Механические свойства стали 20: характеристики, состав, свариваемость и другие свойства, ГОСТ для углеродистой марки, применение, защита от коррозионных разрушений, и есть ли аналоги?

Содержание

Сталь 20: характеристики, свойства, аналоги

Сталь 20 – нелегированная качественная сталь, которая применяется для изготовления металлоконструкций и изделий, функционирующих при температуре от -40 до 450°С. Горячекатаный и кованый сортовой прокат из стали 20 выпускается в соответствии с требованиями стандарта ДСТУ 7809 и ГОСТ 1050

Классификация: Сталь конструкционная углеродистая качественная.

Продукция: Листовой и сортовой прокат, в том числе фасонный.

 

Химический состав стали 20 в соответствии с ДСТУ 7809, %

Si

 Mn

P

S

Cr

Cu

Ni

0.17-0.37

0.35-0.65

≤0.035

≤0.040

≤0.25

≤0.30

≤0.30

 

Механические свойства стали 20 после нормализации

Предел текучести, Н/мм2, не менее

Временное сопротивление разрыву, Н/мм2, не менее

Относительное удлинение, %, не менее

Относительное сужение,%, не менее

245

410

25

55

 

Аналоги стали 20

США 

1020, 1023, 1024, G10200, G10230, h20200, M1020, M1023

Япония

S20C, S20CK, S22C, STB410, STKM12A, STKM12A-S, STKM13B, STKM13B-W

Евросоюз

1.1151, 2C22, C20E2C, C22, C22E

Китай

20, 20G, 20R, 20Z

Швеция

1450

Австралия

1020, M1020

Швейцария

Ck22

Южная Корея

SM20C, SM20CK, SM22C

 

Применение

Сталь 20 применяется в строительстве, машиностроении, производстве котлов и сосудов, изготовлении нагревательных элементов различного назначения. Нелегированная конструкционная качественная сталь 20 в виде листового и сортового проката используется для изготовления элементов сварных конструкций, трубопроводов, коллекторов, вкладышей подшипников, строп и другой продукции. Валы, шестерни, червяки, фрикционные диски, оси, шпиндели, пальцы, звездочки, шпильки и другие изделия из стали 20 после химико-термической обработки (цементация, азотирование, нитроцементация и др.) приобретают высокую поверхностную твердость и износостойкость при невысокой прочности сердцевины.

 

Сваривание

Сваривание происходит без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки стандартные: РДС, АДС, сварка под флюсом и газовой защитой, КТС.

Сталь 20ХН — Полный марочник сталей и сплавов

Общие данные

Заменитель
Сталь 15ХР, Сталь 20ХНР, Сталь 18ХГТ
Вид поставки
Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 259071, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69.

Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73.

Шлифованный пруток и серебрянка 14955-77.

Полоса ГОСТ 103-76.

Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71.

Трубы ОСТ 14-21-77.

Назначение
Шестерни, втулки, пальцы, детали крепежа, и другие детали, от которых требуется повышенная вязкость и умеренная прокаливаемость.

Химический состав

Химический элемент %
Углерод (C) 0.17-0.23
Кремний (Si) 0.17-0.37
Медь (Cu), не более 0.30
Марганец (Mn) 0.40-0.70
Никель (Ni) 1.00-1.40
Фосфор (P), не более 0.035
Хром (Cr) 0.45-0.75
Сера (S), не более 0.035

Механические свойства

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С σ0,2, МПа σB, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/м2 HRCэ
Образец сечением 10 мм. Закалка 850 °С, масло.
200 1050 1290 11 48 90 62
300 1000 1220 50 80 60
400 910 1100 11 51 75
500 770 950 14 54 110
600 650 770 20 60 180

Механические свойства в зависимости от сечения

Сечение, мм σ0,2, МПа σB, МПа
δ5, %
KCU, Дж/м2
Закалка 860 °С, масло. Отпуск 180 °С.
20 750 1130 10 85
40 600 990 10 90
80 520 870 10 90
100 510 860 10 90

Механические свойства прутка

Сечение, мм σ0,2, МПа σB, МПа δ5, % ψ, %

Характеристика материала. Сталь 20

  

Марка

 Сталь 20

Заменитель:

 Сталь 15 ,

сталь 25

Классификация

Сталь конструкционная углеродистая качественная

Применение

Трубы перегревателей, коллекторов и трубопроводов котлов высокого давления, листы для штампованных деталей, цементуемые детали для длительной и весьма длительной службы при температурах до 350 град.

Зарубежные аналоги:          Известны

Химический состав в % материала Сталь 20.

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

Cu

As

0.17 — 0.24

0.17 — 0.37

0.35 — 0.65

до   0.25

до   0.04

до   0.04

до   0.25

до   0.25

до   0.08

Температура критических точек материала Сталь 20.

Ac1  = 724 ,      Ac3(Acm) = 845 ,       Ar3(Arcm) = 815 ,       Ar1  = 682

Механические свойства при Т=20oС материала Сталь 20.

Сортамент

Размер

Напр.

sв

sT

d5

y

KCU

Термообр.

мм

МПа

МПа

%

%

кДж / м2

Прокат горячекатаннный

до 80

Прод.

420

250

25

55

 

Нормализация

Пруток

 

Прод.

480

270

30

62

1450

Отжиг 880 — 900oC,

Пруток

 

Прод.

510

320

30.7

67

1000

Нормализация 880 — 920oC,

 

    Твердость материала   Сталь 20   после отжига ,      

HB 10 -1  = 163   МПа

    Твердость материала   Сталь 20   калиброванного нагартованного ,      

HB 10 -1  = 207   МПа

Физические свойства материала Сталь 20.

T

E 10— 5

a 10 6

l

r

C

R 10 9

Град

МПа

1/Град

Вт/(м·град)

кг/м3

Дж/(кг·град)

Ом·м

20

2.13

 

52

7859

 

 

100

2.03

11.6

50.6

7834

486

219

200

1.99

12.6

48.6

7803

498

292

300

1.9

13.1

46.2

7770

514

381

400

1.82

13.6

42.8

7736

533

487

500

1.72

14.1

39.1

7699

555

601

600

1.6

14.6

35.8

7659

584

758

700

 

14.8

32

7617

636

925

800

 

12.9

 

7624

703

1094

900

 

 

 

7600

703

1135

1000

 

 

 

 

695

 

T

E 10— 5

a 10 6

l

r

C

R 10 9

Технологические свойства материала Сталь 20.

  Свариваемость:

без ограничений

  Флокеночувствительность:

не чувствительна

  Склонность к отпускной хрупкости:

не склонна

Обозначения:

Механические свойства :
sв
— Предел кратковременной прочности , [МПа]
sT
— Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5
— Относительное удлинение при разрыве , [ % ]
y
— Относительное сужение , [ % ]
KCU
— Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB
— Твердость по Бринеллю , [МПа]

 

Физические свойства :
T
— Температура, при которой получены данные свойства , [Град]
E
— Модуль упругости первого рода , [МПа]
a
— Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o — T ) , [1/Град]
l
— Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
r
— Плотность материала , [кг/м3]
C
— Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o — T ), [Дж/(кг·град)]
R
— Удельное электросопротивление, [Ом·м]

 

Свариваемость:

без ограничений
— сварка производится без подогрева и без последующей термообработки

ограниченно свариваемая
 
— сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке
трудносвариваемая          
— для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки — отжиг

Характеристики стали 20юч

Применение

Сталь 20ЮЧ применяется:

  • для изготовления труб, корпусов, днищ, плоских фланцев и других деталей, эксплуатируемых в средах содержащих сероводород и углекислый газ при температурах от -40 °С до +475 °С;
  • для производства деталей трубопроводной арматуры с проведением термообработки; сварных сосудов газовой и нефтехимической промышленности;
  • бесшовных горячедеформированных нефтегазопроводных труб повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости, предназначенных для использования в системах нефтегазопроводов, технологических промысловых трубопроводов, транспортирующих нефть и нефтепродукты, а также в системах поддержания пластового давления в условиях нефтедобывающих предприятий эксплуатируемых в средах, содержащих сероводород и углекислый газ.

Примечание
Сталь стойкая к коррозионному растрескиванию.

