 4.
В соответствии с особенностями легированного аустенита характеристики жаропрочных свойств аустенитных сталей более высокие (табл. 5), чем у жаропрочных сталей перлитного или мартенситного классов.
Сталь 08Х18Н10Т(ЭИ914) применяют как жаропрочную и жаростойкую. При температуре до 600 °С у стали стабильные механические свойства, она устойчива против межкристаллитной коррозии и хорошо сваривается. Сталь этой марки изготовляют в виде сортового проката, поковок, листа, труб для энергетического и химического оборудования. Аналогичные свойства у стали 12Х18Н12Т, которую применяют в тех же областях техники.
У хромоникельвольфрамовых аустенитных сталей (45Х14Н14В2М(ЭИ69)) повышенные жаропрочность и сопротивление усталости при высоких температурах. Сталь 45Х14Н14В2М(ЭИ69) находит применение для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Для длительных сроков службы при температурах 600-650 °С рекомендуется сталь того же типа с пониженным содержанием С (до 0,15 %).
Аустенитные стали применяют, как правило, для изготовления деталей, работающих при температурах 650-700 °С весьма длительное время. Механические свойства этих сталей при температуре 20 °С похожи, но пределы длительной прочности и ползучести отличаются весьма существенно (табл. 4, 5). Наиболее жаропрочные из них стали 09Х14Н19В2БР(ЭИ695)
и 09Х14Н19В2БР1(ЭИ695)
, которые применяют для изготовления пароперегревательных и паропроводных труб установок сверхвысокого давления.
Хромомарганцевые стали марок 30Х13Г18Ф и 37Х12Н8Г8МФБ-Ш (ЭИ-481Ш, 4Х12Н8Г8МФБ) — заменители жаропрочных сталей с более высоким содержанием никеля. Эти стали имееют достаточно высокую длительную прочность при температурах 500-650 °С.
Таблица 5
Пределы ползучести и длительной прочности жаропрочных аустенитных сталей, применяемых для длительной службы*
| Сталь | Температура, °С | Предел длительной прочности , МПа за время, ч | Предел ползучести , МПа, соответствующий 1 % деформации за время, ч | ||
| 10 000 | 100 000 | 10 000 | 100 000 | ||
| 09Х14Н18В2Б | 600 | 180 | 140 | 120 | 110 |
| 650 | 140 | 110 | 105 | 85 | |
| 700 | 90 | 65 | 60 | 50 | |
| 09Х14Н19В2БР(ЭИ695) | 650 | 168 | 130 | 140 | 110 |
| 700 | 125 | 95 | 85 | 65 | |
| 750 | 70 | 55 | — | — | |
| 09Х14Н19В2БР1(ЭИ695) | 600 | 260 | 230 | 250 | 170 |
| 650 | 215 | 190 | 200 | 140 | |
| 700 | 170 | 140 | 120 | 85-90 | |
| 12Х18Н10Т | 600 | 150 | 110 | — | 75 |
| 650 | 80-100 | — | — | 30-40 | |
| 30Х19Н9МВБТ | 600 | 240 | 220 | — | 110 |
| 650 | 170 | 150 | — | 80 | |
| 12Х18Н12Т | 600 | 170 | 135 | — | — |
| 650 | 105 | 75 | — | — | |
| 08Х16Н13М2Б(ЭИ680) | 600 | 200 | 150 | 140-170 | 90-120 |
| 650 | 130 | 60**-90 | 100-120 | 50-70 | |
| 700 | 60-70 | 30-50 | 60 | 20 | |
| 10Х17Н13М2Т(ЭИ448) | 550 | 280 | 240 | — | 110 |
| 600 | 180 | 130 | 110 | 60 | |
| 650 | 110 | 70 | 90 | 50 | |
| 700 | 40/80** | 30 | 55** | 28** | |
| 20Х20Н14С2(ДИ911) | 650 | — | — | 65 | — |
| 700 | — | — | 30 | — | |
| 800 | — | — | 10 | — | |
| 20Х23Н13(ЭИ319) | 550 | 240 | 200 | 150 | 60 |
| 600 | 190 | 150 | 70-80** | 50** | |
| 650 | 110 | 70 | 50-60** | 30** | |
| 700 | 60 | 36 | 30 | 14 | |
| 20Х23Н18(ЭИ-417) | 600 | 150** | 100 | 90 | 60** |
| 650 | 110 | 60**-80 | 50-60 | 40**-54 | |
| 700 | 50**-60 | 35 | 35 | 28**-35 | |
| 800 | 21 | 12-21 | — | 7**-12 | |
| 20Х25Н20С2(ЭИ283) | Почти как у стали 20Х23Н18(ЭИ-417) | ||||
* Режимы термической обработки см. табл. 4.
