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

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:

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:

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:

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:

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).