Химический состав

Химический состав в %

НТД на сталь 20ЮЧ C S P Mn Cr Si Ni N Cu Ca As Al
ТУ 14-1-4853-90 0,16-0,22 ≤0,005 ≤0,020 0,50-0,80 0,17-0,37 ≤0,25 ≤0,012 ≤0,25 0,001-0,010 ≤0,08 0,03-0,10
ТУ 14-1-4179-86 0,16-0,22 ≤0,012 ≤0,020 0,50-0,80 ≤0,30 0,17-0,37 ≤0,40 ≤0,012 0,03-0,10
ТУ 14-3-1652-89 0,16-0,22 ≤0,012 ≤0,020 0,50-0,80 0,17-0,37 ≤0,40 ≤0,012 0,03-0,10
ТУ 14-3Р-54-2001 0,16-0,22 ≤0,012 ≤0,020 0,50-0,80 ≤0,25 0,17-0,37 ≤0,40 ≤0,012 ≤0,30 0,03-0,10
ТУ 14-162-14-96 0,17-0,22 ≤0,015 ≤0,015 0,50-0,65 ≤0,25 0,17-0,37 ≤0,25 ≤0,012 ≤0,25 0,03-0,05
ТУ 14-3-1745-90 0,16-0,22 ≤0,012 ≤0,020 0,50-0,80 ≤0,25 0,17-0,37 ≤0,40 ≤0,012 0,03-0,10

Fe — основа.

По ТУ 14-1-4853-90, ТУ 14-3-1652-89 и ТУ 14-1-4179-86 химический состав приведен для стали 20ЮЧ. В раскисленную сталь с целью глобуляризации сульфидных неметаллических включений вводится РЗМ (титан, кальций, цирконий) из расчета 0,7 кг/т. Содержание РЗМ в стали не является сдаточным показателем, но контролируется и вносится в документ о качестве. В сталь вводятся технологическая добавка силикокальция из расчета получения в готовом прокате 0,001-0,010 % кальция.

По ТУ 14-3-1652-89 и ТУ 14-1-4179-86 содержание остальных элементов — по ГОСТ 1050.

По ТУ 14-162-14-96 химический состав приведен для стали 20ЮЧА. В стали допускаются отклонения по содержанию углерода (-0,020 %), алюминия (±0,010 %), марганца (+0,15 %), серы (+0,005 %), фосфора (+0,005 %). В раскисленную сталь с целью глобуляции сульфидных неметаллических включений вводится церий из расчета содержания церия в стали 0,050 %, содержание которого не контролируется, а в сертификат заносится его расчетная величина. С целью повышения прочностных свойств допускается введение в сталь ванадия в количестве до 0,050 %.

По ТУ 14-3-1745-90, ТУ 14-3Р-54-2001 химический состав приведен для стали 20ЮЧ. Остаточное содержание остальных элементов по ГОСТ 1050. Отклонение по содержанию углерода -0,020 %, алюминия +0,010 %, другим элементам по ГОСТ 1050. В раскисленную сталь с целью глобуляризации сульфидных неметаллических включений вводится один или несколько модификаторов из группы: РЗМ, титан, кальций, цирконий в количестве до 0,07% каждого. Содержание этих элементов в стали не является сдаточным показателем, но вносится в документ о качестве.

Механические свойства

Механические свойства стали 20ЮЧ, при 20°С

Состояние поставки Сечение
(мм)
t испыт.
(°C)
t отпуска
(°C)
sТ | s0,2
(МПа)
sB
(МПа)
d5
(%)
d4 d d10 y
(%)
KCU
(кДж/м2)
HB HRC HRB HV HSh
Заготовка трубная по ТУ 14-1-4179-86 (термообработанные продольные образцы)
≥235 ≥410 ≥23 ≥490 ≤190
Заготовки деталей трубопроводной арматуры по СТ ЦКБА 026-2005. Закалка на воздухе от 900-920 °C (выдержка 2,5-4,0 часа в зависимости от толщины и массы заготовки). (KCU-40°С)
≤180 ≥235 ≥412 ≥23 ≥490 ≤190
Толстолистовой прокат (10-160 мм) в состоянии поставки (нормализация или термоулучшение, KCU-40°С)
Образец ≥235 ≥410 ≥23 ≥480
Трубы бесшовные горячедеформированные термообработанные в состоянии поставки по ТУ 14-162-14-96
Образец 338-470 502-627 ≥25 ≤92
Трубы холоднодеформированные Dн=25-89 и трубы бесшовные горячедеформированные в состоянии поставки (нормализованные) по ТУ 14-3-1745-90, ТУ 14-3Р-54-2001. Термообработанные, в состоянии поставки (KCU-40°С)
Образец 245-382 ≥412 ≥23 ≥490 ≤190

 

Технологические свойства
Коррозионная стойкость По ТУ 14-3-1745-90 пороговое значение сероводородного коррозионного растрескивания должно быть не менее 147 МПа (15 кгс/мм2).
Микроструктура По ТУ 14-3-1745-90, ТУ 14-3Р-54-2001 полосчатость ферритно-перлитной структуры г/д труб не должна превышать 4,0 балла по ГОСТ 5640. Величина зерна металла труб в состоянии поставки не должна быть крупнее 7 балла, допускаются отдельные зерна 6 балла.

Ударная вязкость

Состояние поставки \ температура 20 (KCV) -50 (KCV)
Трубы бесшовные г/д по ТУ 14-162-14-96. Образцы продольные ≥1666 ≥784
Трубы бесшовные г/д по ТУ 14-162-14-96. Образцы поперечные ≥784 ≥294

Обозначения.

Механические свойства:

  • sв— Предел кратковременной прочности, [МПа]
  • sТ— Предел текучести, [МПа]
  • s0,2— Предел пропорциональности (допуск на остаточную деформацию — 0,2%), [МПа]
  • d5— Относительное удлинение при разрыве, [ % ]
  • y — Относительное сужение, [ % ]
  • KCU — Ударная вязкость, [ кДж / м2]
  • HB — Твердость по Бринеллю, [МПа]
  • HV — Твердость по Виккерсу, [МПа]
  • HSh — Твердость по Шору, [МПа]

Физические свойства:

  • T — Температура, при которой получены данные свойства, [Град]
  • E — Модуль упругости первого рода, [МПа]
  • a — Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o — T ) , [1/Град]
  • l — Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
  • r — Плотность материала , [кг/м3]
  • C — Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o — T ), [Дж/(кг·град)]
  • R — Удельное электросопротивление, [Ом·м]

Сталь 20Г — Полный марочник сталей и сплавов

Общие данные

Заменитель
стали: 20, 30Г.
Вид поставки
сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955-77. Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74. Полоса ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71, ГОСТ 4543-71.
Назначение
после улучшения — заклепки ответственного назначения; после цементации или цианирования — поршневые пальцы, фрикционные диски, пальцы рессор, кулачковые валики, болты, гайки, шестерни, червяки и другие детали с высокой твердостью и износостойкостью поверхности; без термообработки — сварные подмоторные рамы, башмаки, косынки.

Химический состав

Химический элемент %
Кремний (Si) 0.17-0.37
Медь (Cu), не более 0.30
Марганец (Mn) 0.70-1.00
Никель (Ni), не более 0.30
Фосфор (P), не более 0.035
Хром (Cr), не более 0.30
Сера (S), не более 0.035

Механические свойства

Механические свойства

Термообработка, состояние поставки Сечение, мм s0,2, МПа sB, МПа d5, % y, % KCU, Дж/м2 HB HRCэ
Пруток. Нормализация 880 °С, воздух. 25 275 450 24 50
Пруток. Нормализация 900 °С, воздух. Отпуск 610 °С, воздух. 650 235 430 24 39 126-163
Цементация 900-920 °С, воздух. Закалка 780-800 °С, масло. Отпуск 180-200 °С, воздух. 325-370 540-590 16 40 146-163 57-63

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С s0,2, МПа sB, МПа d10, % y, % KCU, Дж/м2
Закалка 890 °С, вода. Отпуск 400-600 °С, масло.
400 920 980 6 67 59
500 700 780 12 74 128
600 540 640 15 79 127

Механические свойства в зависимости от сечения

Сечение, мм s0,2, МПа sB, МПа d, % y, % KCU,

Свойства стали — Science Struck

Сталь, сплав железа, является одним из самых универсальных и полезных металлов, известных человечеству. В этой статье ScienceStruck мы узнаем о некоторых интересных фактах и ​​свойствах этого металла.

Сталь — это сплав, состоящий в основном из железа, с содержанием углерода от 0,2 до 2,1% по весу. Хотя для производства этого металлического сплава чаще всего используется углерод, также используются другие легирующие материалы, такие как вольфрам, хром и марганец.Пропорции и формы, в которых используются эти элементы, влияют на свойства производимой стали — например, увеличение содержания углерода увеличивает ее прочность. Этот факт особенно полезен для изготовления различных типов стали для разных целей — прочность стали, необходимая для изготовления банки для напитков, очевидно, отличается от прочности, необходимой для изготовления железнодорожных путей. Существуют различные типы стали, и этот сплав широко используется в различных отраслях промышленности и инфраструктуре благодаря своим многочисленным полезным свойствам и характеристикам.

Свойства стали

Предел прочности

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Прочность на растяжение — это величина напряжения, которое может выдержать вещество перед структурной деформацией. Прочность на растяжение стали сравнительно высока, что делает ее очень устойчивой к разрушению или разрушению, что является ключевым моментом при ее использовании в строительстве инфраструктуры.

Пластичность

Одним из полезных механических свойств стали является ее способность изменять форму при приложении к ней силы, не вызывая разрушения. Это свойство известно как пластичность, что позволяет использовать его при изготовлении различных форм и структур, начиная от тонкой проволоки и заканчивая крупными автомобильными деталями и панелями.

Ковкость

Ковкость тесно связана с пластичностью и позволяет стали деформироваться при сжатии.Это позволяет сжимать этот сплав в листы переменной толщины, часто создаваемые молотком или прокаткой.

Прочность

Твердость этого сплава высокая, что отражает его способность противостоять деформации. Он долговечный и очень устойчив к внешнему износу. Следовательно, он считается очень прочным материалом.

Электропроводность

Сталь — хороший проводник тепла и электричества. Эти свойства делают его хорошим выбором для изготовления домашней посуды, а также для электропроводки.

Люстра

Одним из физических свойств стали является ее привлекательный внешний вид. Он серебристого цвета с блестящей блестящей внешней поверхностью.

Устойчивость к ржавчине

Добавление определенных элементов делает некоторые виды стали устойчивыми к ржавчине. Например, нержавеющая сталь содержит никель, молибден и хром, которые улучшают ее способность противостоять ржавчине.

В дополнение к вышесказанному ниже приводится ориентировочная таблица свойств, которая иллюстрирует различия в свойствах разных типов стали.Сталь идентифицируется по маркам, которые определяются конкретными организациями, устанавливающими стандарты для сортировки. Низкоуглеродистая сталь и две марки нержавеющей стали 304 и 430 рассматриваются ниже.

Материал Теплопроводность БТЕ / (ч-фут-ºF) Плотность (фунты / дюйм 3 ) Удельная теплоемкость (БТЕ / фунт / ºF) Точка плавления ºF Тепловое расширение (дюйм / дюйм / ºFx10 -6
Сталь, мягкая 26.0–37,5 0,284 0,122 2570 6,7
Сталь, нержавеющая 304 8,09 0,286 0,120 2550 9,6
Сталь, нержавеющая 430 8,11 0,275 0,110 2650 6

Интересные факты о стали

  • Сталь является самым перерабатываемым материалом в Северной Америке: ежегодно перерабатывается около 69%, что больше, чем вместе взятые пластмасса, бумага, алюминий и стекло.
  • Сталь
  • впервые была использована для строительства небоскребов в 1883 году.
  • Чтобы сделать дом с деревянным каркасом, требуется больше, чем древесина 40 деревьев — в доме с металлическим каркасом используется 8 переработанных автомобилей.
  • Первый стальной автомобиль был выпущен в 1918 году
  • 600 стальных или жестяных банок перерабатываются каждую секунду.
  • На строительство моста Золотые Ворота было израсходовано 83 000 тонн стали.

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию.Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Использование стали исчерпывающе и обширно. При вторичной переработке этого сплава, широко применяемой практике, его воздействие на окружающую среду значительно снижается. Он использовался для изготовления почти всего, начиная от сельскохозяйственных орудий и заканчивая строительством мостов, железнодорожных путей, автомобилей, двигателей и самолетов. На самом деле, вам было бы трудно прожить хоть один день без этого чрезвычайно универсального металла.За прошедшие годы производство стали выросло до нынешнего уровня, составляющего около 1300 миллионов тонн в год. Будь то нож для разрезания фруктов, электрическая бритва, заколка для волос или целое здание, в жизни каждого есть немного стали!

.

Таблицы свойств материалов | MechaniCalc

В таблицах ниже представлены свойства обычных инженерных материалов. Предоставленные данные о свойствах материала предназначены для репрезентативности описываемого материала. Приведенные значения имеют тенденцию к консервативному концу диапазона и могут использоваться в качестве исходных проектных значений для предварительного проектирования. Однако эти значения не соответствуют какой-либо конкретной спецификации, поэтому их нельзя использовать в окончательном дизайне без предварительной консультации с соответствующими спецификациями материалов.Данные предоставляются «как есть» без каких-либо явных или подразумеваемых гарантий. MechaniCalc, Inc. не несет ответственности за любой ущерб, возникший в результате использования этих данных.

Материал Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
AISI 1020 Горячекатаный 32 50 25 29e6 0.283 0,32
Холодная обработка 60 70 5
Снятие напряжения 50 65 10
Отожженный 28 48 30
Нормализованный 34 55 22
AISI 1045 Горячекатаный 45 75 15 29e6 0.283 0,32
Холодная обработка 80 90 5
Снятие напряжения 70 80 8
Отожженный 35 65 20
Нормализованный 48 75 15
ASTM A36 36 58 21 29e6 0.283 0,3
ASTM A516 Класс 70 38 70 17 29e6 0,283 0,3
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
Материал Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
AISI 4130 Горячекатаный 70 90 20 29e6 0.283 0,32
Снятие напряжения 85 105 10
Отожженный 55 75 30
Нормализованный 60 90 20
AISI 4140 Горячекатаный 90 120 15 29,7e6 0.283 0,32
Снятие напряжения 100 120 10
Отожженный 60 80 25
Нормализованный 90 120 20
ASTM A242 46 67 18 30e6 0,282 0.3
ASTM A302 Класс А 45 75 15 29e6 0,282 0,29
Марка C 50 80 17
ASTM A514 Закаленная и отпущенная 100 110 18 29e6 0,283 0,3
ASTM A517 Марка F 100 115 16 29e6 0.280 0,29
ASTM A533 Класс 1 50 80 18 29e6 0,282 0,29
Класс 2 70 90 16
Класс 3 83 100 16
ASTM A572 Марка 50 50 65 18 30e6 0.283 0,3
ASTM A588 50 70 18 29,7e6 0,280 0,28
ASTM A633 Класс E 55 75 18 29,7e6 0,280 0,28
ASTM A656 Марка 50 50 60 20 29e6 0.282 0,29
Класс 60 60 70 17
Класс 70 70 80 14
Марка 80 80 90 12
Марка 100 100 110 12
ASTM A710 Класс А 80 85 20 29.7e6 0,280 0,3
HY-80 80 18 29,7e6 0,280 0,3
HY-100 100 16 29,7e6 0,284 0,3
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
Материал Класс Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
AISI 201 Аустенитный Отожженный 40 75 40 28e6 0.289 0,27
AISI 202 Аустенитный Отожженный 40 75 40 28e6 0,289 0,27
AISI 302 Аустенитный Отожженный 30 75 40 28e6 0,289 0,27
AISI 304 Аустенитный Отожженный 30 75 40 28e6 0.289 0,29
AISI 304L Аустенитный Отожженный 25 70 40 28e6 0,289 0,28
AISI 316 Аустенитный Отожженный 30 75 40 28e6 0,289 0,26
AISI 316L Аустенитный Отожженный 25 70 40 28e6 0.289 0,26
AISI 405 Ферритный 25 60 20 29e6 0,282 0,28
AISI 410 Мартенситный Отожженный 40 70 16 29e6 0,282 0,28
Закаленная и отпущенная 80 100 12
AISI 430 Ферритный 30 60 20 29e6 0.282 0,28
AISI 446 Ферритный Отожженный 40 65 16 29e6 0,282 0,28
15-5PH Мартенситная дисперсионная закалка H900 170 190 10 28,5e6 0,283 0,27
h2025 145 155 12
ч 2150 105 135 16
17-4PH Мартенситная дисперсионная твердость H900 170 190 10 28.5e6 0,282 0,27
h2025 145 155 12
ч 2150 105 135 16
17-7PH Полуустенитная дисперсионная твердость Th2050 150 177 6 29e6 0,276 0,28
А-286 Аустенитная дисперсионная твердость 95 140 15 29.1e6 0,287 0,31
Сплав 2205 Дуплекс аустенитно-ферритный 65 95 25 28,5e6 0,287 0,27
Ферраллий 255 Дуплекс аустенитно-ферритный 80 110 15 28,5e6 0,287 0.27
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
Материал Класс Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
ASTM A159 Серый чугун G1800 18 9.6 — 14e6 0,264 0,26
G2500 25 12–15e6
G3000 30 13–16,4e6
G3500 35 14,5 — 17e6
G4000 40 16 — 20e6
ASTM A536 Ковкий чугун 60-40-18 класс 40 60 18 24.5e6 0,256 0,29
Класс 65-45-12 45 65 12 24,5e6 0,256 0,3
Марка 80-55-06 55 80 6 24,5e6 0,256 0,31
Марка 100-70-03 70 100 3 24.5e6 0,256 0,3
Класс 120-90-02 90 120 2 23,8e6 0,256 0,28
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
Материал Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
Al 2014 Т6, Т651 59 67 7 10.5 0,101 0,33
Al 2024 T4 40 62 10 10,5 0,1 0,33
Al 5052 ч42 23 38 9 10,1 0,097 0,33
Al 5083 h216, h421 31 44 10 10.3 0,096 0,33
h42 31 56 12
Al 6061 T4 16 26 16 9,9 0,098 0,33
T6 35 38 8
Al 7075 Т6, Т651 68 78 6 10.3 0,101 0,33
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
Материал Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
Хастеллой C-276 Раствор отожженный 41 100 40 29.8 0,321 0,28
Инконель 625 1 класс 55 110 30 29,8 0,305 0,28
2 класс 40 100 30
Инконель 686 1 класс 85 120 20 29,8 0.315 0,28
2 класс 125 135 20
Оценка 3 150 160 20
Инконель 718 Раствор, отожженный и состаренный 120 150 20 29,4 0,297 0,29
Термообработанный раствор 150 180 10
Инконель 725 Раствор отожженный 40 75 45 29.6 0,3 0,31
Раствор, отожженный и состаренный 120 150 20
Монель 400 Отожженный 25 70 35 26 0,319 0,32
Горячекатаный 40 75 30
Холодная обработка, снятие напряжений 50 80 20
Монель К-500 Отожженные и состаренные 85 130 20 26 0.306 0,32
Холодная обработка и выдержка 100 140 15
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
Материал Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
70/30 Медно-никелевый сплав Отожженный 18 45 30 21.8 0,323 0,3
Холодная обработка 50 65 10
90/10 Медно-никелевый сплав Отожженный 15 38 30 20,3 0,323 0,3
Холодная обработка 30 50 15
Алюминий бронза 32 85 12 15.5 0,269 0,316
Бериллий Медь Раствор термообработанный 75 85 8 18,5 0,298 0,27
Термическая обработка осадков 140 165 3
Никель Алюминий Бронза 632 Отожженный 34 90 10 16.7 0,274 0,32
Закаленная 50 90 15
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
Материал Состояние Предел текучести
Предел прочности [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Ultimate
Strength [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]
Удлинение
%
Упругость
Модуль упругости [psi]
Плотность
[фунт / дюйм 3 ]
Коэффициент Пуассона
Коммерчески чистый 2 класс 40 50 20 14.8 0,163 0,34
Ti-5Al-2.5Sn Отожженный 110 115 10 15,5 0,162 0,31
Ti-6Al-4V 5 класс 120 130 10 16 0,16 0,31
Ti-6Al-4V, ELI 23 класс 110 120 10 16.5 0,16 0,31
Ti-5-1-1-1 Оценка 32 85 100 10 16 0,16 0,31
ПРИМЕЧАНИЕ : Данные, соответствующие конкретным спецификациям материалов, см. В нашей базе данных материалов.
.

Влияние температуры деформации на развитие микроструктуры и механические свойства низкоуглеродистой высокомарганцевой стали

В данной работе рассматривается влияние температуры деформации в диапазоне от -40 ° C до 200 ° C на эволюцию микроструктуры и механические свойства низкоуглеродистая высокомарганцевая аустенитная сталь. Температурный диапазон был выбран таким образом, чтобы выдерживать время обработки листа или автомобильной аварии. Результаты экспериментов показывают, что предел текучести и предел прочности при растяжении постепенно ухудшаются с увеличением температуры испытания на растяжение.Доминирующий механизм, ответственный за деформационное упрочнение стали, изменяется в зависимости от температуры деформации, которая связана с изменениями энергии дефекта упаковки (ЭДУ). При повышении температуры деформации двойникование уменьшается, а роль дислокационного скольжения возрастает.

1. Введение

Среди новых марок стали, разработанных для применения в кузовах автомобилей [1–5], высокомарганцевые аустенитные стали являются привлекательными материалами для автомобильной промышленности благодаря их уникальному сочетанию высокой прочности, пластичности и формуемости.Высокомарганцевые стали характеризуются высокой скоростью деформационного упрочнения в результате эффектов TRIP (пластичность, вызванная превращением), TWIP (пластичность, вызванная двойникованием) или SIP (пластичность, вызванная сдвигом) [6, 7]. В литературе уже имеется множество отчетов о механических свойствах сталей с высоким содержанием Mn TRIP или TWIP. Большинство из них характеризуют влияние параметров термообработки на микроструктуру, механические свойства [8–11] и коррозионное поведение сталей [12, 13].

Преобладающий механизм упрочнения этих сталей сильно зависит от химического состава, особенно от содержания углерода, марганца, алюминия и кремния. Механизм деформации зависит также от энергии дефекта упаковки, скорости деформации и температуры. TRIP-эффект преобладает, когда SFE ниже 25 мДж / м. 2 — некоторая доля аустенита превращается в мартенситы ε или α ′. Когда значение SFE находится в диапазоне 25–60 мДж / м 2 , возникают двойники деформации (эффект TWIP).Если значение SFE выше 60 мДж / м 2 , сталь упрочняется в основном за счет наклепа. Алюминий сильно увеличивает ЭДУ, тогда как кремний вызывает противоположный эффект [14–16].

Изменение температуры деформации существенно влияет на ЭДУ, что, в свою очередь, влияет на характер упрочнения. Shterner et al. сообщили [17], что повышение температуры деформации стали TWIP Fe-0.6C-18Mn-1Al вызвало снижение предела текучести, предела прочности на разрыв, а также общего и равномерного удлинения.Наивысшие механические свойства стали TWIP были обнаружены при комнатной температуре. Они постепенно уменьшаются с повышением температуры деформации. Они также сообщили [17], что деформационное упрочнение объясняется сложными микроструктурными изменениями, вызванными динамической деформацией, включая динамическое восстановление, дислокационную диссоциацию, образование дефектов упаковки, механическое двойникование и динамическое деформационное старение.

Asghari et al. В [18] механизмы упрочнения классифицированы в зависимости от характерных температурных режимов при испытаниях на однонаправленное сжатие: 25–300 ° С, 300–700 ° С, 700–1000 ° С.Сталь Fe-0,07C-18Mn-2Si-2Al показала эффект пластичности, вызванной трансформацией (эффект TRIP), как основной механизм деформации от 25 ° C до 200 ° C, тогда как двойникование при деформации (эффект TWIP) началось с 200 ° C до 300 ° C. ° C. При температуре выше 700 ° C динамическая реставрация, восстановление и рекристаллизация играют ключевую роль в эволюции микроструктуры экспериментальной стали в соответствии с уменьшением SFE. Аналогичные результаты были получены Salas-Reyes et al. [19] для стали Fe-0.1C-21Mn-2.5Si-1.6Al при испытаниях на сжатие в диапазоне температур от 25 ° C до 1000 ° C.Локальный состав стали может измениться во время горячей деформации, например, из-за вызванного деформацией осаждения или разложения, что приведет к изменениям ЭПС [19].

Eskandari et al. В работе [20] изучалась пластичность стали Fe-0.45C-22Mn-1.5Al-1.5Si при одноосных испытаниях на растяжение в горячем состоянии в интервале температур 700–1100 ° C при постоянной скорости деформации. Они указали, что пиковое напряжение уменьшается с увеличением температуры с 250 МПа при 700 ° C до 30 МПа при 1100 ° C.Наибольшая пластичность обнаружена в интервале промежуточных температур (800–900 ° C). Это было вызвано динамической рекристаллизацией.

