Materiály kovových konstrukcí. Struktura ocelí. Klasifikace ocelí. Mechanické vlastnosti ocelí

Pevnost v tahu (dočasná odolnost). Pevnost kovů | Příručka na webových stránkách modifikátoru IC

Pevnost v tahu

— je totéž co mez pevnosti materiálu. Ale i přes to, že je správnější používat termín
dočasný odpor
, koncept maximální pevnosti se lépe uchytil v technické hovorové řeči. Zároveň se v regulační dokumentaci a normách používá termín „dočasný odpor“.

Čtěte také: 5. CO JE KALITELNOST A PROKALITELNOST OCELI.

— je odolnost materiálu vůči deformaci a destrukci, jedna z hlavních
mechanické vlastnosti
Jinými slovy, pevnost je vlastnost materiálů odolávat určitým vlivům (zatížení, teplota, magnetická a jiná pole), aniž by se rozpadly.

К charakteristiky pevnosti v tahu

zahrnují modul normální pružnosti, mez proporcionality, mez pružnosti, mez kluzu a mez pevnosti v tahu.

Pevnost v tahu

— je maximální mechanické napětí, nad kterým dochází k destrukci materiálu vystaveného deformaci; mez pevnosti v tahu se označuje σB a měří se v kilogramech síly na centimetr čtvereční (kgf/cm2) a udává se také v megapascalech (MPa).

• pevnost v tahu,
• pevnost v tlaku,
• pevnost v ohybu,
• torzní pevnost.

Krátkodobá pevnost v tahu (MPa)

se stanoví tahovými zkouškami, deformace se provádí až do porušení. Tahové zkoušky se používají ke stanovení dočasné únosnosti, prodloužení, meze pružnosti atd. Dlouhodobé zkoušky pevnosti jsou určeny především k posouzení možnosti použití materiálů při vysokých teplotách (dlouhodobá pevnost, tečení); v důsledku toho se stanoví σB/Zeit – mez omezené dlouhodobé pevnosti pro danou životnost. [1]

Fyzika síly

založil Galileo: když shrnuje své experimenty, zjistil (1638), že během napětí nebo stlačení se zátěž ničení
P
pro daný materiál závisí pouze na ploše průřezu
F
Tak se objevila nová fyzikální veličina – napětí.
σ=P
/
F
— a fyzikální konstanta materiálu: lomové napětí [4].

Fyzika destrukce základní věda o pevnosti kovů

vznikl koncem 40. let 5. století [XNUMX]; bylo to diktováno naléhavou potřebou vyvinout vědecky podložená opatření k prevenci stále častějšího katastrofického ničení strojů a konstrukcí.

Dříve se v oblasti pevnosti a destrukce výrobků brala v úvahu pouze klasická mechanika, založená na postulátech homogenní pružnoplastické pevné látky, bez zohlednění vnitřní struktury kovu.

Fyzika destrukce také zohledňuje atomově-krystalickou strukturu kovové mřížky, přítomnost defektů v kovové mřížce a zákony interakce těchto defektů s prvky vnitřní struktury kovu: hranice zrn, druhá fáze, nekovové vměstky atd.

Viz také: Elektricky svařovaná trubka s rovným švem (E/S trubka) GOST 10704-91

Velký vliv na pevnost materiálu

je ovlivněna přítomností povrchově aktivních látek v prostředí, které mohou být silně adsorbovány (vlhkost, nečistoty); pevnost v tahu klesá.

Pevnost kovu se zvyšuje cílenými změnami struktury kovu, včetně modifikace slitiny.

Vzdělávací film o pevnosti kovů (SSSR, rok vydání: ~1980):

Pevnost kovu v tahu

Pevnost mědi v tahu

Při pokojové teplotě je pevnost v tahu žíhané technické mědi σВ = 23 kgf/mm2 [8]. Se zvyšující se zkušební teplotou se pevnost v tahu mědi snižuje. Legující prvky a nečistoty ovlivňují pevnost v tahu mědi různými způsoby, a to jak jejím zvyšováním, tak i snižováním.

Pevnost hliníku v tahu

Žíhaný hliník technické čistoty má při pokojové teplotě pevnost v tahu σВ = 8 kgf/mm2 [8]. Se zvyšující se čistotou se pevnost hliníku snižuje a plasticita zvyšuje. Například hliník odlitý v zemi s čistotou 99,996 % má pevnost v tahu 5 kgf/mm2.

Fyzikální vlastnosti oceli

Poměr mezi napětím a deformací v elastickém rozsahu tahu je měřítkem pružnosti materiálu. Tento poměr se nazývá modul pružnosti nebo Youngův modul. Vysoká hodnota Youngova modulu je jednou z nejdůležitějších vlastností ocelí. Jeho hodnota je obvykle 190–210 GPa neboli (19–21)×106⁶ kg/cm², což je asi třikrát více než u hliníku.

Mezi hlavní fyzikální vlastnosti oceli patří takové materiálové vlastnosti, jako je hustota, tepelná vodivost, modul pružnosti a Poissonův poměr.

Typické fyzikální vlastnosti ocelí jsou následující: – hustota: ρ = 7,7–8,1 kg/dm3; – modul pružnosti: E = 190–210 GPa; – Poissonův poměr: ν = 0,27–0,30; – tepelná vodivost: k = 11,2–48,3 W/mK; – tepelná roztažnost: α = 9×27⁻⁶ 10/K.

Uhlíkové oceli

Uhlíková konstrukční ocel. Podle stávajících norem se uhlíková konstrukční ocel dělí na:

• ocel běžné kvality (GOST 380-50)
• vysoce kvalitní ocel (GOST 1050-52).

Ocel standardní kvality

Podle GOST 380-50 se ocel běžné kvality dělí do dvou skupin (A a B).

Skupina ocelí A

Skupina A sdružuje jakosti oceli založené na mechanických vlastnostech garantovaných dodavatelským závodem; chemické složení oceli v této skupině není stanoveno GOST a dodavatelský závod za něj nenese odpovědnost.

Ocelová skupina A se označuje takto:

Čtěte také: Plynové ohřívače pro chaty a domy – snadné použití, bezpečnost a pohodlí

• Čl. 0,
• Čl. 1,
• Čl. 2,
• Umění. 3
• atd. až do článku 7.

Pevnost oceli v tahu:

• Číslo 0—32—47 kg/mm2,
• při tloušťce 1 – 32 – 40 kg/mm2,
• při teplotě 2 – 34 – 42 kg/mm2.
• U ocelí St. 3, St. 4, St. 5, St. 6 a St. 7 zhruba odpovídá číslu definujícímu jakost oceli (v desítkách kg/mm2). Například pro St. 6 bude minimální hodnota pevnosti v tahu asi 60 kg/mm2.

Oceli skupiny A se obvykle používají k výrobě produktů, které se používají bez tepelného zpracování:

• prostěradla,
• pásky
• drát,
• trámy atd.

Skupina oceli B

U oceli skupiny B je chemické složení regulováno a je uveden způsob výroby:

• M – otevřené ohniště;
• B – Bessemer,
• T – Tomáš)

V této skupině jsou stanoveny následující jakosti ocelí:

• M St. 0,
• M St. 1,
• M St. 2
• atd. až do jakosti oceli M St. 7, B St. 0, B St. 3, B St. 4, B St. 5, B St. 6.

Oceli skupiny B se používají k výrobě dílů běžné kvality:

Jakosti a složení oceli pro martinské pálení jsou uvedeny v tabulce 3.

Přečtěte si další článek pro více informací o klasifikaci uhlíkové oceli.

Klasifikace konstrukčních ocelí

Oceli se klasifikují podle chemického složení, jakosti, stupně deoxidace, struktury a pevnosti.

Podle chemického složení se oceli dělí na uhlíkové a legované. Podle koncentrace uhlíku se obě dělí na nízkouhlíkové ( < 0,3 % C), středněuhlíkové (0,3–0,7 % C) a vysokouhlíkové (>0,7 % C). Legované oceli se v závislosti na zavedených prvcích dělí na chromové, manganové, chromniklové, chromkřemíkové a mnoho dalších. Podle počtu zavedených prvků se dělí na nízko-, středně- a vysokolegované. V nízkolegovaných ocelích množství legujících prvků nepřesahuje 5 %, ve středně legovaných ocelích jich obsahuje 5 až 10 %, ve vysoce legovaných ocelích více než 10 %.

Podle kvality oceli se dělí na běžnou jakostní ocel, jakostní ocel, vysoce jakostní ocel a zvláště vysoce jakostní ocel.

Kvalita oceli se chápe jako soubor vlastností určených metalurgickým procesem její výroby. Homogenita chemického složení, struktura a vlastnosti oceli, stejně jako její vyrobitelnost, do značné míry závisí na obsahu plynů (kyslík, vodík, dusík) a škodlivých nečistot – síry a fosforu. Plyny jsou skryté nečistoty, které je obtížné kvantifikovat, proto normy pro obsah škodlivých nečistot slouží jako hlavní ukazatele pro dělení ocelí podle jakosti. Běžné jakostní oceli obsahují až 0,055 % S a 0,045 % P, vysoce kvalitní oceli – ne více než 0,04 % S a 0,035 % P, vysoce kvalitní oceli – ne více než 0,025 % S a 0,025 % P a zejména vysoce kvalitní oceli – ne více než 0,015 % S a 0,025 % P.

Podle stupně deoxidace a povahy kalení se oceli klasifikují jako klidné, poloklidné a vroucí. Deoxidace je proces odstraňování kyslíku z tekutého kovu, prováděný za účelem zabránění křehkému lomu oceli během deformace za tepla.

Klidné oceli se deoxidují manganem, křemíkem a hliníkem. Obsahují málo kyslíku a tuhnou tiše bez vývoje plynu. Vroucí oceli se deoxidují pouze manganem. Před odléváním obsahují zvýšené množství kyslíku, který během tuhnutí částečně interaguje s uhlíkem a je odváděn ve formě CO. Uvolňování bublin CO vytváří dojem vroucí oceli, odkud pochází její název. Vroucí oceli jsou levné, vyrábějí se s nízkým obsahem uhlíku a prakticky bez křemíku (Si < 0,07 %), ale se zvýšeným množstvím plynných nečistot.

Poloklidné oceli zaujímají z hlediska stupně deoxidace mezilehlou pozici mezi klidnými a varnými ocelemi.

Při klasifikaci oceli podle struktury se berou v úvahu vlastnosti její struktury v žíhaném a normalizovaném stavu. Podle struktury v žíhaném (rovnovážném) stavu se konstrukční oceli dělí do čtyř tříd: 1) hypoeutektoidní, s přebytkem feritu ve struktuře; 2) eutektoidní, jejíž struktura se skládá z perlitu; 3) austenitické; 4) feritické. Uhlíkové oceli mohou být prvních dvou tříd, legované oceli – všech tříd.

Vliv uhlíku a permanentních nečistot na vlastnosti oceli

Ocel je komplexní slitina železa a uhlíku. Kromě železa a uhlíku, hlavních složek, a také možných legujících prvků, obsahuje ocel určité množství trvalých a náhodných nečistot, které ovlivňují její vlastnosti.

Uhlík, jehož koncentrace v konstrukčních ocelích dosahuje 0,8 %, má rozhodující vliv na jejich vlastnosti. Míra jeho vlivu závisí na strukturním stavu oceli a jejím tepelném zpracování.

Po žíhání mají uhlíkové konstrukční oceli feriticko-perlitovou strukturu skládající se ze dvou fází – feritu a cementitu. Množství cementitu, který se vyznačuje vysokou tvrdostí a křehkostí, se úměrně zvyšuje s koncentrací uhlíku. V tomto ohledu se s rostoucím obsahem uhlíku zvyšuje pevnost a tvrdost, ale snižuje se plasticita a viskozita oceli.

Vliv uhlíku je ještě výraznější v případě nerovnovážné struktury oceli. Po kalení na martenzit se mez pevnosti legovaných ocelí rychle zvyšuje s rostoucím obsahem uhlíku a dosahuje maxima při 0,4 %C. Při vyšší koncentraci uhlíku se stává nestabilní v důsledku křehkého lomu oceli, o čemž svědčí nízké hodnoty rázové houževnatosti. Při nízkém popouštění jsou mechanické vlastnosti zcela určeny koncentrací uhlíku v pevném roztoku.

Uhlík také mění technologické vlastnosti oceli. S rostoucím obsahem se snižuje schopnost oceli deformovat se za horkých a zejména studených podmínek a svařitelnost se stává obtížnou.

Trvalé nečistoty v oceli: mangan, křemík, síra, fosfor, a také plyny: kyslík, dusík, vodík.

Čtěte také: TOP 10 airbrushů z Aliexpressu pro kosmetologii a modeling

Mangan je užitečná nečistota; zavádí se do oceli za účelem dezoxidace a zůstává v ní v množství 0,3-0,8 %. Mangan snižuje škodlivé účinky kyslíku a síry.

Křemík je užitečná nečistota; do oceli se zavádí jako aktivní deoxidační činidlo a zůstává v ní v množství až 0,4 %, což poskytuje zpevňující účinek.

Síra je škodlivá nečistota, která způsobuje červenou křehkost oceli – křehkost při tváření za tepla tlakem. V oceli se vyskytuje ve formě sulfidů. Červená křehkost je spojena s přítomností sulfidů, které se železem tvoří eutektikum, charakterizované nízkým bodem tání (988 °C) a nacházející se podél hranic zrn. Během deformace za tepla se hranice zrn taví a ocel se křehce ničí. Mangan chrání ocel před červenou křehkostí, váže síru na sulfidy a eliminuje tak vznik eutektika s nízkou teplotou tání. Eliminací červené křehkosti slouží sulfidy, stejně jako další nekovové vměstky (oxidy, nitridy atd.), jako koncentrátory napětí, čímž snižují plasticitu a viskozitu oceli. Obsah síry v oceli je přísně omezen. Pozitivní vliv síry se projevuje pouze ve zlepšení obrobitelnosti.

Fosfor je škodlivá nečistota. Rozpouští se ve feritu, zpevňuje ho, ale způsobuje křehkost za studena – pokles viskozity s klesající teplotou. Silný křehký účinek fosforu se projevuje zvýšením prahu křehkosti za studena. Každých 0,01 % P zvyšuje práh křehkosti za studena o 25 °C. Křehkost oceli způsobená fosforem je vyšší, čím více uhlíku ocel obsahuje.

Fosfor je v konstrukčních ocelích extrémně nežádoucí nečistota. Moderní metody tavení a přetavování však nezajišťují jeho úplné odstranění. Hlavním způsobem, jak ho snížit, je zlepšení kvality vsázky.

Kyslík, dusík a vodík jsou škodlivé skryté nečistoty. Jejich vliv se nejvíce projevuje ve snížení plasticity a zvýšení sklonu oceli ke křehkému porušení. Kyslík a dusík se ve feritu rozpouštějí v zanedbatelném množství a kontaminují ocel nekovovými vměstky (oxidy, nitridy). Vměstky kyslíku způsobují červenou a studenou křehkost, snižují pevnost. Zvýšený obsah dusíku způsobuje deformační stárnutí.

Vodík je v pevném roztoku nebo se hromadí v pórech a dislokacích. Křehkost způsobená vodíkem se projevuje tím ostřeji, čím vyšší je pevnost materiálu a čím nižší je jeho rozpustnost v krystalové mřížce.

Náhodné nečistoty jsou prvky, které vstupují do oceli z druhotných surovin nebo rud jednotlivých ložisek. Antimon, cín a řada dalších neželezných kovů vstupují do oceli ze šrotu. Ocel tavená z uralských rud obsahuje měď a z kerčských rud – arsen. Náhodné nečistoty mají ve většině případů negativní vliv na viskozitu a plasticitu oceli.