 |
Работа №2. Равновесные превращения в системе железо-цементит
|
|
|
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам по курсу:
«Компьютерное материаловедение»
часть I
Москва
СОДЕРЖАНИЕ
Работа №1. Определение механических свойств углеродистых сталей................. 4
Работа №2. Равновесные превращения в системе железо-цементит....................... 9
Работа №3. Термическая обработка углеродистых сталей.................................. 15
Работа №4. Изучение охлаждающей способности закалочных сред и прогнозирование структуры детали после термической обработки................................................. 22
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................ 29
Работа №1. Определение механических свойств углеродистых сталей
Цель работы:
Освоить методику определения основных механических свойств; изучить влияние содержания углерода на механические свойства углеродистых сталей.
Методика выполнения работы
1. Получить вариант задания – диаграмму растяжения образца из углеродистой стали в численном виде.
2. Определить площадь поперечного сечения образца (рис. 1.1) до испытания:
F0 = a0×b0,
где F0 –площадь поперечного сечения до испытания, мм2; a0 – начальная толщина образца, мм; b0 – начальная ширина образца, мм.
Определить площадь поперечного сечения образца после испытания:
Fk = ak×bk,
где Fk - площадь поперечного сечения после испытания, мм2; ak – толщина образца после испытания, bk – ширина образца после испытания, мм.
3. Построить в Excel диаграмму растяжения в координатах «перемещение, мм – усилие, Н».
4. Определить предел пропорциональности графическим способом. На построенном графике из начала координат (рис. 1.2) провести прямую ОМ, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения. Затем на произвольном уровне провести прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и на этой прямой отложить отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n и начало координат провести прямую On и параллельно ей провести касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет усилие Рпц. Предел пропорциональности σпц, Н/мм2, вычислить по формуле:
|
|
|
.
5. Определить условный предел текучести.
По диаграмме растяжения вычислить величину удлинения, соответствующего пластической деформации 0,2%:
Dl = l0×0,002,
где l0 – начальная длина образца, мм.
Отрезок ОЕ длиной Dl отложить по оси удлинения от точки О (рис. 1.3). Из точки Е провести прямую, параллельную ОМ. Точка пересечения прямой с диаграммой соответствует усилию условного предела текучести Р0,2.
Условный предел текучести вычислить по формуле:
6. Определить временное сопротивление разрушению.
Определить по графику наибольшее усилие Рmах, предшествующее разрушению образца. Временное сопротивление σв, Н/мм2, вычислить по формуле:
7. Вычислить относительное удлинение после разрыва δ по формуле:
,
где l0 – начальная длина образца, мм; lk –длина образца после испытания, мм.
8. Вычислить относительное сужение поперечного сечения после разрыва ψ по формуле:
9. Построить диаграмму растяжения в координатах «деформация, % – напряжение, Н/мм2». Перенести диаграмму в отчет.
10. Обобщив результаты всей подгруппы, построить зависимости от содержания углерода следующих механических свойств:
- условный предел текучести;
- временное сопротивление;
- относительное удлинение после разрыва.
11. Сделать вывод о причине такого изменения механических свойств.
Теоретическая часть
Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Механические свойства определяют поведение материала под действием внешних нагрузок. Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы стандартами. При статическом испытании на растяжение (ГОСТ 1497) получают характеристики прочности и пластичности.
|
|
|
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Пластичность –способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.
Испытания на растяжение проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения (рис. 1.4) – зависимость удлинения образца Dl от действующей нагрузки Р. Для расчета механических свойств диаграмму растяжения перестраивают в зависимость относительного удлинения от напряжения. Напряжение – это удельная нагрузка, т.е. отношение нагрузки, действующей на образец, к площади его поперечного сечения.
Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки.
Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала - после снятия нагрузки форма и размеры образца возвращаются к своим исходным значениям. Напряжение, соответствующее предельной упругой деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.
Предел пропорциональности (sпц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.
При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения). Характеристики пластичности:
- относительное удлинение:
где lk и l0 – начальная и конечная длина образца.
- относительное сужение:
где F0 - начальная площадь поперечного сечения; Fk -площадь поперечного сечения после испытания в месте разрыва.
Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.
Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.
Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Рассчитывают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала
(d = 0,005…0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации, например 0,05%:
|
|
|
Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.
В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.
Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки cd на диаграмме растяжения). Характерен для очень пластичных материалов.
Основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них определяют у словный предел текучести – это напряжение, вызывающее остаточную деформацию d = 0,2%:
Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.
В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утонение образца. Временное сопротивление (называемое также пределом прочности) – это напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения.
Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом. За точкой в, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке k происходит разрушение. Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца:
,
где Fk - конечная площадь поперечного сечения образца.
Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.
Контрольные вопросы
1. Что такое прочность?
2. Какие вы знаете характеристики пластичности?
3. В каких координатах строится диаграмма растяжения?
4. Как определить временное сопротивление разрыву?
5. Как определить предел пропорциональности графическим способом?
|
|
|
6. Как определить условный предел текучести?
7. Почему истинное сопротивление разрушению больше предела прочности?
8. Как рассчитать относительное удлинение образца после разрыва?
9. Как рассчитать относительное сужение образца после разрыва?
10. Чем отличается условный предел текучести от физического?
Работа №2. Равновесные превращения в системе железо-цементит
Цель работы:
Изучить структурные превращения при охлаждении железоуглеродистых сплавов с использованием программы Diag.
|
|
|