До сих пор механическое поведение низкоуглеродистых высокомарганцевых сталей в диапазоне температур 20–200 ° C и ниже комнатной температуры исследовалось редко [18, 19]. Большинство публикаций касается механических свойств высокоуглеродистых высокомарганцевых сталей при повышенных температурах: 700–1000 ° C, которые имитируют условия горячей прокатки. Таким образом, целью данной статьи является определение влияния температуры деформации на эволюцию микроструктуры и механические свойства низкоуглеродистой высокомарганцевой стали в диапазоне температур от -40 ° C до 200 ° C, который выбирается для того, чтобы выдерживать при листовой штамповке или автокатастрофе.

2. Методика эксперимента
2.1. Материал

Химический состав используемой стали X6MnSiAlNbTi26-3-3 приведен в таблице 1. Углерод и марганец являются основными стабилизаторами аустенита, тогда как кремний и алюминий были добавлены для обеспечения упрочнения твердого раствора. Небольшие количества Nb и Ti добавляли для дисперсионного упрочнения и измельчения зерна. Химический состав стали существенно влияет на ЭДУ, что связано с механизмами упрочнения [14–16].


C Mn Si Al S P Nb Ti N O


0,065 26,00 3,08 2,87 0,013 0,002 0,034 0,010 0,0028 0,0006

Стальной слиток (25 кг) был приготовлен под вакуумом таяние.Затем его подвергли горячей штамповке на высокоскоростном гидравлическом прессе с давлением ковки 300 тонн в диапазоне температур от 1200 ° C до 900 ° C. Плоские прутки после ковки подвергали горячей прокатке до толщины 4,5 мм. Термомеханическая обработка включала горячую прокатку плоских образцов за 3 прохода (при температурах: 1050 ° C, 950 ° C и 850 ° C) до конечной толщины ∼2 мм, полученной при температуре чистовой прокатки 850 ° C. Горячая прокатка проводилась на реверсивном прокатном стане при окружной скорости валков 0.65 м · с −1 . После термообработки раствора при 900 ° C в течение 20 мин следовало быстрое охлаждение водой до комнатной температуры.

2.2. Испытания на растяжение

Образцы на растяжение толщиной 2 мм были изготовлены из горячекатаного листа вдоль направления прокатки для исследования влияния температуры деформации на развитие микроструктуры и механические свойства. Испытания на растяжение проводились при −40 ° C, 20 ° C, 80 ° C, 140 ° C и 200 ° C со скоростью деформации 5 × 10 −3 с −1 с использованием универсального испытания INSTRON 4505. машина.

2.3. Определение микроструктуры

Микроструктурный анализ был выполнен с использованием оптического микроскопа Zeiss Axio Observer Z1m. Детали микроструктуры выявлялись с помощью растрового электронного микроскопа Zeiss SUPRA 25, работающего при 20 кВ. Образцы в исходном состоянии и после испытаний на растяжение механически шлифовали бумагой SiC до сетки 1500, полировали Al 2 O 3 и затем протравливали с использованием 5% нитала для наблюдения микроструктуры.

3.Результаты и обсуждение
3.1. Развитие микроструктуры

Микроструктура стали X6MnSiAlNbTi26-3-3 в исходном состоянии показана на рис. 1. Зерна аустенита относительно крупные и вытянутые вдоль направления прокатки. Также наблюдались двойники отжига.

Результаты, полученные в результате испытаний на растяжение, указывают на взаимосвязь между температурой испытания, микроструктурой и механическими свойствами. Микроструктура стали, деформированной при статическом испытании на растяжение при -40 ° C, характеризуется наличием аустенитных зерен, вытянутых в соответствии с направлением приложенной растягивающей нагрузки.С уменьшением температуры деформации SFE уменьшается [18], поэтому механическое двойникование произошло как основной механизм упрочнения (рис. 2 (а)). Низкий SFE приводит к снижению уровня стресса, необходимого для запуска процесса двойникования. СЭМ-изображение также показало наличие полос скольжения (рис. 2 (б)). Shterner et al. сообщили [17], что в стали Fe-0.6C-18Mn-1Al механические двойники зарождались на границах зерен, а затем распространялись по внутренней части зерна по мере увеличения степени деформации.Количество деформационных двойников в микроструктуре связано с увеличением плотности дислокаций в процессе деформации. Микроструктура стали, деформированной при комнатной температуре, аналогична микроструктуре, полученной при −40 ° C. Это касается количества пересекающихся линий и полос скольжения, а также многочисленных двойников деформации. Возникновение эффекта пластичности, вызванного преобразованием (TRIP) или механизма двойникования (TWIP), является обычным явлением при относительно низкой температуре испытаний. Shterner et al. [17] сообщили, что при уровне деформации 0.4, объемная доля механических двойников уменьшилась с 11,2% при комнатной температуре до 5% и 2,9% при 100 ° C и 200 ° C соответственно.

Микроструктура образца, деформированного при 80 ° C, указывает на доминирующую роль пересекающихся линий и полос скольжения (рис. 2 (c) и 2 (d)). Количество двойников деформации меньше, чем в образцах, деформированных при −40 ° C и 20 ° C. Повышение температуры испытания до 80 ° C приводит к увеличению SFE, что ограничивает возникновение двойников. Деформация образца при 140 ° C способствует скольжению дислокаций как основному механизму деформации, в то время как образование двойников сильно ограничено.Преобладающим механизмом деформации при 200 ° C, по-видимому, является скольжение дислокаций (Рисунки 2 (e) и 2 (f)). Chen et al. [21] подтвердили, что в аустените, деформированном в области без рекристаллизации, можно наблюдать полосы деформации, которые перекрывают зерна примерно параллельными линиями. Мартенситы ε или α ′ в интервале температур от −40 ° C до 200 ° C не наблюдались. Такое поведение характерно для сталей, характеризующихся ЭДУ> 20 мДж / м 2 , что обусловлено химическим составом.

3.2. Механические свойства

Механические свойства стали, испытанной на растяжение при каждой температуре, показаны в таблице 2, что указывает на сильную температурную зависимость.


Температура ( T ) Предел прочности (UTS) (МПа) Предел текучести (YS 0,2 ) (МПа) YS 0,2 / UTS Общее удлинение (TE) (%)

1 −40 ° C 834 577 0.69 43,4
2 20 ° C 743 554 0,75 43,8
3 80 ° C 676 527 0,78 41,8
4 140 ° C 617 511 0,83 43,4
5 200 ° C 604 509 0,84 22,4

На рис. 3 показаны кривые истинное напряжение-истинная деформация в диапазоне температур от –40 ° C до 200 ° C.Сталь X6MnSiAlNbTi26-3-3 показала лучшие механические свойства при -40 ° C, имея предел прочности (UTS) 834 МПа, предел текучести (YS) 577 МПа и общее удлинение 43,4% (рисунки 3-5). . При -40 ° C преобладающим механизмом, ответственным за упрочнение стали при высокой деформации, является двойникование (рис. 2 (а) и 2 (б)). Соотношение YS / UTS в этом случае составляет 0,69, что указывает на относительно высокий потенциал роста (Рисунок 5).




Сталь, деформированная при 20 ° C, характеризуется несколько более низкими механическими свойствами (YS = 584 МПа; UTS = 743 МПа), чем сталь, деформированная при -40 ° C (рисунок 4).Соотношение YS / UTS увеличивается до 0,75 (Рисунок 5). Это показывает постепенное снижение интенсивности упрочнения с повышением температуры деформации. Общее удлинение остается на том же уровне ~ 43,8% (рис. 5). Сочетание высокой прочности и пластичности как при -40 ° C, так и при комнатной температуре в основном связано с механизмом двойникования. При 80 ° C механические свойства снизились: YS = 527 МПа и UTS = 676 МПа (рисунок 4), что связано с уменьшением плотности двойников деформации (рисунки 2 (в) и 2 (г)) и постепенное увеличение лесхоза.Соотношение YS / UTS увеличилось до 0,78 (Рисунок 5). При повышении температуры возрастает роль линий и полос скольжения в пластической деформации. Однако уменьшение общего удлинения относительно невелико (~ 2%) по сравнению с образцом, деформированным при 20 ° C (Рисунок 5). Такое небольшое уменьшение обусловлено сочетанием механического двойникования и скольжения и общей высокой пластичностью аустенитной фазы.

Образец, деформированный при 140 ° C, показывает более низкий эффект упрочнения, чем образцы, деформированные в более низком диапазоне температур (рис. 3).YS и UTS составляют 511 МПа и 617 МПа соответственно. Отношение YS / UTS при этой температуре соответствует 0,83 (Рисунок 5). Это свидетельствует о значительном снижении интенсивности упрочнения. Это также отражается на наклоне кривой σ ε (Рисунок 3). Температура 140 ° C способствует скольжению дислокаций как основному механизму деформации. Тем не менее, смена доминирующего механизма деформации от двойникования к дислокационному скольжению все еще не слишком вредна для полного удлинения (43.4%), но эти условия сильно влияют на прочностные свойства.

Механические свойства, определенные для образца, деформированного при 200 ° C, являются самыми низкими по сравнению с результатами, полученными при более низких температурах (таблица 2). YS и UTS составляют 509 МПа и 604 МПа соответственно (Рисунок 4), а YS / UTS = 0,84 (Рисунок 5). Небольшой наклон кривой σ ε , показанной на рисунке 3, указывает на минимальную интенсивность упрочнения. Образец, деформированный при 200 ° C, характеризуется быстрым снижением пластичности, выраженным как наименьшее общее удлинение = 22.4% (рисунок 5). Пластичность почти вдвое ниже по сравнению с другими образцами. Значительное снижение пластичности связано с исчезновением механического двойникования и повышением значимости диффузионных процессов, активируемых при повышенных температурах.

Asghari et al. [18] сообщили, что механическое двойникование, происходящее внутри аустенитных зерен в результате изменения температуры деформации, сильно влияет на механическое поведение стали. Механические двойники разделяют аустенитные зерна и уменьшают длину свободного пробега дислокаций.Таким образом, двойниковые границы действуют как сильные барьеры для движения дислокаций. Следовательно, более высокие механические свойства отражают возникновение механического двойникования. Механические двойники наблюдались в микроструктурах образцов, деформированных в интервале температур: –40–80 ° C (рис. 2 (а) –2 (г)). Эскандари и др. [20] наблюдали механические двойники в интервале температур 150–600 ° C при сжатии стали Fe-0,1C-21Mn-2,5Si-1,6Al-0,02Nb-0,02Ti-0,01V. Shterner et al. [17] показали, что механические свойства, такие как YS и UTS Fe-0.Сталь 6С-18Мн-1А снизилась с увеличением температуры испытания на растяжение: от YS = 500 МПа и UTS = 1000 МПа при комнатной температуре до YS = 430 МПа и UTS = 840 МПа при 200 ° С. Общее удлинение было высоким между 20 ° C и 100 ° C (60–65%) и постепенно снижалось выше 100 ° C (например, 47% при 200 ° C).

Сталь наиболее интенсивно проявляет эффект TWIP при -40 ° C. Механические двойники были обнаружены до ∼80 ° C. Asghari et al. [18] и Eskandari et al. [20] наблюдали эффект TWIP в интервале температур 200–300 ° C.Кажется, что сталь демонстрирует оптимальный TWIP-эффект при более низких температурах. Чтобы получить лучший эффект TWIP при комнатной температуре и при повышенных температурах, может потребоваться некоторое изменение химического состава стали. Ожидается, что эффект TWIP может быть усилен за счет снижения содержания алюминия и марганца, когда SFE при комнатной температуре будет высоким.

Считается, что механическое двойникование существенно влияет на деформационное упрочнение сталей с высоким содержанием Mn.Наличие в микроструктуре механических двойников блокирует движение дислокационного скольжения [17, 21]. Постепенное увеличение количества механических двойников и повышение уровня деформации препятствуют локализации деформации. Показатель деформационного упрочнения n постепенно увеличивается по мере увеличения степени деформации (Рисунок 6). Наибольшее значение n экспоненты = 0,46 было получено при -40 ° C (Рисунок 7). Это связано с доминирующим характером механизма двойникования, который уменьшается с увеличением температуры деформации.С увеличением температуры испытания потенциал упрочнения, выраженный в виде значений n , постепенно уменьшается. Shterner et al. [17] предположили, что взаимодействия скользящих дислокаций с дефектами упаковки имеют больший вклад в деформационное упрочнение (область плато) по сравнению с механическим двойникованием при комнатной температуре. Настоящая сталь имеет относительно небольшой размер зерен (большая площадь границ зерен), что значительно усиливает взаимодействие между дислокациями и границами зерен.Однако при 200 ° C границы зерен начинают терять армирующий характер из-за инициирования диффузионных процессов.



Температура деформации сильно влияет на скорость деформационного упрочнения (рис. 8). Форма кривых типична; то есть значения d σ / d ε быстро уменьшаются в начальном диапазоне деформации. Затем скорость деформационного упрочнения стабилизируется на постоянном уровне для образцов, деформированных между -40 ° C и 140 ° C из-за совместного возникновения деформационного двойникования и деформационного скольжения.Различный уровень деформационного двойникования при разных температурах отражается в разном постоянном значении d σ / d ε . Это примерно 1900–1800 МПа для температуры −40 ° C и около 1000 МПа для образца, деформированного при 140 ° C. Иное поведение наблюдается для образца, деформированного при максимальной температуре деформации, где наблюдается непрерывное уменьшение скорости деформационного упрочнения из-за отсутствия деформационного двойникования.


4. Выводы

В настоящем исследовании изучалось влияние температуры деформации на эволюцию микроструктуры и механические свойства низкоуглеродистой стали с высоким содержанием Mn.Сталь показала лучшие механические свойства при -40 ° C благодаря эффекту TWIP. Предел текучести и предел прочности при растяжении постепенно ухудшались с увеличением температуры деформации от -40 ° C до 200 ° C. Снижение механических свойств связано с уменьшением вклада двойникования, тогда как скольжение дислокаций увеличивается. Значительное снижение пластичности произошло при 200 ° C из-за отсутствия механического двойникования, а процессы диффузии активировались при повышенных температурах.

Трение, возникающее при формовании стального листа или аварии, очень часто может привести к повышению температуры формованной металлической детали до ~ 100 ° C. Чтобы максимизировать потенциальное применение стали с высоким содержанием Mn, следует изменить ее химический состав, чтобы снизить ее ЭПЭ в желаемом диапазоне температур от 20 ° C до 100 ° C. В результате оптимальное окно механических свойств сместится в сторону более высоких температур. Один из вариантов — снизить содержание алюминия.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

.

Механические свойства материалов | MechaniCalc

ПРИМЕЧАНИЕ. Эта страница использует JavaScript для форматирования уравнений для правильного отображения. Пожалуйста, включите JavaScript.


Механические свойства материала влияют на его поведение при нагрузке. Модуль упругости материала влияет на то, насколько он прогибается под нагрузкой, а прочность материала определяет напряжения, которые он может выдержать до разрушения. Пластичность материала также играет важную роль в определении того, когда материал сломается, когда он будет загружен за пределы его предела упругости.Поскольку каждая механическая система во время работы подвергается нагрузкам, важно понимать, как ведут себя материалы, из которых состоят эти механические системы.

На этой странице описаны механические свойства материалов, которые важны для проектирования и анализа механических систем.

Содержание

Напряжение и деформация

Взаимосвязь между напряжением и деформацией в материале определяется путем испытания образца материала на растяжение или сжатие.В этом испытании к испытательному образцу прикладывают постоянно увеличивающуюся осевую силу, и измеряют прогиб при увеличении нагрузки. Эти значения могут быть нанесены на график в виде кривой нагрузки-прогиба. Прогиб испытуемого образца зависит как от модуля упругости материала, так и от геометрии образца (площади и длины). Поскольку нас интересует поведение материалов без учета геометрии, полезно обобщить данные, чтобы устранить влияние геометрии. Это делается путем преобразования значений нагрузки в значения напряжения и преобразования значений прогиба в значения деформации:

В уравнении для напряжения P — это нагрузка, а A 0 — первоначальная площадь поперечного сечения испытуемого образца.В уравнении для деформации L — текущая длина образца, а L 0 — исходная длина.

Кривая напряжения-деформации

Значения напряжения и деформации, определенные в результате испытания на растяжение, могут быть построены в виде кривой напряжения-деформации , как показано ниже:



На диаграмме выше есть несколько интересных мест:

  • P: Это предел пропорциональности , который представляет максимальное значение напряжения, при котором кривая напряжения-деформации является линейной.
  • E: Это предел упругости , который представляет максимальное значение напряжения, при котором отсутствует постоянная установка. Несмотря на то, что кривая не является линейной между пределом пропорциональности и пределом упругости, материал все еще остается эластичным в этой области, и если нагрузка снимается в этой точке или ниже, образец вернется к своей исходной длине.
  • Y: это предел текучести , который представляет значение напряжения, выше которого деформация начнет быстро увеличиваться.Напряжение в пределе текучести называется пределом текучести , S ty . Для материалов без четко определенного предела текучести он обычно определяется с использованием метода смещения 0,2% , в котором проводится линия, параллельная линейному участку кривой, которая пересекает ось x при значении деформации 0,002. Точка, в которой линия пересекает кривую напряжения-деформации, обозначается как предел текучести.
  • U: Эта точка соответствует пределу прочности , S tu , что является максимальным значением напряжения на диаграмме «напряжение-деформация».Предел прочности также называют пределом прочности на разрыв . После достижения предельного напряжения образцы из пластичных материалов будут иметь сужение , при котором площадь поперечного сечения в локализованной области образца значительно уменьшается.
  • F: Это точка разрушения или точка разрыва , которая является точкой, в которой материал разрушается и разделяется на две части.

Кривые «напряжение-деформация» обычно необходимы при анализе сконструированного компонента.Однако данные «напряжение-деформация» не всегда могут быть легко доступны. В этом случае довольно просто аппроксимировать кривую напряжения-деформации материала, используя уравнение Рамберга-Осгуда.

Истинное напряжение и деформация

Инженеры обычно работают с техническим напряжением , которое представляет собой силу, деленную на исходную площадь образца перед нагрузкой: σ = P / A 0 . Однако по мере загрузки материала площадь уменьшается. Истинное напряжение , является значением напряжения в материале с учетом фактической площади образца.Поскольку площадь уменьшается по мере нагружения материала, истинное напряжение выше, чем инженерное напряжение.

На рисунке ниже показана инженерная кривая напряжения-деформации в сравнении с истинной кривой напряжения-деформации. Поскольку инженерное напряжение рассчитывается как сила, деленная на исходную площадь (которая является постоянной), инженерная кривая напряжения-деформации имеет ту же форму, что и кривая нагрузки-прогиба. Инженерная кривая напряжения-деформации падает после достижения предела прочности, потому что сила, которую может поддерживать материал, падает, когда он начинает сужаться.Однако значение напряжения на кривой истинного напряжения-деформации всегда увеличивается с увеличением деформации. Это связано с тем, что при расчете истинного напряжения используется мгновенное значение площади. Даже когда сила, поддерживаемая материалом, падает, уменьшение площади образца перевешивает уменьшение силы, и напряжение продолжает расти.


Следует отметить, что инженерное напряжение и истинное напряжение практически одинаковы в линейно-упругой области кривой напряжения-деформации.Поскольку инженеры обычно работают в этой линейно-упругой области (редко проектируют конструкцию, которая предназначена для работы за пределами предела упругости), допустимо работать с инженерным напряжением, а не с истинным напряжением.

Техническая деформация — это изменение длины, деленное на исходную длину: ε = ΔL / L 0 . Вместо того, чтобы просто рассчитывать одно значение ΔL, примите во внимание, что изменение длины делится на множество небольших приращений, ΔL j .Деформация также рассчитывается небольшими приращениями: ε j = ΔL j / L j , где ΔL j — изменение длины для приращения, а L j — длина в начале приращение. Когда эти приращения становятся бесконечно малыми, сумма деформаций приближается к истинной деформации:

Если предположить, что объем постоянный на протяжении всего прогиба, то истинное напряжение и деформацию можно рассчитать как:

Истинное напряжение:
Истинная деформация:

где и — истинное напряжение и деформация, а σ и ε — инженерное напряжение и деформация.

Закон Гука

Ниже предела пропорциональности кривой напряжения-деформации зависимость между напряжением и деформацией является линейной. Наклон этого линейного участка кривой зависимости деформации от напряжения составляет модуль упругости , E, также называемый модулем Юнга и модулем упругости . Закон Гука выражает взаимосвязь между модулем упругости, напряжением и деформацией в материале в линейной области:

σ = E ε

где σ — значение напряжения, а ε — значение деформации.

Закон Гука при сдвиге

Закон Гука также имеет форму, касающуюся касательных напряжений и деформаций:

τ = G γ

где τ — значение напряжения сдвига, γ — значение деформации сдвига, G — модуль упругости при сдвиге. Модуль упругости и модуль сдвига связаны между собой:

где ν — коэффициент Пуассона.

Более подробную информацию о законе Гука можно найти здесь.

Коэффициент Пуассона

Когда к материалу прикладывается нагрузка, он удлиняется, и площадь поперечного сечения уменьшается.Это уменьшение площади поперечного сечения называется боковой деформацией , и оно связано с осевой деформацией коэффициентом Пуассона , ν. Для круглого образца это уменьшение площади реализуется как уменьшение диаметра, а коэффициент Пуассона рассчитывается как:

Коэффициент Пуассона применяется только в упругой области кривой зависимости напряжения от деформации и обычно составляет около 0,3 для большинства металлов. Теоретический максимальный предел коэффициента Пуассона составляет 0,5.



Деформационное упрочнение

После того, как материал поддается пластической деформации, он начинает быстро деформироваться.Как только материал поддается, он начинает деформироваться, что увеличивает прочность материала. На приведенных ниже кривых «напряжение-деформация» видно, что прочность материала увеличивается между пределом текучести Y и пределом прочности в точке U. Это увеличение прочности является результатом деформационного упрочнения.

Пластичный материал на рисунке ниже по-прежнему способен выдерживать нагрузку даже после достижения предельной прочности. Однако после достижения предела прочности в точке U увеличение прочности за счет деформационного упрочнения опережает снижение несущей способности из-за уменьшения площади поперечного сечения.Между пределом прочности в точке U и точкой разрушения F инженерная прочность материала снижается и возникает образование шейки.

На приведенной ниже кривой «напряжение-деформация» для хрупкого материала показана очень небольшая область деформационного упрочнения между пределом текучести Y и пределом прочности U. Однако обратите внимание, что хрупкий материал может фактически не проявлять никаких свойств пластичности или деформационного упрочнения вообще — в этом случае материал выйдет из строя на линейном участке кривой.Это чаще встречается в таких материалах, как керамика или бетон.

Поскольку область деформационного упрочнения возникает между пределом текучести и пределом прочности, отношение предела прочности к пределу текучести иногда используется в качестве меры степени деформационного упрочнения материала. Это соотношение представляет собой коэффициент деформационного упрочнения :

Коэффициент деформационного упрочнения = S tu / S ty

Согласно Доулингу, типичные значения коэффициента деформационного упрочнения в металлах составляют примерно от 1.2 к 1.4.

Если материал нагружен сверх предела упругости, он подвергнется постоянной деформации. После разгрузки материала упругая деформация восстановится (вернется к нулю), но пластическая деформация останется.

На приведенном ниже рисунке показана кривая напряжения-деформации материала, который был нагружен за пределом текучести, Y. При первой загрузке материала напряжение и деформация следовали кривой OY-Y ‘, а затем нагрузка была снята после напряжение достигло точки Y ‘.Поскольку материал был нагружен за пределом упругости, восстанавливается только упругая часть деформации — теперь в материале присутствует некоторая постоянная деформация. Если материал будет загружен снова, он будет следовать по линии O’-Y’-F, где O’-Y ‘- это предыдущая линия разгрузки. Точка Y ‘- это новый предел текучести. Обратите внимание, что линия O’-Y ‘является линейной с наклоном, равным модулю упругости, а точка Y’ имеет более высокое значение напряжения, чем точка Y. Таким образом, теперь материал имеет более высокий предел текучести, чем был ранее, что является результатом деформационного упрочнения, произошедшего при нагружении материала сверх предела упругости.

Благодаря деформационному упрочнению материал теперь имеет большую упругую область и более высокий предел текучести, но его пластичность была снижена (деформация между точками Y’-F меньше деформации между точками Y-F).

Упругая и пластическая деформация

До предела упругости деформация материала также является упругой и будет восстанавливаться при снятии нагрузки, так что материал возвращается к своей исходной длине. Однако, если материал нагружен сверх предела упругости, в материале будет возникать остаточная деформация, которую также называют пластической деформацией.

