Механические свойства и допускаемые напряжения углеродистых качественных конструкционных сталей

Обновлено: 01.05.2024

Допускаемые напряжения принимаем по нормам, систематизированных в виде таблиц, что удобнее для практического применения при проектировочных и проверочных прочностных расчетов.

Примечание. Условные обозначения термической обработки:

О — отжиг; Н — нормализация; У — улучшение; Ц — цементация; ТВЧ — закалка с нагревом т.в.ч.; 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 HRC.

*) Римскими цифрами обозначен вид нагрузки (см. таблицу 1): I — статическая; II — переменная, действующая от нуля до максимума и от максимума до нуля (пульсирующая), III — знакопеременная (симметричная).

Допускаемые напряжения для углеродистых сталей обыкновенного качества в горячекатаном состоянии

табл.1
Марка стали по ГОСТ 380 Допускаемые напряжения, кгс/см2
При растяжении
[ σ р ]		 При изгибе
[ σ из ]		 При кручении
[ τ кр ]		 При срезе
[ τ ср ]		 При смятии
[ σ см ]
I II III I II III I II III I II III I II
Ст 2 1150 800 600 1400 1000 800 850 650 500 700 500 400 1750 1200
Ст 3 1250 900 700 1500 1100 850 950 650 500 750 500 400 1900 1350
Ст 4 1400 950 750 1700 1200 950 1050 750 600 850 650 500 2100 1450
Ст 5 1650 1150 900 2000 1400 1100 1250 900 700 1000 650 550 2500 1750
Ст 6 1950 1400 1100 2300 1700 1350 1450 1050 800 1150 850 650 2900 2100

Механические свойства и допустимые напряжения углеродистых качественных конструкционных сталей

табл.2
Марка стали ГОСТ 1050 Термо-
обработка		 Предел прочности при растяжении σ в Предел текучести σ т Предел выносливости при Допускаемые напряжения *, кгс/см2, при
растяжении σ −1р изгибе σ −1 кручении τ −1 растя-
жении [σ р]		 изгибе [σ из] кручении [τ кр] срезе [τ ср] смятии [σ см]
кгс/мм 2 I II III I II III I II III I II III I II
8 Н 33 20 12 15 9 1100 800 600 1300 950 750 800 600 450 600 450 350 1650 1200
10 Н 34 21 12,5 15,5 9,5 1100 800 600 1450 1000 750 800 600 450 650 450 350 1650 1200
Ц-В59 40 25 14,5 18 11 1300 900 700 1550 1150 900 1000 650 550 700 500 400 1950 1350
15 Н 38 23 13,5 17 10 1250 850 650 1500 1100 850 950 650 500 750 500 400 1850 1250
Ц-В59 45 25 16 20 12 1450 500 800 1750 1250 1000 1100 800 600 850 600 450 2100 750
20 Н 42 25 15 19 11,5 1400 1150 950 1700 1200 950 1050 700 550 850 600 450 2100 1750
Ц-В59 50 30 18 22,5 13,5 1650 1150 900 2000 1400 1100 1250 750 550 1000 600 450 2400 1750
25 Н 46 28 17 21 12,5 1500 1100 850 1800 1300 1050 1100 800 600 900 650 500 2200 1650
Ц-В58 55 35 20 25 15 1800 1300 1000 2100 1600 1250 1350 950 750 1100 800 600 2700 1950
30 Н 50 30 18 22,5 13,5 1650 1150 900 2000 1400 1100 1250 900 700 1000 650 550 2400 1750
У 60 35 21,5 27 16 2000 1400 1050 2400 1750 1350 1500 1050 800 1200 850 650 3000 2100
35 Н 54 32 19 24 14,5 1800 1250 950 2100 1550 1200 1350 900 700 1100 750 550 2700 1900
У 65 38 23 29 17,5 2100 1500 1150 2600 1850 1450 1600 1100 850 1300 900 700 5200 2200
В35 100 65 36 45 27 3300 2300 1800 4000 2900 2200 2500 1650 1350 2000 1400 1100 5000 3500
40 Н 58 34 21 26 15,5 1900 1300 1050 2300 1650 1300 1400 1000 750 1150 800 600 2800 2000
У 70 40 25 31,5 19 2300 1600 1250 2700 2000 1550 1700 1200 950 1400 1000 800 3400 2400
В35 100 65 36 45 27 3400 2300 1800 4000 2900 2200 2500 1750 1350 2000 1400 1100 5000 3500
45 Н 61 36 22 27,5 16,5 2000 1400 1100 2400 1750 1350 1500 1050 800 1250 850 650 3000 2100
У 75 45 27 34 20,5 2400 1700 1350 2900 2150 1700 1850 1300 1000 1450 1050 800 3600 2600
М35 90 65 32,5 40,5 24,5 3000 2100 1600 3600 2600 2000 2300 1650 1200 1850 1250 950 4500 3100
В42 90-120 70 32,5 40,5 24,5 3000 2100 1600 3600 2600 2000 2300 1600 1200 1850 1250 950 4500 3100
В48 120 95 43 54 32,5 4000 2800 2100 4800 3400 2700 3000 2100 1600 2400 1700 1300 6000 4200
ТВЧ56 75 45 27 34 20,5 2400 1700 1350 2900 2100 1700 1850 1300 1000 1450 1050 800 3600 2600
50 Н 64 38 23 29 17,5 2100 1400 1150 2500 1850 1450 1600 1100 850 1250 850 650 3100 2200
У 90 70 32,5 40,5 24,5 3000 2100 1600 3600 2600 2000 2300 1800 1200 1850 1250 950 4500 3100
20Г Н 46 28 16,6 20,5 12,5 1500 1000 800 1800 1300 1000 1100 800 600 900 650 500 2200 1600
В 57 42 20,5 25,5 15 1950 1300 1000 2300 1650 1250 1450 1000 750 1150 800 600 2900 1900
30Г Н 55 32 20 25 15 1800 1300 1000 2100 1600 1250 1350 950 750 1100 800 600 2700 1900
В 68 56 24,5 30,5 18 2300 1600 1200 2700 1950 1500 1700 1200 900 1400 1000 750 3400 2400
40Г Н 60 36 22 27 16 2000 1400 1100 2400 1750 1350 1500 1050 800 1200 850 650 3000 2100
В45 84 59 35 38 23 2800 1900 1500 3300 2400 1900 2100 1500 1150 1700 1200 950 4200 2900
50Г Н 66 40 23,5 29,5 17,5 2100 1500 1150 2600 1850 1450 1600 1100 750 1300 900 700 3200 2200
В 82 56 30 37 22 2700 1900 1500 3300 2500 1850 2500 1550 1100 1650 1050 750 4100 2900
65Г Н 75 44 27 34 20 2400 1750 1350 2900 2100 1700 1850 1300 1000 1450 1050 800 3600 2600
У 90 70 32,5 40,5 24,5 3000 2100 1600 3600 2600 2000 2300 1600 1200 1850 1250 950 4500 3100
М45 150 125 53 67 40 5000 3500 2600 6000 4300 3300 3800 2600 2000 3000 2100 1600 7600 5200

