Свойства углеродистой стали. Методы испытаний
Углеродистая сталь имеет следующие значения свойств: плотность — 7 850 кг/м3; предел прочности при растяжении — 300...700 МПа; относительное остаточное удлинение после разрыва — 12...40%; модуль упругости — 2,1 • 105 МПа; коэффициент внутренней теплопроводности — 50...70 Вт/(м- К).
Влияние углерода. С увеличением содержания углерода возрастает твердость стали, а ее пластичность и ударная вязкость снижаются. Прочность с повышением содержания углерода сначала растет до максимального значения (при содержании углерода в стали 0,8... 1,0 %), а затем снижается. С увеличением содержания углерода ухудшаются свариваемость, а также способность стали деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях.
Влияние примесей. Марганец и кремний полезны — они повышают прочность стали. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также придает стали красноломкость (хрупкость при горячем деформировании). Фосфор в количестве до 1,2 % увеличивает прочность, но снижает пластичность, а также способствует охрупчиванию стали, повышая температурный порог хладноломкости.
Прочность и пластичность стали. Прочность и пластичность стали определяют испытанием на растяжение образцов цилиндрической формы, получаемых токарной обработкой, или плоских образцов, вырезаемых из листового проката (рис. 6.1). Головки образцов при испытании вставляют в захваты разрывной машины. Используют также натуральные образцы — стержни определенной длины, отрезаемые от сравнительно тонких длинномерных профилей (например, образцы арматуры для бетона). Они не имеют головок и требуют применения зажимающих захватов.
Зависимость растягивающих напряжений от относительного удлинения образца для мягкой стали имеет вид, показанный на рис. 6.2. На кривой растяжения имеются характерные точки (А, В, С, D), которым соответствуют четыре прочностные характеристики: предел пропорциональности (апц), предел упругости (ау), предел текучести (ат) и предел прочности (апч). Диаграмма растяжения дает также характеристику пластичности стали — относительное остаточное удлинение после разрыва: 5 = (lк- lо)//о, где lк — длина расчетной части после разрыва; l0 — расчетная длина до испытания.
Твердость стали. Твердость стали определяют чаще всего методом Бринелля — вдавливанием шарика (см. подразд. 2.5). Сравнимость результатов при различном диаметре шарика обеспечивается постоянством отношения нагрузки Р к квадрату диаметра D шарика: Р/D2 = const. Твердость по Бринеллю НВ = F/Ac$, где F — нагрузка; Асф — площадь сферической поверхности отпечатка. Метод Бринелля применяют для сталей с твердостью не более 450 кгс/мм2 (4,5 ГПа).
Ударная вязкость стали. Ударную вязкость стали определяют на маятниковом копре (см. подразд. 2.5). Стальной образец имеет форму балочки квадратного сечения 10x10 мм и длину 55 мм. По методу Шарпи образец лежит на опорах свободно и имеет надрез глубиной 2 мм на стороне, противоположной удару маятника (см. рис. 2.7). Надрез позволяет сосредоточить энергию удара в одном месте. Ударная вязкость характеризуется отношением работы U, затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения А: и= U/ А. Единица измерения ударной вязкости — Дж/м2.