На рисунке выше в материале присутствуют как упругие, так и пластические деформации. Если нагрузка снимается в указанной точке (σ, ε), напряжение и деформация в материале будут следовать линии разгрузки, как показано. Упругая деформация и пластическая деформация указаны на рисунке и рассчитываются как:

Упругая деформация: ε e = σ / E
Пластмассовая деформация: ε p = ε — ε e

где σ — напряжение в указанной точке, ε — деформация в указанной точке, а E — модуль упругости.

Пластичность

Пластичность — это показатель того, насколько пластическая деформация может выдержать материал, прежде чем он сломается. Пластичный материал может выдерживать большие деформации даже после того, как он начал деформироваться. Общие меры пластичности включают удлинение на процентов, и уменьшение площади на , как описано в этом разделе.

После разрушения образца во время испытания на растяжение измеряется окончательная длина образца и рассчитывается пластическая деформация при разрыве, также известная как деформация при разрыве :

где L f — конечная длина образца после разрыва, а L o — начальная длина образца.Важно отметить, что после разрушения образца упругая деформация, которая существовала, когда образец находился под нагрузкой, восстанавливается, поэтому измеренная разница между конечной и начальной длинами дает пластическую деформацию при разрушении. Это показано на рисунке ниже:

На рисунке видно, что пластическая деформация при разрушении ε f — это деформация, остающаяся в материале после восстановления упругой деформации. Предел деформации, ε u , представляет собой полную деформацию при разрушении (пластическая деформация плюс упругая деформация).

Относительное удлинение % рассчитывается исходя из пластической деформации при разрушении по формуле:

Относительное удлинение в процентах — это обычно предоставляемое свойство материала, поэтому пластическая деформация при разрушении обычно рассчитывается из относительного удлинения:

ε f = eL / 100%

Предел деформации учитывает как пластическую, так и упругую деформацию при разрушении:

ε u = ε f & plus; S tu / E

Другим важным свойством материала, которое можно измерить во время испытания на растяжение, является уменьшение площади , которое рассчитывается по формуле:

Помните, что относительное удлинение и уменьшение площади составляют пластиковые компоненты осевой деформации и поперечной деформации соответственно.

Пластичные и хрупкие материалы

Пластичный материал может выдерживать большие деформации даже после того, как он начал деформироваться, тогда как хрупкий материал может выдерживать небольшую пластическую деформацию или вообще не выдерживать ее. На рисунке ниже показаны типичные кривые зависимости напряжения от деформации для пластичного и хрупкого материалов.

На рисунке выше видно, что пластичный материал значительно деформируется до точки разрушения F. Между пределом текучести в точке Y и пределом прочности в точке U, где материал подвергается деформационному упрочнению, существует длинная область.Также существует длинная область между пределом прочности в точке U и точкой разрушения F, в которой площадь поперечного сечения материала быстро уменьшается и возникает образование шейки.

На рисунке выше видно, что хрупкий материал разрушается вскоре после достижения предела текучести. Кроме того, предел прочности совпадает с точкой разрушения. В этом случае шейки не происходит.

Поскольку площадь под кривой зависимости напряжения от деформации для пластичного материала выше, чем площадь под кривой зависимости напряжения от деформации для хрупкого материала, пластичный материал имеет более высокий модуль вязкости — он может поглощать гораздо больше энергии деформации перед тем, как перерывы.Кроме того, поскольку пластичный материал сильно деформируется перед тем, как сломаться, его прогиб перед разрушением будет очень высоким. Таким образом, будет визуально очевидно, что отказ неизбежен, и можно предпринять действия для разрешения ситуации до того, как произойдет катастрофа.

Типичная кривая напряжения-деформации для хрупкого материала показана ниже. Эта кривая показывает напряжение и деформацию как для растягивающей, так и для сжимающей нагрузки. Обратите внимание на то, что материал гораздо более устойчив к сжатию, чем к растяжению, как с точки зрения напряжения, которое он может выдержать, так и с точки зрения деформации перед разрушением.Это типично для хрупкого материала.


Энергия деформации

Когда к материалу прикладывается сила, он деформируется и накапливает потенциальную энергию, как пружина. Энергия деформации (то есть количество потенциальной энергии, запасенной из-за деформации) равна работе, затраченной на деформацию материала. Полная энергия деформации соответствует площади под кривой прогиба нагрузки и имеет единицы дюйм-фунт-сила в обычных единицах США и Н-м в единицах СИ.Энергия упругой деформации может быть восстановлена, поэтому, если деформация остается в пределах упругого предела, то вся энергия деформации может быть восстановлена.

Энергия деформации рассчитывается как:

Общая форма: U = Работа = ∫ F dL (площадь под кривой нагрузки-прогиб)
В пределах предела упругости: (площадь под кривой нагрузки-прогиб)
(потенциальная энергия пружины)

Обратите внимание, что есть два уравнения для энергии деформации в пределах упругого предела.Первое уравнение основано на площади под кривой прогиба нагрузки. Второе уравнение основано на уравнении для потенциальной энергии, запасенной в пружине. Оба уравнения дают один и тот же результат, просто они выводятся несколько по-разному.

Плотность энергии деформации

Иногда удобнее работать с плотностью энергии деформации , которая представляет собой энергию деформации на единицу объема. Это равно площади под диаграммой растяжения:

где пределы в приведенном выше интеграле — от деформации от 0 до ε app , которая представляет собой деформацию, существующую в загруженном материале.

Обратите внимание, что единицы измерения плотности энергии деформации — фунты на квадратный дюйм в обычных единицах США и Па в единицах СИ.

Модуль упругости

Модуль упругости — это количество энергии деформации на единицу объема (то есть плотность энергии деформации), которую материал может поглотить без остаточной деформации. Модуль упругости рассчитывается как площадь под кривой зависимости деформации от напряжения до предела упругости. Однако, поскольку предел упругости и предел текучести обычно очень близки, упругость может быть аппроксимирована как площадь под кривой зависимости напряжения от деформации вплоть до предела текучести.Так как кривая напряжения-деформации почти линейна до предела упругости, эта область имеет треугольную форму.

Модуль упругости рассчитывается как:

общая форма
треугольная форма

где σ el и ε el — напряжение и деформация на пределе упругости, S ty — предел текучести при растяжении, а E — модуль упругости.

Обратите внимание, что единицы модуля упругости такие же, как и единицы плотности энергии деформации: фунты на квадратный дюйм в обычных единицах США и Па в единицах СИ.

Модуль упругости

Модуль ударной вязкости — это количество энергии деформации на единицу объема (то есть плотность энергии деформации), которую материал может поглотить непосредственно перед разрушением. Модуль вязкости рассчитывается как площадь под кривой зависимости напряжения от деформации до точки разрушения.

Точный расчет общей площади под кривой напряжения-деформации для определения модуля вязкости в некоторой степени затруднен. Однако можно сделать грубое приближение, разделив кривую зависимости деформации от напряжения на треугольное и прямоугольное сечения, как показано на рисунке ниже. Высота секций равна среднему значению предела текучести и предела прочности.

Модуль ударной вязкости можно приблизительно рассчитать как:

где S ty — предел текучести при растяжении, S tu — предел прочности при растяжении, ε y — деформация при текучести, ε u — предельная деформация (общая деформация при разрушении), а E — модуль упругости.

Более точный расчет модуля ударной вязкости может быть выполнен с помощью уравнения Рамберга-Осгуда для аппроксимации кривой зависимости напряжения от деформации и последующего интегрирования площади под кривой.

Следует отметить, насколько сильно площадь под пластическим участком кривой зависимости напряжения от деформации (т.е. прямоугольный участок) влияет на ударную вязкость материала. Поскольку пластичный материал может выдерживать гораздо большую пластическую деформацию, чем хрупкий материал, пластичный материал, следовательно, будет иметь более высокий модуль упругости, чем хрупкий материал с тем же пределом текучести.Несмотря на то, что конструкции обычно предназначены для удержания напряжений в упругой области, пластичный материал с более высоким модулем ударной вязкости лучше подходит для приложений, в которых может произойти случайная перегрузка.

Обратите внимание, что единицы модуля упругости такие же, как и единицы плотности энергии деформации: фунты на квадратный дюйм в обычных единицах США и Па в единицах СИ.



Аппроксимация кривой напряжения-деформации

Кривые напряжения-деформации для материалов обычно необходимы; тем не менее, без репрезентативных данных испытаний необходимо получить аппроксимацию кривой.Уравнение Рамберга-Осгуда можно использовать для аппроксимации кривой напряжения-деформации для материала, зная только предел текучести, предел прочности, модуль упругости и относительное удлинение материала (все они являются общими и легко доступными свойствами).

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *