Механические свойства и допускаемые напряжения углеродистых качественных конструкционных сталей

Марка стали (ГОСТ 1050-88)	Термообработка*	Временное сопротивление σв	Предел текучести σт	Предел выносливости	Допускаемые напряжения **, МПа
при растяже-нии σ-1р	при изгибе σ-1	при кручении τ-1	при растяжении [σр]	при изгибе [σиз]	при кручении [τкр]	при срезе [τср]	при смятии [σсм]
МПа	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II
	Н
	Н Ц-В59	340 400	210 250	125 145	155 180		110 130			145 155	100 115	75 90	80 100			65 70		35 40	165 195	120 135
	Н Ц-В59	380 450		135 160	170 200		125 145		65 80		110 125		95 110		50 60				185 210	125 75
	Н Ц-В59	420 500	250 300		190 225		140 165		95 90	170 200					55 55	85 100		45 45
	Н Ц-В58		280 350	170 200	210 250		150 180	110 130		180 210			110 135		60 75	90 110
	Н У	500 600	300 350		225 270				90 105						70 80				240 300	175 210
	Н У В35		380 650	190 230 360	290 450	145 175	180 210 330	125 150 230	115 180	210 260 400	155 185 290	120 145 220	135 160 250	90 110 165	85 135	110 130 200			270 520 500	190 220 350
	Н У В35		340 400 650	210 250 360	260 315		190 230 340	130 160 230	125 180		165 200 290	130 155 220	140 170 250	120 175		115 140 200	80 100 140		280 340 500	200 240 350
	Н У М35	610 750	360 450 650			165 205 245	200 240 300	140 170 210	110 135 160	240 290 360	175 215 260	135 170	150 185 230	105 130	80 100 120	145 185	85 105 125	65 80 95	360 450	210 260
	В42 В48 ТВЧ56	1200 750	950 450	430 270	405 540 340		300 400	280 170		480 290	260 340 210	270 170	300 185	160 210 130	120 160 100	185 240 145	125 170		450 600	310 420 260
	Н У	640 900	380 700	230 325			210 300	140 210	115 160	250 360	185 260		160 230	110 180	85 120		85 125	65 95		220 310
20Г	Н В	460 570					150 195	100 130	80 100				110 145			90 115		50 60	220 290	160 190
30Г	Н В				250 305		180 230							95 120			80 100	60 75	270 340	190 240
40Г	Н В45			220 350			200 280			240 330	175 240			105 150		120 170	85 120	65 95	300 420	210 290
50Г	Н В	660 820	400 560		295 370				150С	260 330		145 18Е			75 110	130 165		70 75
65Г	Н У М45		700 1250	270 325 530	340 405 670	200 245 400	240 300 500	175 210 350		290 360 600	210 260 430			130 160 260		145 185 300	125 210		360 450 760	260 310 520

* Условие обозначения термической обработки в табл.: О – отжиг; Н – нормализация; У – улучшение; Ц – цементация; ТВЧ – закалка с нагревом ТВЧ; В – закалка с охлаждением в воде; М –закалка с охлаждением в масле; НВ – твердость по Бринеллю. Число после М, В, Н или ТВЧ – среднее значение твердости по НRC.

** Римскими цифрами обозначен вид нагрузки, см. табл. 1.1.

 

Таблица 1.3.

Механические свойства и допускаемые напряжения легированных конструкционных сталей

 

Марка стали	ГОСТ	Термообработка*	Временное сопротивление σв	Предел текучести σт	Предел выносливости	Допускаемые напряжения **, МПа
при растяже-нии σ-1р	при изгибе σ-1	при кручении τ-1	при растяжении [σр]	при изгибе [σиз]	при кручении [τкр]	при срезе [τср]	при смятии [σсм]
МПа	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II
10Г2 09Г2С 10ХСНД	4543-71 19281-89 19281-89	Н - -
20Х	Н У М59
40Х	Н У М39 М48
33ХС	Н М	600 900	300 700	210 360	260 450	150 260	190 300	135 220	105 180	230 360	165 280	130 220				115 180	65 135		280 450	200 330
45Х	Н У М48
50Х	Н М48
35Г2	Н В, НВ 249
40Г2	Н М, НВ331
45Г2	Н М, НВ295
38ХС 18ХГТ	У Н Ц-М59	700 1000	430 800	280 400			230 330									140 200	100 145		340 490	260 380
30ХГТ	М43 Ц-М59	1250 1100	1050 800		620 550		430 370	310 270	250 220	510 440	390 340	310 270	320 280	230 200	180 160	260 220	185 160	140 125		460 410

Продолжение табл. 1.3

Марка стали	ГОСТ	Термообработка*	Временное сопротивление σв	Предел текучести σт	Предел выносливости	Допускаемые напряжения **, МПа
при растяже-нии σ-1р	при изгибе σ-1	при кручении τ-1	при растяжении [σр]	при изгибе [σиз]	при кручении [τкр]	при срезе [τср]	при смятии [σсм]
МПа	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II
20ХГНР	4543-71	М40 М50	1300 1450				375 420	450 500	330 360	260 290	540 600			340 380	230 270	170 210	270 300	180 215		680 750
40ХФА	М30 М50	900 1600	750 1300	360 640	450 800	260 480	320 550	230 410	180 320	380 660	280 500			170 310			135 240		480 820
30ХМ	М
35ХМ	М, НВ270 М50	1000 1600	850 1400	400 640	500 800	290 480	340 550		200 320	410 660	310 500	250 400	260 420	185 310	145 240	200 330		95 200	520 820	380 610
40ХН	Н М43	780 1200	460 1000	310 480		225 345	260 410	195 310	160 240	310 490	240 370	195 300			110 170	155 250				290 460

Эффективный коэффициент концентрации напряжений при статических нагрузках [3]

(1.10)

где — теоретический коэффициент концентрации напряжений [3]; —коэффициент чувствительности материала к концентрации на­пряжений при статической нагрузке.

Можно приближенно принять: для пластичных материалов ; для хрупких материалов со значительной внутренней неоднородностью (чугун, некоторые виды цветного литья) ; для хрупких материалов с однородной структурой (закаленная сталь) ; для металлов, работающих при низких температурах (до — 80°С), увеличивается, оставаясь, однако, всегда меньше единицы.

 

 

Рис 1.2

Разновидности циклов перемены напряжений : а — симметричный; б — асимметричный, знакопеременный; в — пуль­сирующий; г — асимметричный, знакопостоянный; с* — постоянная на­грузка

 

 

Рис. 1.3. Кривые выносливости машиностроительных мате­риалов

При циклических (переменных) нагрузках (рис. 2.16) за пре­дельное напряжение принимается предел выносливости (усталости) соответствующего цикла нагружения (симметричного , пульси­рующего или асимметричного (рис. 2.17) *.

Для ассиметричных циклов нагружения, характеризуемых коэффициентом ассиметрии , предел выносливости ( ) и амплитудное напряжение можно найти по диаграмме предельных напряжений (рис. 1.4, а, б) в зависимости от среднего напряжения или по формуле [3; 16]:

, (1.11)

 

При отсутствии необходимых механических характеристик ма­териалов можно пользоваться приближенными соотношениями ме­жду ними.

Например, для сталей *:

; ;

; ;

; ;

;

; ;

; .

Нижние значения соответствуют прочным легированным сталям, верхние — углеродистым.

 

Рис. 1.4. Масштабный фактор :

 

 

Масштабный факторвключает:

1' и 2' — пределов прочности углеродистых и легирован­ных сталей; 1 и 2 — пределов текучести и выносливости этих же сталей; 4 и 6 — пределов выносливости тех же сталей при высокой концентрации напряжений; 3 — проч­ностные характеристики чугуна и цветных металлов; 5 — пределов выносливости этих же металлов при на­личии концентрации

Предел выносливости материалов, как правило, получают в ре­зультате испытаний стандартных образцов малого диаметра. Пото­му при оценке прочности деталей машин необходимо учитывать влияние на их выносливость следующих основных факторов: абсо­лютных размеров и конструктивных форм детали; состояния по­верхности и свойств поверхностного слоя; изменения режимов на­гружения и срока службы и т. п.

Учитывая выражение (1.9) и основные факторы, влияющие на предел выносливости детали, получим для любых материалов [3; 16]

 

, или (1.13)

 

где — предел выносливости соответственно для циклов нагру­ження: симметричного , пульсирующего , асимметричного (см. рис. 1.4); если разрушение обусловлено главным образом ам­плитудными напряжениями, ; — допустимый коэф­фициент безопасности; — масштабный фактор (рис. 2.19); — коэффициент упрочнения или коэффициент влияния качества обработки поверхности (рис. 2.20); —коэффи­циет долговечности; —эффективный коэффициент концент­рации напряжений (рис. 2.21); —коэф­фициент, учитывающий суммар­ное влияние основных факторов на предел выносливости детали. Эффективный коэффициент концентрации, отнесенный к наибольшему напряжению лю­бого асимметричного цикла с асимметрией , находят [15] из выражения

 

(1.14)

Рис. 1.5. Коэффициент, учитывающий со­стояние поверхности :

1— зеркальное полирование; 2 — грубое по­лирование или тонкое шлифование; 3 — тон­кая обработка резцом (обтачивание, фрезеро­вание); 4 — грубое шлифование или грубое обтачивание; 5 — наличие окалины или кор­розии до работы; 6 — коррозия в пресной воде в процессе работы; 7 — то же в морской во­де; 8—наличие поверхностного упрочнения

 

При отсутствии необходи­мых экспериментальных дан­ных при кручении можно опре­делить [15; 38]

(1.15)

(1.16)

 

 

Коэффициент долговечности определяют по формуле.

(1.17)

где — показатель степени кривой выносливости; величина для деталей изменяется в широких пределах (от 3 до 20 и более), при­чем с ростом уменьшается приближенно по зависимости ; ;для сварных соединений ; для деталей из углеродистых сталей 12. ..20; для деталей из легированных ста­лей — 20.. .30. При отсутствии данных при кручении можно при­нимать значения, приведенные для изгиба [9]; — базовое число циклов перемены напряжений, соответствующее длительному пределу выносливости; обычно принимают для сталей , для цвет­ных металлов , при контактной прочности ; — эквивалентное число циклов перемены напряжений.

Рекомендации по выбору минимального и максимального значений K_L приводится в соответствующих разделах. Обычно K_L≥1, т. е. при N_LE >N₀ принимаются K_L=1.

Эквивалентное число циклов переменны напряжения определяют зависимости от характера нагружения.

При постоянной нагрузке и при постоянной частоте нагружения

 

.

Рис. 1.6.Эффективные коэффициенты концентрации напряжений

 

 

 

а - осциллограмма ; б - ступенчатая; в - типовые режимы нагружения: 1 - тяжелый режим нагружения; 2 - среднии равновероятный режим нагружения; 3 - среднии нормальный режим нагружения; 4 - легкий режим нагружения

 

числу ходов машины, т. е. n_v = n об/мин или n_v=cn об/ мин при нагружении за один оборот); L_h- долговечность, ч: L_h=8760LK_rK_c; L – долговечность, год; L_hi – число часов работы при частоте n_vi; K_r – коэффициент использования в

При ступенчатой циклограмме нагружения (рис. 1.8, б)

(1.18)

При переменной частоте нагружении

где n_v(n_vi)- частота изменения напряжения в минуту (частота равная или кратная частоте вращения детали или

 

Рис1.8. Циклограммы нагружения

 

 

течении года; K_c – коэффициент использования в течении суток; N_∑ - суммарное число циклов нагружений

 

где n_Li – число циклов перемены напряжений за время действия (нагрузки) напряжения σ_i.

Зная связь между напряжениями σ и нагрузками T (M) или F (1.2…1.8), выражению (1.18)можно придать вид

(1.19)

где mٰ =1/2m – для контактной прочности при начальном касании по линии; mٰ =1/3m – для контактной прочности при начальном касании в точке; mٰ =m – для остальных случаев, если σ зависит от T (M) или F линейно (1.2….1.6).

При плавном характере циклограммы нагружения (рис. 1.8, в) формула для эквивалентного числа циклов нагружения может быть представлена в виде N_LE=N∑μ_m, где μ_m – начальный момент соответствующего статического распределения нагрузки. Порядок начального момента равен показателю степени m уравнения кривой усталости. Значение μ_m для типовых режимов принимают по табл. 1.4.

 

Значение μ_m для типовых режимов Табл. 1.4.

Режим	μ3	μ6	μ9
Тяжелый (β-распределение) Средний равновероятный (равновероятное распределение) Средний нормальный (нормальное распределение) Легкий (γ - распределение)	0.466 0.250   0.185   0.060	0.270 0.143   0.072   0.020	0.175 0.100   0.042   0.019