** Данные из зарубежных источников для сталей близкого химического состава.
Сплавы на железо-никелевой основе
Сплавы на железо-никелевой основе могут быть разделены на две группы: 1) с содержанием 14-16 % Cr и 32-38 % Ni и 2) с содержанием 20-25 % Cr и 25-45 % Ni (либо Ni + Mn). Сплавы первой группы дополнительно легированы вольфрамом и титаном и обладают высокой (приблизительно равной) жаропрочностью (табл. 6). Сплавы второй группы благодаря повышенному содержанию Cr жаростойкие, по жаропрочным свойствам они уступают сплавам первой группы, например, сплав ХН38ВТ(ЭИ703).
Сплавы ХН35ВТ(ЭИ612), ХН35ВМТ, ХН35ВТЮ(ЭИ787) поставляют преимущественно в виде горячекатаных и кованных прутков и полос, а также поковок. Из сплавов ХН35В5Т, ХН38ВТ(ЭИ703) и 12Х25Н16Г7АР(ЭИ835), в основном, изготовляют горячекатаный и холоднокатаный лист и ленту, а из сплава ХН45Ю(ЭП747) — также и трубы. В основном, сплавы на железо-никелевой основе применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин.
Сплавы на никелевой основе
Сплавы на никелевой основе подразделяют на две группы (см. ГОСТ 5632-72): 1) сплавы, применяемые преимущественно как жаропрочные, и 2) жаростойкие сплавы, обладающие необходимым минимумом жаропрочности (табл. 7).
Таблица 6
Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на железо-никелевой основе *1
| Сталь | Температура, °С | Предел длительной прочности, МПа за время ,ч | Предел ползучести*3, , МПа | ||||
| 100 | 500 | 1000 | 10 000*2 | 100 000*2 | |||
| ХН30ВМТ(ЭП437,ВЖ102) | 650 | 370 | — | 290 | 230 | 180 | 210 (1/104);14 (1/105) |
| 700 | 280 | — | 220 | 180 | 140 | ||
| 800 | 150-170 | — | 100-110 | 68 | — | ||
| ХН35ВТ(ЭИ612) | 600 | — | — | 320 | 270 | 230 | |
| 650 | — | — | 220-230 | 190-200 | 150-160 | 170 (1/104);130(1/105) | |
| 700 | — | — | 140 | 95 | 65 | 110 (1/104);80 (1/105) | |
| ХН35ВТЮ(ЭИ787) | 600 | 650-680 | 550-580 | 520-550 | 420-450 | — | |
| 700 | 380-400 | 320-340 | 280-320 | 240-260 | — | ||
| 750 | 300-340 | 240-300 | 200-270 | 170-230 | — | 250 (0,2/100) | |
| 800 | 210-240 | 150-180 | 120-160 | — | — | 130 (0,2/100) | |
| ХН35В5Т | 650 | — | — | 280 | 200 | 160 | 180 (1/104);130 (1/105) |
| 700 | — | — | 200 | 150 | 120 | 120 (1/104);90 (1/105) | |
| 750 | 200 | — | 150 | 110 | 80 | 80 (1/104);60 (1/105) | |
| ХН38ВТ(ЭИ703) | 800 | 80-90 | — | 52 | — | — | 63 (5/100)*4 |
| 900 | 30-40 | — | — | — | — | 21 (5/100)*4 | |
| 1000 | — | — | — | — | — | 9 (5/100)*4 | |
| ХН45Ю(ЭП747) | 1000 | 20 | — | — | — | — | |
| 1100 | 9 | — | 5 | — | — | ||
| 1200 | 5 | — | 2,5 | — | — | ||
*1 После оптимальной термической обработки.
*2 Экстраполированные значения.
*3 В скобках в числителе — деформация в %, в знаменателе — время в ч.
*4 Определено на конических образцах.
Таблица 7
Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на никелевой основе*1
| Сталь | Температура, °С | Предел длительной прочности, , МПа за время, ч | Пределы ползучести*3 , , МПа | ||||
| 100 | 200 | 300 | 1000 | 10 000*2 | |||
| ХН65ВМТЮ(ЭИ893) | 700 | > 600 | — | — | 400 | 300 | 300 (1/10 000) |
| 750 | 500 | — | — | 330 | 230 | 200(1/10 000) | |
| 800 | 300 | — | — | 200 | 140 | 120 (1/10 000) | |
| ХН70ВМЮТ(ЭИ765) | 600 | 780 | 750 | 740 | 650 | 530 | — |
| 700 | 450-500 | 420-470 | 400-450 | 310-350 | 220-240 | 200 (1/10 000) | |
| 800 | 220-250 | 210-230 | 190-220 | 140-160 | — | 80 (1/10 000) | |
| ХН70ВМТЮ(ЭИ617) | 700 | 480-520 | — | 420 | 360 | — | 300 (0,2/100) |
| 800 | 280-300 | — | 210 | 180 | — | 170 (0,2/100) | |
| 850 | 180-200 | — | — | 100 | — | 170 (0,2/100) | |
| ХН80ТБЮ(ЭИ407) | 650 | — | — | — | 400 | 300-260 | 350 (1/10 000) |
| 700 | — | — | — | 270 | 170-180 | 220 (1/10 000) | |
| ХН70МВТЮБ(ЭИ598) | 700 | 480 | 420 | — | — | — | 180 (0,2/100) |
| 800 | 250 | 230 | — | — | — | — | |
| ХН67МВТЮ(ЭП202) | 700 | 480-520 | — | 380-420 | 360-390 | 280-320 | 360 (1/1 000) |
| 800 | 280-300 | — | 230-250 | 180-200 | 120-150 | — | |
| 850 | 180-200 | — | 140-160 | 110-130 | 70-80 | — | |
| 900 | 120-140 | — | 90-100 | 70-80 | 40-45 | 60 (1/1 000) | |
| ХН75МБТЮ(ЭИ602) | 700 | 160-170 | 150 | — | — | — | — |
| 800 | 80 | 70 | — | — | — | 43 (5/100)*4 | |
| 900 | 29 | 22 | — | — | — | 14 (5/100)*4 | |
| ХН78Т(ЭИ435) | 700 | 105 | — | — | 32-35 | — | — |
| 800 | 45 | — | — | — | — | 18(5/100)*4 | |
| 900 | 15 | — | — | — | — | 7 (5/100)*4 | |
| ХН77ТЮР(ЭИ437Б) | 600 | 680 | 660 | — | — | 450 | 720 (0,2/100) |
| 700 | 420 | 400 | — | 350 | 180 | 260 (0,2/100) | |
| 800 | 200 | — | — | 150 | — | 150 (0,2/100) | |
| ХН60Ю(ЭИ559А) | 800 | 60-80 | — | — | 40-50 | — | — |
| 900 | 35 | — | — | 20 | — | 24 (0,2/100) | |
| 1000 | 6 | — | — | — | — | 10 (0,2/100) | |
| ХН60ВТ(ЭИ868) | 800 | 110 | 95 | 87 | — | — | 83 (5/100)*4 |
| 900 | 52 | 43 | 40 | — | — | 34 (5/100)*4 | |
| ХН70Ю(ЭИ652) | 800 | 90-100 | — | 80 | — | — | — |
| 900 | 35-40 | — | — | — | — | 25 (5/100)*4 | |
| ХН75ВМЮ(ЭИ827) | 850 | 270 (не менее 50 ч); 250 (не менее 65 ч) | |||||
*1 После оптимальной термической обработки.
*2 Экстраполированные значения.
*3 В скобках в числителе — деформация в %, в знаменателе — время в ч.
*4 Определено на конических образцах.
Наиболее часто применяемые сплавы первой группы относятся к системе Ni-Cr-Ti-Al. Присутствие в этих сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650-950 °С, позволяет достигнуть после закалки и отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения, благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni3(Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым против температурного воздействия при 700-800 °С и выше.
Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы этой группы W и Мо (в сумме до 10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет развитие диффузионных процессов и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем увеличения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800-850 °С и высоких напряжениях.
К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них небольших добавок поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также небольшое содержание в них примесей (S, P, Pb, др.).
Термическая обработка этих сплавов заключается в одинарном или двойном нагреве до высоких температур (1080-1200 °С) с охлаждением чаще всего на воздухе и последующем отпуске при температурах 700-850 °С. Для наибольшей стабилизации исходной структуры применительно к деталям с длительным сроком службы рекомендуется проводить многоступенчатый отпуск при постепенно понижающейся температуре.
Жаропрочные никелевые сплавы изготовляют в виде сортового проката (прутки круглого сечения) и частично в виде поковок различной конфигурации.
Основное назначение этой группы высоколегированных сплавов — изготовление рабочих лопаток и дисков газовых турбин. Диски работают при более высоких напряжениях, чем лопатки (но при несколько пониженной температуре), поэтому материал диска должен иметь высокое сопротивление ползучести (особенно на ободе) и повышенную прочность (в ступичной части).
Прочность сплавов на никелевой основе сохраняется высокой вплоть до температур 800-900 °С. Так, при 800 °С временное сопротивление σв наиболее легированных сплавов составляет 700-800 МПа, 100-часовая длительная прочность — 250-300 МПа. В то же время характеристики пластичности δ и ψ удовлетворительны при всех температурах испытания и несколько снижаются в температурном интервале дисперсионного твердения (700-800 °С). Остаточная деформация этих сплавов при испытаниях на длительную прочность при 700-800 °С порядка 3-10 %.
В табл. 7 приведены характеристики жаропрочности никелевых сплавов.
Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности у сплава ХН65ВМТЮ(ЭИ893), получившего широкое применение как материал для лопаточного аппарата стационарных газовых турбин ГТ-6, ГТН-9, ГТК-10, ГТК-16, ГТТ-12, ГТА-18, ГТУ-25, ГТУ-100. Этот сплав — основной лопаточный материал в стационарном газотурбостроении. Кроме того, благодаря исключительно высокой релаксационной стойкости этот сплав применяют для изготовления крепежных деталей турбин.
Из жаропрочных никелевых сплавов можно получать детали методом отливки (например, точным литьем по выплавляемым моделям).
Ко второй группе относятся сплавы марок ХН67МВТЮ(ЭП202), ХН60Ю(ЭИ559А), ХН70Ю(ЭИ652), ХН78Т(ЭИ435), ХН60ВТ(ЭИ868), ХН75МБТЮ(ЭИ602), применяемые преимущественно как жаростойкие. Эти сплавы, за исключением двух последних, отличаются высоким содержанием Cr (20-30 %) и практически гомогенной структурой твердого раствора после принятых режимов термической обработки (нагрев до 1000-1200 °С с охлаждением в воде или на воздухе). Эти сплавы выпускают в виде холоднокатаного или горячекатаного листа преимущественно для деталей газопроводных систем, работающих при умеренных напряжениях в условиях весьма высоких температур (до 1100-1200 °С). У этих деталей кроме достаточной технологичности (прокатываемость, штампуемость, свариваемость) и высокого сопротивления газовой коррозии (окалиностойкость) должно быть хорошее сопротивление термической усталости (термостойкость). Всем этим требованиям отвечают сплавы на никелевой основе.
У жаростойких листовых никелевых сплавов повышена пластичность в холодном и горячем состоянии, но жаропрочность ниже, чем у сплавов первой группы. Так, длительная прочность за 1000 ч составляет 40-60 МПа при 800 °С и 20-25 МПа при 900 °С (табл. 7).
Предел прочности металла
Предел прочности меди
. При комнатной температуре предел прочности отожжённой технической меди σВ=23 кгс/мм 2 [8]. С ростом температуры испытания предел прочности меди уменьшается. Легирующие элементы и примеси различным образом влияют на предел прочности меди, как увеличивая, так и уменьшая его.
Предел прочности алюминия
. Отожжённый алюминий технической чистоты при комнатной температуре имеет предел прочности σВ=8 кгс/мм 2 [8]. С повышением чистоты прочность алюминия уменьшается, а пластичность увеличивается. Например, литой в землю алюминий чистотой 99,996% имеет предел прочности 5 кгс/мм 2 . Предел прочности алюминия уменьшается естественным образом при повышении температуры испытания. При понижении температуры от +27 до -269°C временное сопротивление алюминия повышается – в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого алюминия. Легирование повышает прочность алюминия.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Механические свойства
характеризуют способность материала сопротивляться внешним механическим воздействиям. К основным механическим свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и др.
Основные характеристики механических свойств сплавов цветных металлов:
Для стальных и железобетонных конструкций применяются углеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности. Стали для конструкций классифицируются по способу выплавки, технологии раскисления, химическому составу, способу упрочнения, качеству и назначению, а также по прочности.
По способу выплавки стали делятся на мартеновские, кислородно-конверторные и бессемеровские; по технологии раскисления — на спокойные, полуспокойные и кипящие (в том числе закупоренные кипящие); по способу упрочнения — на холоднодеформированные и термически обработанные (термоупрочненные).
Сталь по назначению подразделяется: на сталь общего назначения — углеродистая горячекатаная обыкновенного качества и сталь разных назначений — углеродистая горячекатаная повышенного качества (низколегированная) и высокой прочности.
Установлены следующие классы прочности стали (по значениям временного сопротивления и предела текучести): С 38/23, С 44/30, С 46/34, С 52/40, С 60/45, С 70/60.
Предел пропорциональности σпц — напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и удлинениями достигает некоторой устанавливаемой техническими условиями или стандартом величины (например, уменьшения тангенса угла наклона касательной к диаграмме растяжения по отношению к оси деформаций на 20 или 33% своего первоначального значения).
Предел упругости σуп — напряжение, при котором остаточные удлинения достигают некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями или стандартом (например, 0,001; 0,01% и т. д.). Иногда предел упругости обозначается соответственно допуску σ0,001; σ0,01 и т. д.
Предел текучести σт для материалов, имеющих площадку текучести (малоуглеродистая сталь), определяется как напряжение, соответствующее нижней точке площадки текучести; для материалов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2%.
Временное сопротивление (предел прочности) σв — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади сечения образца. Временное сопротивление можно отождествлять с пределом прочности только для хрупких материалов, разрушающихся без образования шейки. Для пластичных материалов это характеристика своеобразной потери устойчивости при растяжении, т. е. характеристика сопротивления значительным пластическим деформациям.
Относительное удлинение при разрыве δ — отношение (обычно в %) приращения расчетной длины образца после разрыва к ее исходной величине. Для длинного круглого образца (lрасч=10d) – δ10; для короткого образца (lрасч=5d) – δ5.
Относительное сужение при разрыве ψ — отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения образца.
Условный предел текучести при изгибе σт.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба, при котором остаточное удлинение наиболее напряженного крайнего волокна достигает 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при изгибе σв.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба и соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей излому образца.
Условный предел текучести при кручении τ0,2, τт — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при кручении τв — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения и соответствующее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.
Твердость по Бринеллю НВ — твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка. Для некоторых материалов существует приблизительно прямая пропорциональность между твердостью НВ и временным сопротивлением; например, для углеродистых сталей σв ≈ 0,36 НВ.
Твердость по Роквеллу HRC, HRB — твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению оставшейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.
Твердость по Виккерсу HV — твердость материала, определяемая путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров и вычисляемая как частное от деления стандартной нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка.
Предел ползучести (условный) — длительно действующее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток Бремени при данной температуре не превышает величины, установленной техническими условиями.
Предел длительной прочности — напряжение, вызывающее разрушение образца после заданного срока его непрерывного действия при определенной температуре.
Предел выносливости — наибольшее периодически изменяющееся напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при большом числе циклов, заданном техническими условиями (например, 106; 107; 108). Обозначается при симметричном цикле σ-1 (изгиб), σ-1p (растяжение-сжатие), τ-1 (кручение), при пульсирующем цикле (напряжения меняются от нуля до максимума) соответственно σ0, σ0p и τ0.
Ударная вязкость ak — работа, затраченная на разрушение образца при ударном изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.
Упругое последействие: прямое — постепенное увеличение деформации после быстрого прекращения роста нагрузки; обратное — сохранение или медленное уменьшение деформации после быстрого снятия нагрузки или остановки разгрузки.
Наклеп — упрочнение металла, происходящее благодаря пластической деформации при процессах холодной обработки (холодной прокатке, вытяжке, волочении).
Старение (механическое) — самопроизвольное длительное изменение механических свойств стали после наклепа, вызванное фазовыми превращениями. Различают естественное старение, протекающее при комнатной температуре, и искусственное старение — при повышенных температурах.
Разрушение стали возможно вязкое (пластичное) — от сдвига, хрупкое — от отрыва. В обоих случаях разрушение состоит в нарушении целостности, в разрыве. Нарушение сплошности может возникнуть при условии накопления энергии, отвечающей величине поверхностной энергии на поверхностях нарушения целостности, и в соответствии с этим расстояние между атомами должно достичь критических величин, при которых происходит нарушение связи между ними.
Работа разрушения — величина всей площади диаграммы растяжения образца в координатах Р-∆l; упругая работа — площадь упругой части той же диаграммы; удельная работа — работа, приходящаяся на единицу объема рабочей части образца и соответствующая площади диаграммы растяжения в координатах σ-ε.
Удельный вес в расчетах принимают равным для стали 7,85, для чугуна 7,2; удельный вес стали с содержанием 0,1% С — 7,06 (в жидком состоянии).
Модуль упругости E стали и другие упругие константы практически не зависят от величины зерна, структуры, соотношений между объемами феррита и перлита, от содержания углерода и других легирующих добавок.
Модуль упругости для прокатной стали, литья, горячекатаной арматуры из сталей марок Ст.5 и Ст.3 Е=2,1·106 кГ/см2; для сталей 30ХГ2С и 25Г2С E=2·106 кГ/см2. Для холоднотянутой круглой и периодического профиля проволоки, а также для холодно-сплющенной арматуры E=1,8·106 кГ/см2.
Для пучков и прядей высокопрочной проволоки (с параллельным расположением проволок) Е=2·106 кГ/см2; для канатов стальных спиральных и канатов (тросов) с металлическим сердечником Е=1,5·104 кГ/см2; для тросов с органическим сердечником E=1,3·106 кГ/см2.
Для отливок из серого чугуна марок СЧ28-48, СЧ24-44, СЧ21-40 и СЧ18-36 E=1·106 кГ/см2.
Модуль сдвига для прокатной стали G=8,4·106 кГ/см2.
Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) μ=0,3.
Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
— статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
— динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
— циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
1. Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности
(σв),
предел текучести
(σт),
относительное удлинение
(δ) и
относительное сужение
(ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).
Механические свойства
характеризуют способность материала сопротивляться внешним механическим воздействиям. К основным механическим свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и др.
Основные характеристики механических свойств сплавов цветных металлов:
Для стальных и железобетонных конструкций применяются углеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности. Стали для конструкций классифицируются по способу выплавки, технологии раскисления, химическому составу, способу упрочнения, качеству и назначению, а также по прочности.
По способу выплавки стали делятся на мартеновские, кислородно-конверторные и бессемеровские; по технологии раскисления — на спокойные, полуспокойные и кипящие (в том числе закупоренные кипящие); по способу упрочнения — на холоднодеформированные и термически обработанные (термоупрочненные).
Сталь по назначению подразделяется: на сталь общего назначения — углеродистая горячекатаная обыкновенного качества и сталь разных назначений — углеродистая горячекатаная повышенного качества (низколегированная) и высокой прочности.
Установлены следующие классы прочности стали (по значениям временного сопротивления и предела текучести): С 38/23, С 44/30, С 46/34, С 52/40, С 60/45, С 70/60.
Предел пропорциональности σпц — напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и удлинениями достигает некоторой устанавливаемой техническими условиями или стандартом величины (например, уменьшения тангенса угла наклона касательной к диаграмме растяжения по отношению к оси деформаций на 20 или 33% своего первоначального значения).
Предел упругости σуп — напряжение, при котором остаточные удлинения достигают некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями или стандартом (например, 0,001; 0,01% и т. д.). Иногда предел упругости обозначается соответственно допуску σ0,001; σ0,01 и т. д.
Предел текучести σт для материалов, имеющих площадку текучести (малоуглеродистая сталь), определяется как напряжение, соответствующее нижней точке площадки текучести; для материалов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2%.
Временное сопротивление (предел прочности) σв — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади сечения образца. Временное сопротивление можно отождествлять с пределом прочности только для хрупких материалов, разрушающихся без образования шейки. Для пластичных материалов это характеристика своеобразной потери устойчивости при растяжении, т. е. характеристика сопротивления значительным пластическим деформациям.
Относительное удлинение при разрыве δ — отношение (обычно в %) приращения расчетной длины образца после разрыва к ее исходной величине. Для длинного круглого образца (lрасч=10d) – δ10; для короткого образца (lрасч=5d) – δ5.
Относительное сужение при разрыве ψ — отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения образца.
Условный предел текучести при изгибе σт.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба, при котором остаточное удлинение наиболее напряженного крайнего волокна достигает 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при изгибе σв.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба и соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей излому образца.
Условный предел текучести при кручении τ0,2, τт — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при кручении τв — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения и соответствующее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.
Твердость по Бринеллю НВ — твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка. Для некоторых материалов существует приблизительно прямая пропорциональность между твердостью НВ и временным сопротивлением; например, для углеродистых сталей σв ≈ 0,36 НВ.
Твердость по Роквеллу HRC, HRB — твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению оставшейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.
Твердость по Виккерсу HV — твердость материала, определяемая путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров и вычисляемая как частное от деления стандартной нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка.
Предел ползучести (условный) — длительно действующее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток Бремени при данной температуре не превышает величины, установленной техническими условиями.
Предел длительной прочности — напряжение, вызывающее разрушение образца после заданного срока его непрерывного действия при определенной температуре.
Предел выносливости — наибольшее периодически изменяющееся напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при большом числе циклов, заданном техническими условиями (например, 106; 107; 108). Обозначается при симметричном цикле σ-1 (изгиб), σ-1p (растяжение-сжатие), τ-1 (кручение), при пульсирующем цикле (напряжения меняются от нуля до максимума) соответственно σ0, σ0p и τ0.
Ударная вязкость ak — работа, затраченная на разрушение образца при ударном изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.
Упругое последействие: прямое — постепенное увеличение деформации после быстрого прекращения роста нагрузки; обратное — сохранение или медленное уменьшение деформации после быстрого снятия нагрузки или остановки разгрузки.
Наклеп — упрочнение металла, происходящее благодаря пластической деформации при процессах холодной обработки (холодной прокатке, вытяжке, волочении).
Старение (механическое) — самопроизвольное длительное изменение механических свойств стали после наклепа, вызванное фазовыми превращениями. Различают естественное старение, протекающее при комнатной температуре, и искусственное старение — при повышенных температурах.
Разрушение стали возможно вязкое (пластичное) — от сдвига, хрупкое — от отрыва. В обоих случаях разрушение состоит в нарушении целостности, в разрыве. Нарушение сплошности может возникнуть при условии накопления энергии, отвечающей величине поверхностной энергии на поверхностях нарушения целостности, и в соответствии с этим расстояние между атомами должно достичь критических величин, при которых происходит нарушение связи между ними.
Работа разрушения — величина всей площади диаграммы растяжения образца в координатах Р-∆l; упругая работа — площадь упругой части той же диаграммы; удельная работа — работа, приходящаяся на единицу объема рабочей части образца и соответствующая площади диаграммы растяжения в координатах σ-ε.
Удельный вес в расчетах принимают равным для стали 7,85, для чугуна 7,2; удельный вес стали с содержанием 0,1% С — 7,06 (в жидком состоянии).
Модуль упругости E стали и другие упругие константы практически не зависят от величины зерна, структуры, соотношений между объемами феррита и перлита, от содержания углерода и других легирующих добавок.
Модуль упругости для прокатной стали, литья, горячекатаной арматуры из сталей марок Ст.5 и Ст.3 Е=2,1·106 кГ/см2; для сталей 30ХГ2С и 25Г2С E=2·106 кГ/см2. Для холоднотянутой круглой и периодического профиля проволоки, а также для холодно-сплющенной арматуры E=1,8·106 кГ/см2.
Для пучков и прядей высокопрочной проволоки (с параллельным расположением проволок) Е=2·106 кГ/см2; для канатов стальных спиральных и канатов (тросов) с металлическим сердечником Е=1,5·104 кГ/см2; для тросов с органическим сердечником E=1,3·106 кГ/см2.
Для отливок из серого чугуна марок СЧ28-48, СЧ24-44, СЧ21-40 и СЧ18-36 E=1·106 кГ/см2.
Модуль сдвига для прокатной стали G=8,4·106 кГ/см2.
Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) μ=0,3.
Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
— статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
— динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
— циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
1. Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности
(σв),
предел текучести
(σт),
относительное удлинение
(δ) и
относительное сужение
(ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).
Предел прочности сталей
В качестве примера представлены значения предела прочности некоторых сталей. Эти значения взяты из государственных стандартов и являются рекомендуемыми (требуемыми). Реальные значения предела прочности сталей, равно как и чугунов, а также других металлических сплавов зависят от множества факторов и должны определяться при необходимости в каждом конкретном случае.
Для стальных отливок, изготовленных из нелегированных конструкционных сталей, предусмотренных стандартом (стальное литьё, ГОСТ 977-88), предел прочности стали при растяжении составляет примерно 40-60 кг/мм 2 или 392-569 МПа (нормализация или нормализация с отпуском), категория прочности К20-К30. Для тех же сталей после закалки и отпуска регламентируемые категории прочности КТ30-КТ40, значения временного сопротивления уже не менее 491-736 МПа.
Для конструкционных углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-88, прокат размером до 80 мм, после нормализации):
- Предел прочности стали 10
: сталь 10 имеет предел кратковременной прочности 330 МПа. - Предел прочности стали 20
: сталь 20 имеет предел кратковременной прочности 410 МПа. - Предел прочности стали 45
: сталь 45 имеет предел кратковременной прочности 600 МПа.
Категории прочности сталей
Категории прочности сталей (ГОСТ 977-88) условно обозначаются индексами «К» и «КТ», после индекса следует число, которое представляет собой значение требуемого предела текучести. Индекс «К» присваивается сталям в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии. Индекс «КТ» присваивается сталям после закалки и отпуска.
Испытания на длительную прочность
Предел ползучести характеризует напряжение, под действием которого материал может длительное время работать, не подвергаясь значительной деформации. Однако он ничего не говорит о сопротивлении материала разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения. Для оценки этой сопротивляемости проводят специальные испытания на длительную прочность (ГОСТ 10145 – 81). В результате испытаний определяют предел длительной прочности
– условное напряжение, под действием которого материал при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени.
Иногда предел длительной прочности не рассчитывают, ограничиваясь установлением соответствия между временем до разрушения (долговечностью
) под действием заданного напряжения и нормой времени, устанавливаемой стандартом или техническими условиями на металлопродукцию.
Методика проведения испытаний близка к методике испытаний на ползучесть. Используются те же схемы нагружения (обычно растяжение) и те же испытательные машины. Основные цилиндрические образцы стандартизованы. Они должны иметь рабочую часть диаметром d
0= 5, 7 или 10 мм и расчетную длину
l
0=5
d
0 или 10
d
0. Допускаются другие пропорциональные образцы, но их диаметр должен быть не меньше 3 мм. У плоских образцов
l
0= 5,65,
где F
0 – начальная площадь поперечного сечения. Конструкция головок и способ их крепления в захватах аналогичны применяемым при испытаниях на ползучесть.
Абсолютные размеры образцов могут заметно сказываться на характеристиках длительной прочности, в первую очередь из-за разного отношения их поверхности к объему. У образцов малого диаметра поверхностный слой, в котором преимущественно образуются трещины, относительно более развит, и поэтому их долговечность может быть ниже, чем у больших образцов.
Для определения предела длительной прочности необходимо провести испытание нескольких, по крайней мере пяти-шести образцов при разных напряжениях. Основным результатом испытания каждого образца является время до разрушения τр при заданном напряжении σ. Связь между τр и σ хорошо апроксимируется уравнением
τр = B
σ-m, (2.40)
где B
и m – коэффициенты.
В логарифмических координатах эта зависимость прямолинейна и, следовательно, дает возможность экстраполировать результаты на более длительное время. Определив время до разрушения образцов, находившихся под напряжением, заведомо большим предполагаемого предела длительной прочности (чтобы сократить время испытания), строят по экспериментальным точкам прямую lg σ – lg τр и после ее экстраполяции до заданного времени оценивают величину этого предела (рис. 2.85, кривая l
). По стандарту рекомендуемый допуск по времени составляет от 50 до 10000 ч и определяется, как и в случае предела ползучести, требованиями к испытываемому материалу.
Иногда зависимость lg σ – lg τр имеет точку перелома (см. рис. 2.85, кривая 2
). Она соответствует переходу от внутрикристаллитного или смешанного разрушения к полностью межкристаллитному разрушению при низких напряжениях. В таких случаях экстраполяцию можно проводить, если надежно установлен наклон прямой в области межкристаллитного разрушения.
Обработку первичных результатов испытаний и определение предела длительной прочности, как и предела ползучести, следует проводить с использованием статических методов. В частности, построение прямых в логарифмических координатах (lgσ – lgv
п.уст., lgσ — lgτр) нужно выполнять методом наименьших квадратов с оценкой величины доверительного интервала.
Обозначение предела длительной прочности σ сопровождается двумя индексами: вверху записывают температуру испытания, °C, внизу – заданную долговечность, ч. Например, σ- предел 1000-ч прочности при 900°C.
Помимо предела длительной прочности, в этих испытаниях оценивают характеристики пластичности – относительное удлинение и сужение. Часто деформация фиксируется и в процессе испытания. В результате может быть построена полная кривая ползучести, а по ней определена величина относительного удлинения к концу стадии установившейся ползучести (см. рис. 2.80, δпл). Эту величину считают характеристикой запаса длительной пластичности материала, она обычно значительно меньше конечного удлинения на стадии разрушения.
При высокотемпературных испытаниях на длительную прочность, когда образцы доводят до разрушения, каждый из них последовательно проходит все три стадии ползучести и величина предела длительной прочности определяется поведением материала на всех стадиях, в том числе на стадии разрушения. Факторы, препятствующие развитию пор и трещин, способствуют повышению предела длительной прочности. Таким образом, предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения.
Предел ползучести характеризует напряжение, под действием которого материал может длительное время работать, не подвергаясь значительной деформации. Однако он ничего не говорит о сопротивлении материала разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения. Для оценки этой сопротивляемости проводят специальные испытания на длительную прочность (ГОСТ 10145 – 81). В результате испытаний определяют предел длительной прочности
– условное напряжение, под действием которого материал при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени.
Иногда предел длительной прочности не рассчитывают, ограничиваясь установлением соответствия между временем до разрушения (долговечностью
) под действием заданного напряжения и нормой времени, устанавливаемой стандартом или техническими условиями на металлопродукцию.
Методика проведения испытаний близка к методике испытаний на ползучесть. Используются те же схемы нагружения (обычно растяжение) и те же испытательные машины. Основные цилиндрические образцы стандартизованы. Они должны иметь рабочую часть диаметром d
0= 5, 7 или 10 мм и расчетную длину
l
0=5
d
0 или 10
d
0. Допускаются другие пропорциональные образцы, но их диаметр должен быть не меньше 3 мм. У плоских образцов
l
0= 5,65,
где F
0 – начальная площадь поперечного сечения. Конструкция головок и способ их крепления в захватах аналогичны применяемым при испытаниях на ползучесть.
Абсолютные размеры образцов могут заметно сказываться на характеристиках длительной прочности, в первую очередь из-за разного отношения их поверхности к объему. У образцов малого диаметра поверхностный слой, в котором преимущественно образуются трещины, относительно более развит, и поэтому их долговечность может быть ниже, чем у больших образцов.
Для определения предела длительной прочности необходимо провести испытание нескольких, по крайней мере пяти-шести образцов при разных напряжениях. Основным результатом испытания каждого образца является время до разрушения τр при заданном напряжении σ. Связь между τр и σ хорошо апроксимируется уравнением
τр = B
σ-m, (2.40)
где B
и m – коэффициенты.
В логарифмических координатах эта зависимость прямолинейна и, следовательно, дает возможность экстраполировать результаты на более длительное время. Определив время до разрушения образцов, находившихся под напряжением, заведомо большим предполагаемого предела длительной прочности (чтобы сократить время испытания), строят по экспериментальным точкам прямую lg σ – lg τр и после ее экстраполяции до заданного времени оценивают величину этого предела (рис. 2.85, кривая l
). По стандарту рекомендуемый допуск по времени составляет от 50 до 10000 ч и определяется, как и в случае предела ползучести, требованиями к испытываемому материалу.
Иногда зависимость lg σ – lg τр имеет точку перелома (см. рис. 2.85, кривая 2
). Она соответствует переходу от внутрикристаллитного или смешанного разрушения к полностью межкристаллитному разрушению при низких напряжениях. В таких случаях экстраполяцию можно проводить, если надежно установлен наклон прямой в области межкристаллитного разрушения.
Обработку первичных результатов испытаний и определение предела длительной прочности, как и предела ползучести, следует проводить с использованием статических методов. В частности, построение прямых в логарифмических координатах (lgσ – lgv
п.уст., lgσ — lgτр) нужно выполнять методом наименьших квадратов с оценкой величины доверительного интервала.
Обозначение предела длительной прочности σ сопровождается двумя индексами: вверху записывают температуру испытания, °C, внизу – заданную долговечность, ч. Например, σ- предел 1000-ч прочности при 900°C.
Помимо предела длительной прочности, в этих испытаниях оценивают характеристики пластичности – относительное удлинение и сужение. Часто деформация фиксируется и в процессе испытания. В результате может быть построена полная кривая ползучести, а по ней определена величина относительного удлинения к концу стадии установившейся ползучести (см. рис. 2.80, δпл). Эту величину считают характеристикой запаса длительной пластичности материала, она обычно значительно меньше конечного удлинения на стадии разрушения.
При высокотемпературных испытаниях на длительную прочность, когда образцы доводят до разрушения, каждый из них последовательно проходит все три стадии ползучести и величина предела длительной прочности определяется поведением материала на всех стадиях, в том числе на стадии разрушения. Факторы, препятствующие развитию пор и трещин, способствуют повышению предела длительной прочности. Таким образом, предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения.
