Různé třídy oceli jsou široce používány ve většině oblastí moderního průmyslu. Ocelové slitiny mají vysoké výkonové vlastnosti, které z nich činí oblíbený materiál ve stavebnictví, ve výrobě strojů a obráběcích strojů, při výrobě široké škály mechanismů, nástrojů, lékařského vybavení atd.
Ve fázi návrhu musí specialisté vzít v úvahu řadu důležitých vlastností kovu, z nichž jednou je jeho mez kluzu.
Designér-konstruktér musí vybrat slitinu na základě jejích mechanických vlastností. Mez kluzu oceli je napětí, při kterém se deformace zvyšují bez zvýšení působícího zatížení. Čím nižší je tedy tato hodnota, tím horší jsou pevnostní charakteristiky kovu a tím nižší je zatížení, při kterém je provoz výrobků přípustný.
Při navrhování konstrukčních prvků a dílů pro různé konstrukce a mechanismy musí inženýři vyloučit možnost vážných změn a zničení. Při vytváření projektu je nutné vzít v úvahu, jaká mez kluzu oceli je pro části této jednotky přípustná, protože na tom závisí kromě provozních vlastností i bezpečnost lidí.
Mez kluzu konstrukční oceli umožňuje posoudit dovolené zatížení pro konkrétní materiály a části mechanismů nebo konstrukčních prvků z nich vyrobených. Jednoduše řečeno, toto je maximální zatížení pro:
- budovy;
- struktury;
- části a součásti mechanismů.
Zpočátku byl tento parametr stanoven empiricky. Teprve v XNUMX. století položili vědci základy sopromatu – nauky o pevnosti a spolehlivosti částí mechanismů a konstrukcí.
Rozvoj jaderné fyziky na počátku minulého století umožnil stanovit vypočtenou mez kluzu oceli. V pracích publikovaných v roce 1924 dokázal Yakov Frenkel určit hodnotu napětí, která je dostatečná k deformaci jednoduchých těles, pomocí síly vazeb mezi atomy jako výchozí hodnoty. Takové výpočty na začátku XNUMX. století byly extrémně složité, ale začalo se.
Vědec vypočítal hodnotu meze kluzu pomocí vzorce:
ττ = G / 2πKde
G je smykový modul, který určuje stabilitu meziatomových vazeb,
ττ – označení meze kluzu oceli v krutu.
S rozvojem vědy umožnila zvýšená přesnost výpočtů výrazně rozšířit záběr kovových konstrukcí a mechanismů ve stavebnictví a mnoha dalších oblastech.
Praktický význam meze kluzu oceli
Specialisté věnují zvláštní pozornost ocelovým slitinám, vyvíjejí metody pro výpočet ukazatelů pevnosti a určování maximálních přípustných zatížení dílů vyrobených z různých druhů oceli, protože dnes je to nejžádanější materiál v průmyslu a stavebnictví.
Díly a prvky vyrobené z oceli během provozu jsou často vystaveny silnému zatížení, včetně kombinovaného zatížení. Výrobky jsou vystaveny tahu, tlaku, ohybu a smyku. Zátěž může být statická, dynamická nebo cyklická, kdy je v určitých intervalech znovu a znovu dosahováno maximálního napětí. Úkolem specialisty je, aby budoucí design nebo mechanismus byl co nejodolnější, spolehlivý a bezpečný.
Typy oceli s vysokou mezí kluzu jsou žádané z ekonomických důvodů, protože umožňují snížit spotřebu kovu a hmotnost výrobků při zachování vysoké kvality a souladu s normami GOST, TU a dalšími.
Návrhová odolnost oceli z hlediska meze kluzu je klíčovým ukazatelem, který charakterizuje odolnost dílů vůči deformaci a destrukci při různém zatížení.
Vliv různých přísad na mez kluzu oceli
Vliv obsahu uhlíku na vlastnosti oceli
V souladu s principem aditivity lze vysledovat závislost meze kluzu oceli na procentu uhlíku v ní obsaženém. Zvýšením koncentrace tohoto prvku na 1,2 % je také možné dosáhnout zvýšení pevnosti, tvrdosti a prahové kapacity za studena.
Když se procento uhlíku zvýší nad 1,2 %, uhlíková ocel vykazuje výrazné zhoršení vlastností, jako je svařitelnost a konečná tažnost. Nejlépe se svařují typy nízkouhlíkové oceli.
Dusík a kyslík ve slitině
Oba tyto prvky, stojící na začátku periodické tabulky, jsou klasifikovány jako škodlivé nečistoty. Zhoršují kvalitu slitiny, nepříznivě ovlivňují její houževnatost a tažnost, snižují odolnost proti křehkému lomu. Podíl kyslíku ve složení nad 0,03 % urychluje stárnutí oceli a příměs dusíku přispívá ke zvýšení její křehkosti. V některých případech však může dusík zlepšit pevnostní charakteristiky snížením meze kluzu.
Přísady manganu a křemíku
Mangan jako legovací přísada se používá k deoxidaci slitiny a neutralizaci škodlivých účinků síry. Vzhledem k podobnosti vlastností tohoto kovu a železa nemá jeho přidání do složení ocelových slitin samo o sobě žádný znatelný vliv na jejich vlastnosti. Typicky ocel obsahuje asi 0,8 % tohoto prvku.
K dezoxidaci slitiny se přidává křemík v koncentraci ne větší než 0,4 %. Další zvýšení procenta tohoto prvku nepříznivě ovlivňuje svařitelnost. Z tohoto důvodu obsah křemíku v konstrukčních ocelích nepřesahuje 0,25 %. Jinak přidání této složky nemění klíčové vlastnosti kovu.
Nečistoty síry a fosforu
Síra je extrémně škodlivá nečistota a negativně ovlivňuje mnoho fyzikálních vlastností a technických vlastností materiálů. Maximální přípustný obsah tohoto prvku v ocelových slitinách ve formě křehkých siřičitanů je 0,06 %.
Přítomnost síry v oceli vede ke snížení takových ukazatelů, jako je mez kluzu, tažnost, rázová houževnatost, odolnost proti opotřebení a korozi.
Vliv fosforu je dvojí: ovlivňuje řadu fyzikálně-chemických vlastností. Přídavek tohoto prvku zvyšuje mez kluzu, ale zároveň snižuje rázovou houževnatost a tažnost. Přípustné procento této nečistoty se pohybuje od 0,025 do 0,044 %. Negativní účinek fosforu se zvyšuje se zvýšením obsahu uhlíku ve slitině.
Přísady do slitin ve složení slitin
K dosažení požadovaných hodnot se používají legující prvky (speciální přísady). Takto vylepšený kov se obvykle nazývá legovaný. Pro dosažení optimálního účinku se takové přísady zavádějí v kombinaci, přičemž se dodržují požadované proporce.
K legování se používá chrom, nikl, vanad, molybden a další prvky. Jejich přidání umožňuje zvýšit mez kluzu, pevnost, rázovou houževnatost, odolnost proti korozi a řadu dalších mechanických a fyzikálně-chemických charakteristik.
Hodnota meze kluzu oceli podle GOST
Mez kluzu (σT) pro různé třídy oceli je regulována příslušnými GOST. Všechny hodnoty jsou uvedeny v MPa a s poznámkou “ne méně než”. Níže jsou uvedeny příklady nejčastěji používaných typů.
GOST 1050 z roku 1988 pro vysoce kvalitní uhlíkové konstrukční oceli obsahuje hodnoty meze kluzu slitiny při teplotě +20 ° C (vzorky, jejichž průměr nebo tloušťka nepřesahuje 80 mm):
- ocel 20 (St20, 20) při T = +20 °C, válcovaná, normalizovaná – ne méně než 245 MPa;
- ocel 30 (St30, 30) při T = +20 °C, válcovaná, normalizovaná – ne méně než 295 MPa;
- ocel 45 (St45, 45) při T = +20 °C, válcovaná, normalizovaná – ne méně než 355 MPa.
Pokud se ocel vyrábí po dohodě se zákazníkem, pak GOST stanoví jiné normy. Zejména normativní mez kluzu oceli pro vzorky, které prošly tepelným zpracováním, by měla být:
Ocel 30 (St30, kalení a popouštění)
- válcované výrobky do velikosti 16 mm – ne méně než 400 MPa;
- válcované výrobky o velikosti od 16 do 40 mm – ne méně než 355 MPa;
- válcované výrobky o velikosti 40 až 100 mm – ne méně než 295 MPa.
Ocel 45 (St45, kalení a popouštění)
- válcované výrobky do velikosti 16 mm – ne méně než 490 MPa;
- válcované výrobky o velikosti od 16 do 40 mm – ne méně než 430 MPa;
- válcované výrobky o velikosti od 40 do 100 mm – ne méně než 375 MPa.
Parametry uvedené pro St30 se vztahují na válcované výrobky do 63 mm (GOST 4543 z roku 1971).
Ocel 40X (ST40X, legovaná konstrukční ocel, chrom, GOST 4543 z roku 1971): pro válcované výrobky o velikosti 25 mm (kalení a popouštění) – mez kluzu není menší než 785 MPa.
Ocel 09G2S (plech, konstrukční nízkolegovaná pro svařované konstrukce, křemík-mangan, GOST 5520 z roku 1979) – mez kluzu minimálně 265 – 345 MPa. Při vysoké teplotě je mez kluzu oceli: +250 °C – 225 MPa; +300 °С –196 MPa; +350 °С – 176 MPa; +400 °С – 157 MPa.
Ocel 3 (uhlíková běžná kvalita, GOST 380 z roku 2005) se vyrábí pod značkami: St3kp, St3ps, St3sp, St3Gps, St3Gsp, každá má regulovanou minimální mez kluzu.
Testování slitiny na mez kluzu
Před zahájením výroby jsou vlastnosti slitin studovány prováděním zkoušek, během kterých jsou vzorky vystaveny různému zatížení, dokud zcela neztratí své původní vlastnosti.
- statistická zatížení;
- testování odolnosti a únavy;
- protahování;
- ohýbání a kroucení;
- natahování ohýbání.
Pro testování vzorků se používá speciální zařízení vytvářející podmínky blízké nebo podobné těm při následném provozu výrobků.
Pro studii se odebere válcový vzorek (řez 20 mm, délka 10 mm), který je vystaven tahovému zatížení. Pro zachycení se vyřízne obrobek větší délky, na něm se vyznačí vypočítaný segment 10 mm. Zvýšením rázové síly se zafixuje prodloužení, vyznačení údajů na grafu – diagram podmíněného protažení.
Při malé síle vlivu dochází k úměrnému prodlužování vypočteného segmentu, dokud se při zvyšování napětí nedosáhne hranice úměrnosti.
Dále se prodloužení stane nepřiměřeným a dosáhne prahové hodnoty, po které se vzorek nemůže vrátit na svou původní délku. V další fázi nastává změna délky bez zvýšení síly, která na ni působí – je dosaženo meze kluzu. Například u tyče St3 tento stav nastává při zatížení 240 MPa.
Materiály, které se nezávisle deformují po dlouhou dobu při konstantní rázové síle, se obvykle nazývají ideálně plasty.
Stává se, že není možné jednoznačně definovat oblast obratu. V takových případech se používá definice „podmíněné meze kluzu“, která implikuje deformaci nebo trvalou změnu asi o 0,2 %. Tato hodnota se může lišit v závislosti na tom, jak je konkrétní kov tažný.
Čím nižší je plasticita, tím menší je zbytková změna. Slabě výrazná deformace je charakteristická pro “zhutňovací slitiny” – měď, mosaz, hliník, nízkouhlíkové oceli.
Během výzkumu a testování se ukázalo, že v kovu, který začal „téct“, dochází k výrazným deformacím krystalové mřížky s tvorbou smykových čar vrstev.
Po samovolném natažení se kov dostane do dalšího stavu a opět začne odolávat deformaci. Dále materiál projde pevností v tahu, vytvoří se slabá oblast, kde se vzorek začne zužovat.
doporučené články
Dochází k rychlému úbytku plochy průřezu, doprovázenému současným poklesem velikosti rázové síly a napětí, po kterém následuje prasknutí vzorku.
Nejodolnější slitiny odolávají namáhání až 1 716 MPa. Mez kluzu vysokopevnostní oceli St3 se pohybuje od 392 do 490 MPa.
Mez kluzu je jednou z klíčových charakteristik ocelových slitin. Moderní průmysl vyžaduje velké množství ocelových dílů s vysokou pevností. Specialisté proto musí být schopni správně vypočítat hlavní parametry budoucích produktů a aplikovat vypočítaná data v praxi.
Moderní výroba potřebuje velké množství odolných ocelových výrobků. Při stavbě mostů, domů, složitých konstrukcí se používají různé oceli. Jednou z nejdůležitějších otázek je výpočet pevnosti kovu a hodnoty napětí ocelové výztuže. Aby konstrukce sloužily dlouhou dobu a byly bezpečné, je nutné přesně znát mez kluzu ocelového materiálu, který je vystaven hlavnímu zatížení.
Základní definice
Při použití Každá konstrukce je vystavena různým zatížením ve formě stlačení, protažení nebo úderů. Mohou jednat jak samostatně, tak společně.
Moderní konstruktéři se snaží snížit hmotnost ocelových dílů, aby ušetřili materiál, ale zároveň zabránili kritickému poklesu únosnosti celé konstrukce. To se děje v důsledku zmenšení průřezu ocelové výztuže.
V závislosti na účelu objektů se mohou některé požadavky na ocel změnit, existuje však seznam standardních a důležitých ukazatelů. Jejich hodnoty se počítají ve fázi navrhování dílů a sestav budoucí konstrukce. Obrobek musí mít vysokou pevnost s odpovídající tažností.
Nejprve při výpočtu pevnosti ocelového výrobku věnujte pozornost meze kluzu. Tato hodnota charakterizuje chování dílů při jejich vystavení.
Mez kluzu materiálu je velikost kritického napětí, při kterém se materiál dále nezávisle deformuje bez zvýšení zatížení. Tato charakteristika se měří v pascalech a umožňuje vypočítat maximální možné napětí pro tvárnou ocel.
Po překročení této hranice dochází v materiálu k nevratným procesům zkreslení krystalové mřížky. S následným zvýšením rázové síly na obrobek a překonáním meze kluzu se deformace zvyšuje.
Mez kluzu je někdy zaměňována s mezí pružnosti. Jedná se o podobné koncepty, ale mez pružnosti je hodnota maximálního odporu kovu a je mírně pod mezí kluzu.
Hodnota kluzu je asi o pět procent vyšší než mez pružnosti.
Složení ocelových slitin
Vlastnosti kovu závisí na vytvořené krystalové mřížce, který je zase určen obsahem uhlíku. Závislost typů mřížek na množství uhlíku je dobře vidět na strukturním diagramu. Pokud je například v ocelové mřížce do 0.06 % uhlíku, pak se jedná o klasický ferit, který má zrnitou strukturu. Takový materiál je křehký, ale tekutý a má vysokou rázovou houževnatost.
Podle struktury oceli se dělí na:
- feritický;
- perlit-ferit;
- cementit-feritický;
- cementit-perlit;
- perlit.
Karbonové přísady a pevnost
Zákon aditivity je potvrzen procentuálními změnami cementitu a feritu v oceli. Pokud je množství uhlíkové přísady asi 1,2 %, mez kluzu ocelového materiálu se zvyšuje a tvrdost, pevnost a teplotní odolnost se zvyšuje. S následným zvýšením obsahu uhlíku se technické parametry zhoršují. Ocel se obtížně svařuje a je obtížné ji razit. Nejlépe se při svařování chovají slitiny s nízkým obsahem uhlíku.
mangan a křemík
Ve formě přísady se navíc přidává mangan pro zvýšení stupně dezoxidace. Tento prvek navíc snižuje škodlivé účinky síry. Obsah manganu nebývá vyšší než 0.8 % a neovlivňuje technologické vlastnosti slitiny. Přítomno jako pevná součást.
Křemík také nijak zvlášť neovlivňuje vlastnosti kovu. Je nutné zvýšit kvalitu svařovaných dílů. Obsah tohoto prvku nepřesahuje 0.38 % a přidává se při procesu dezoxidace.
Síra a fosfor
Síra se vyskytuje ve formě křehkých siřičitanů. Zvýšené množství tohoto prvku ovlivňuje mechanické vlastnosti slitiny. Čím více síry, tím horší tažnost, tekutost a houževnatost slitiny. Při překročení limitu 0.06 % je výrobek náchylnější ke korozi a stává se schopným silného oděru.
Přítomnost fosforu zvyšuje index tekutosti, ale zároveň klesá plasticita a viskozita. Obecně platí, že nadhodnocený obsah fosforu výrazně zhoršuje kvalitu kovu. Kombinovaný vysoký obsah fosforu a uhlíku má zvláště škodlivý vliv na výkon. Přípustné limity pro obsah fosforu jsou hodnoty od 0.025 do 0.044 %.
dusík a kyslík
Jedná se o nekovové nečistoty, které snižují mechanické vlastnosti slitiny. Pokud je obsah kyslíku vyšší než 0.03 %, pak kov stárne rychleji, hodnoty tažnosti a houževnatosti klesají. Přísady dusíku zvyšují pevnost, ale v tomto případě klesá mez kluzu. Zvýšený obsah dusíku činí ocel křehkou a přispívá k rychlému stárnutí kovové struktury.
Chování legovacích přísad
Pro zlepšení všech fyzikálních vlastností oceli se do slitiny přidávají speciální legovací prvky. Takovými přísadami mohou být wolfram, molybden, nikl, chrom, titan a vanad. Kombinovaný přídavek v požadovaných poměrech poskytuje nejpřijatelnější výsledky.
Legování výrazně zvyšuje index tekutosti, rázovou houževnatost a zabraňuje deformaci a praskání.
Kontrola slitiny
Před uvedením do výroby se provádějí testy ke studiu vlastností kovové slitiny. Kovové vzorky jsou vystaveny různému zatížení, dokud se úplně neztratí všechny vlastnosti.
- statické zatížení.
- Vytrvalostní a únavové zkoušky oceli.
- Protažení prvku.
- Zkoušky ohybu a kroucení.
- Kombinovaná odolnost v ohybu a tahu.
Pro tyto účely se používají speciální stroje a vytvářejí se podmínky, které se co nejvíce přibližují režimu provozu budoucí konstrukce.
Testování
Pro zkoušení na válcovém vzorku o průřezu dvacet milimetrů a odhadované délce deset milimetrů se použije tahové zatížení. Samotný vzorek má délku více než deset milimetrů, aby se dal spolehlivě zachytit, a je na něm vyznačena délka deset milimetrů a právě této délce se říká vypočítaná. Tažná síla se zvyšuje a měří se rostoucí prodloužení vzorku. Pro přehlednost jsou data vynesena do grafu. Říká se tomu diagram podmíněného roztažení.
Při malém zatížení se vzorek úměrně prodlouží. Když se tažná síla dostatečně zvýší, bude dosaženo proporcionálního limitu. Po překročení této hranice začíná neúměrné protažení materiálu s rovnoměrnou změnou tahové síly. Poté je dosaženo limitu, po kterém se vzorek nemůže vrátit na původní délku. Po překročení této hodnoty se testovaný díl změní bez zvýšení tažné síly. Například pro ocelovou tyč St. 3 je tato hodnota rovna 2450 kg na centimetr čtvereční.
Nevyjádřená mez kluzu
Pokud je při konstantní síle vlivu materiál schopen se po dlouhou dobu nezávisle deformovat, pak se nazývá ideálně plastický.
Při zkoušení se často stává, že mez kluzu není jasně definována, pak se zavádí definice podmíněné meze kluzu. To znamená, že síla působící na kov způsobila deformaci nebo trvalou změnu asi o 0.2 %. Hodnota zbytkové změny závisí na tažnosti kovu.
Čím je kov tažnější, tím vyšší je hodnota zbytkové deformace. Typické slitiny, ve kterých není taková deformace jasně vyjádřena, jsou měď, mosaz, hliník a oceli s nízkým obsahem uhlíku. Vzorky těchto slitin se nazývají zhuštěné.
Když kov začne “téct”, jak ukazují experimenty a studie, dochází v něm k silným změnám v krystalové mřížce. Na jeho povrchu se objevují smykové čáry a vrstvy krystalů jsou výrazně posunuty.
Poté, co se kov samovolně natáhne, přejde do dalšího stavu a opět získá schopnost odolávat. Poté slitina dosáhne své pevnosti v tahu a nejslabší místo je jasně viditelné na součásti, kde dochází k prudkému zúžení vzorku.
Plocha průřezu se zmenší a v tomto bodě dochází k prasknutí a zničení. Velikost tahové síly v tomto okamžiku klesá spolu s hodnotou napětí a díl se zlomí.
Vysokopevnostní slitiny odolávají zatížení až 17500 3 kilogramů na centimetr čtvereční. Pevnost v tahu oceli ST.4 se pohybuje v rozmezí 5-XNUMX tisíc kilogramů na centimetr čtvereční.
Charakteristika plasticity
Tažnost materiálu je důležitý parametr, který je třeba vzít v úvahu při navrhování konstrukcí. Plasticita je určena dvěma ukazateli:
- zbytkové prodloužení;
- zúžení při přetržení.
Zbytkové prodloužení se vypočítá změřením celkové délky součásti po jejím zlomení. Skládá se ze součtu délek každé poloviny vzoru. Poté se v procentech určí poměr k původní podmíněné délce. Čím pevnější je kovová slitina, tím nižší je hodnota prodloužení.
Zbytkové zúžení je procentuální poměr nejužšího bodu prasknutí k původní ploše průřezu studované tyče.
Index křehkosti
Nejkřehčí kovovou slitinou je nástrojová ocel a litina. Křehkost je opačnou vlastností plasticity a je poněkud libovolná, protože silně závisí na vnějších podmínkách.
Takové podmínky mohou být:
- Teplota okolí. Čím nižší je teplota, tím je produkt křehčí.
- Rychlost změny působící síly.
- Okolní vlhkost a další parametry.
Když se změní vnější podmínky, stejný materiál se chová jinak. Pokud je litinový polotovar upnutý ze všech stran, nerozbije se ani při značném zatížení. A například když jsou na ocelové tyči drážky, díl se stává velmi křehkým.
Proto v praxi nepoužívají pojem mez křehkosti, ale určují stav vzorku jako křehký nebo spíše plastický.
Pevnost materiálu
Jedná se o mechanickou vlastnost obrobku a vyznačuje se schopností zcela odolat zatížení bez zborcení. Pro zkušební vzorek jsou vytvořeny podmínky, které nejvíce odrážejí budoucí provozní podmínky a jsou aplikovány různé efekty, postupně zvyšující zatížení. Zvýšení nárazových sil způsobuje plastické deformace ve vzorku. U plastových materiálů dochází k deformaci v jedné výrazné oblasti, která se nazývá krček. Křehké materiály mohou selhat v několika oblastech současně.
Ocel je testována za účelem přesného stanovení různých vlastností s cílem získat odpověď na možnost jejího použití v určitých podmínkách ve stavebnictví a vytváření složitých konstrukcí.
Hodnoty kluzu různých jakostí oceli jsou uvedeny ve zvláštních normách a specifikacích. Existují čtyři hlavní třídy. Hodnota tekutosti výrobků první třídy může dosáhnout až 500 kg / cm3, druhá třída splňuje požadavky na zatížení do 4 tisíc kg / cm6, třetí – až XNUMX tisíce kg / cmXNUMX. a čtvrtá třída vydrží až XNUMX tisíc kg / cmXNUMX.