Примечание:

Марки стали 20Г; 30Г; 40Г; 50Г; 65Г — старые марки стали, действующие до 1988 г. Буква Г в них обозначала содержание марганца около 1 %.

Стали: допускаемые напряжения и механические свойства материалов

Допускаемые напряжения и механические свойства материалов

Для определения допускаемых напряжений в машиностроении применяют следующие основные методы.

1. Дифференцированный— запас прочности находят как произведение ряда частных коэффициентов, учитывающих надежность материала, "степень ответственности детали, точность расчетных формул и действующие типы и другие факторы, определяющие условия работы деталей.

2. Табличный — допускаемые напряжения принимают по нормам, систематизированным в виде таблиц (табл. 14—20). Этот метод менее точен, но наиболее прост и удобен для практического пользования при проектировочных п проверочных прочностных расчетах.

14. Допускаемые напряжения * для углеродистых сталей обыкновенного качества в горячекатаном состоянии.

Допускаемые напряжения **, кгс/см 2

Марка стали (ГОСТ 380-71)

при растяжении

* Горский А.И. Иванов-Еремин Е.Б. Кореновский А.И. Определение допускаемых напряжений при

рассчетах на прочность. НИИМАШ. М. 1974.

** Римскими цифрами обозначен вид нагрузки: I-статическая; II-переменная,действующая от нуля до

максимума и от максимума до нуля (пульсирующая); III-знакопеременная (симметричная).

В работе конструкторских бюро и при расчетах деталей машин в данном справочнике применяются как дифференцированный, так и табличный методы, а также и комбинация их. В табл. 17—19 приведены допускаемые напряжения для нетиповых литых деталей, на которые не разработаны специальные методы расчета и соответствующие им допускаемые напряжения. Типовые детали (на­пример, зубчатые и червячные колеса, шкивы) следует рассчитывать по мето­дикам, приводимым в соответствующем разделе справочника или в специальной литературе.

Приведенные допускаемые напряжения предназначены для приближенных расчетов только на основные нагрузки. Для более точных расчетов с учетом дополнительных нагрузок (например, динамических) табличные значения сле­дует увеличивать на 20—30%.

Допускаемые напряжения даны без учета концентрации напряжений и размеров детали, вычислены для стальных гладких полированных образцов диаметром 6—12 мм и для необработанных круглых чугунных отливок диамет­ром 30 мм. При определении наибольших напряжений в рассчитываемой детали нужно номинальные напряжения sном и 'tном умножать на коэффициент кон­центрации ks или kt :

Для пластичных (незакаленных) сталей при статических напряжениях (I вид нагрузки) коэффициент концентрации не учитывают. Для однородных сталей (sв > 130 кгс/мм 2 , а также в случае работы их при низких температурах) коэффициент концентрации, при наличии концентрации напряжения, вводят в расчет и при нагрузках I вида (k > 1). Для пластичных сталей при действии переменных нагрузок и при наличии концентрации напряжений эти напряже­ния необходимо учитывать.

Для чугунов в большинстве случаев коэффициент концентрации напряже­ний приближенно принимают равным единице при всех впдах нагрузок (I—III).

При расчетах на прочность для учета размеров детали приведенные таб­личные допускаемые напряжения для литых деталей следует умножать на коэффициент масштабного фактора, равный 1,4—5.

Приближенные эмпирические зависимости пределов выносливости для слу­чаев нагружения с симметричным циклом:

для углеродистых сталей:

при растяжении пли сжатии s_1p = (0,65 — 0,75) s_1;

при кручении t_1 = (0,55 — 0,65) s_1;

для легированных сталей:

при растяжении или сжатии s_1р= (0,7 — 0,9) s_1;

для стального литья:

при растяжении или сжатии s_1р = (0,65 — 0,75) s_1;

Механические свойства и допускаемые напряжения ангифрикционного

предел прочности прп изгибе 30—25 кгс/мм 2 ; допускаемые напряжения

при изгибе: 950 кгс/см 2 для I, 700 кгс/см 2 — II, 450 кгс/см 3 — III, где I, II, III —

Ориентировочные допускаемые напряжения для цветных металлов на рас­тяжении и сжатие, кгс/см 3 : 300—1100 — для меди, 600—1300 — латуни, 500— 1100 — бронзы, 250—700 — алюминия, 700—1400 — дюралюминия.

15. Механические свойства и допускаемые напряжения углеродистых качественных конструкционных сталей

Глава I. Основы выбора допускаемых напряжений и коэффициентов безопасности

Работоспособность деталей машин оценивают по прочности, износостойкости, жесткости, теплостойкости, виброустойчивости, надежности. Выбор того или иного критерия основывается на условиях работы конструкции. А расчет ведется по одному или нескольким из них. При этом для большинства деталей машин главным критерием работоспособности является прочность.

При расчете на прочность различают:

а) проектный расчет, в котором по значению допускаемого напряжения находят основные размеры какой-либо детали;

б) проверочный расчет, когда производится оценка прочности сравнением расчетных напряжений с допускаемыми для сконструированной детали или расчетного коэффициента безопасности с допустимым коэффициентом безопасности.

Условия прочности записывают следующим образом:

() или, (1.1)

где () – соответственно расчетные нормальные (касательные) напряжения;() – нормальные (касательные) предельные напряжения;,– расчетный и допускаемый коэффициенты безопасности.

Расчетные напряжения, или основные размеры детали, определяют из условий прочности

на растяжение-сжатие:


, (1.2)

где – площадь поперечного сечения, м 2 ;


, (1.3)


, (1.4)


, (1.5)


где – изгибающий момент, Н – момент сопротивления изгибу, м 3 ;

на кручение:


, (1.6)


где м; – момент сопротивления кручению, м 3 .

1.2. Допускаемые напряжения

Допускаемые напряжения находят как часть предельных напряжений, при которых происходит разрушение деталей или нарушение нормальных условий их взаимодействия вследствие недопустимо больших остаточных деформаций:

или . (1.7)

При статических нагрузках предельным напряжением для пластичных материалов является предел текучести (), для хрупких – предел прочности () (рис.1.1 и табл. 1.1, 1.2). Таким образом, с учетом масштабного фактора и эффективного коэффициента концентрации напряжений при статических грузках

для пластичных материалов:


, (1.8)

для хрупких материалов:


, (1.9)


где – допустимый коэффициент безопасности.


Рис. 1.1. Диаграмма растяжения:

a) – для пластичного материала (сталь); б) – для хрупкого (чугун)

Механические свойства и допускаемые напряжения углеродистых качественных конструкционных сталей

* 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.

Механические свойства и допускаемые напряжения легированных конструкционных сталей

Временное сопротивление σв

Предел текучести σт

Допускаемые напряжения **, МПа

при растяже-нии σ-1р

Продолжение табл. 1.3

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.


Р : 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 напряженияили 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 фактор включает:

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 влияниякачества 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


(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 числоциклов 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 KL приводится в соответствующих разделах. Обычно KL≥1, т. е. при NLE >N0 принимаются KL=1.

Эквивалентное число циклов переменны напряжения определяют зависимости от характера нагружения.

При постоянной нагрузке и при постоянной частоте нагружения


.

Читайте также: