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
08	Н	330	200	120	150	90	110	80	60	130	95	75	80	60	45		60	45	35	165	120
10	Н Ц-В59	340 400	210 250	125 145	155 180	95 110	110 130	80 90	60 70	145 155	100 115	75 90	80 100	60 65	45 55		65 70	45 50	35 40	165 195	120 135
15	Н Ц-В59	380 450	230 250	135 160	170 200	100 120	125 145	85 50	65 80	150 175	110 125	85 100	95 110	65 80	50 60		75 85	50 60	40 45	185 210	125 75
20	Н Ц-В59	420 500	250 300	150 180	190 225	115 135	140 165	115 115	95 90	170 200	120 140	95 110	105 125	70 75	55 55		85 100	60 60	45 45	210 240	175 175
25	Н Ц-В58	460 550	280 350	170 200	210 250	125 155	150 180	110 130	85 100	180 210	130 160	105 125	110 135	80 95	60 75		90 110	65 80	50 60	220 270	165 195
30	Н У	500 600	300 350	180 215	225 270	135 160	165 200	115 140	90 105	200 240	140 175	110 135	125 150	90 105	70 80		100 120	65 85	55 65	240 300	175 210
35	Н У В35	540 650 1000	320 380 650	190 230 360	240 290 450	145 175 270	180 210 330	125 150 230	95 115 180	210 260 400	155 185 290	120 145 220	135 160 250	90 110 165	70 85 135		110 130 200	75 90 140	55 70 110	270 520 500	190 220 350
40	Н У В35	580 700 1000	340 400 650	210 250 360	260 315 450	155 190 270	190 230 340	130 160 230	105 125 180	230 270 400	165 200 290	130 155 220	140 170 250	100 120 175	75 95 135		115 140 200	80 100 140	60 80 110	280 340 500	200 240 350
45	Н У М35	610 750 900	360 450 650	220 270 325	275 345 405	165 205 245	200 240 300	140 170 210	110 135 160	240 290 360	175 215 260	135 170 200	150 185 230	105 130 165	80 100 120		125 145 185	85 105 125	65 80 95	300 360 450	210 260 310
45	В42 В48 ТВЧ56	1000 1200 750	700 950 450	325 430 270	405 540 340	245 325 205	300 400 240	210 280 170	160 210 135	360 480 290	260 340 210	200 270 170	230 300 185	160 210 130	120 160 100		185 240 145	125 170 105	95 130 80	450 600 360	310 420 260
50	Н У	640 900	380 700	230 325	290 405	175 245	210 300	140 210	115 160	250 360	185 260	145 200	160 230	110 180	85 120		125 185	85 125	65 95	310 450	220 310
20Г	Н В	460 570	280 420	165 205	205 255	125 150	150 195	100 130	80 100	180 230	130 165	100 125	110 145	80 100	60 75		90 115	65 80	50 60	220 290	160 190
30Г	Н В	550 680	320 560	200 245	250 305	150 180	180 230	130 160	100 120	210 270	160 195	125 150	135 170	95 120	75 90		110 140	80 100	60 75	270 340	190 240
40Г	Н В45	600 840	360 590	220 350	270 380	160 230	200 280	140 190	110 150	240 330	175 240	135 190	150 210	105 150	80 115		120 170	85 120	65 95	300 420	210 290
50Г	Н В	660 820	400 560	235 300	295 370	175 220	210 270	150 190	115 150С	260 330	185 250	145 18Е	160 250	110 155	75 110		130 165	90 105	70 75	320 410	220 290
65Г	Н У М45	750 900 1500	440 700 1250	270 325 530	340 405 670	200 245 400	240 300 500	175 210 350	135 160 260	290 360 600	210 260 430	170 200 330	185 230 380	130 160 260	100 120 200		145 185 300	105 125 210	80 95 160	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 - -	430 500 540	250 350 400		175 190 215		220 240 270		125 140 155		140 170 185	110 120 140	90 95 110	170 200 220	135 150 160	110 120 135	105 125 140	75 90 100	60 70 80	85 100 110	65 70 80	50 55 65	210 250 280	165 180 210
20Х		Н У М59	600 700 850	300 500 630		210 280 340		260 350 420		150 200 240		190 240 290	135 175 210	105 140 170	230 290 350	165 220 145	130 175 210	140 180 220	100 130 155	75 100 120	115 145 175	85 105 125	60 80 95	280 360 430	200 260 320
40Х		Н У М39 М48	630 800 1100 1300	330 650 900 1100		250 320 440 520		310 400 550 650		180 230 320 380		200 270 380 440	155 200 280 330	125 160 220 260	240 320 450 530	190 250 340 410	155 200 270 320	150 200 280 330	115 150 200 240	90 115 160 190	120 160 230 270	95 115 165 195	75 90 130 150	300 400 560 670	230 300 420 490
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	140 230	100 165	75 130	115 180	65 135	105	280 450	200 330
45Х		Н У М48	650 950 1400	350 750 1200		260 380 560		320 470 700		185 270 400		210 320 480	160 240 350	130 190 280	250 380 570	195 290 490	160 230 350	155 240 360	115 175 260	90 135 200	125 190 290	95 135 200	75 105 160	310 480 720	240 360 520
50Х		Н М48	650 1500	350 1300		260 600		325 750		185 430		210 500	160 370	130 300	250 600	200 460	160 370	160 370	120 270	90 210	125 300	90 220	70 170	360 750	240 550
35Г2		Н В, НВ 249	630 800	370 650		250 320		315 400		180 230		200 270	155 200	125 160	240 320	190 250	160 200	150 200	115 145	90 115	120 160	95 115	75 90	330 400	230 300
40Г2		Н М, НВ331	670 1120	390 950		270 540		335 660		195 380		220 380	170 310	135 270	260 460	210 380	170 330	165 290	120 230	95 190	130 230	95 180	75 150	330 580	250 460
45Г2		Н М, НВ295	700 850	410 700		280 340		350 425		200 245		230 290	175 210	140 170	270 350	210 145	175 210	175 220	125 155	100 120	140 175	100 125	80 95	340 440	260 330
38ХС 18ХГТ		У Н Ц-М59	950 700 1000	750 430 800		370 280 400		470 350 500		280 200 290		320 230 330	230 175 250	185 140 200	390 270 400	290 210 310	230 175 250	240 170 250	175 125 185	140 100 145	190 140 200	140 100 145	110 80 115	480 340 490	350 260 380
30ХГТ		М43 Ц-М59	1250 1100	1050 800		500 440		620 550		360 320		430 370	310 270	250 220	510 440	390 340	310 270	320 280	230 200	180 160	260 220	185 160	140 125	640 550	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	1200 1400	520 580	650 725	375 420	450 500	330 360	260 290	540 600	410 450	320 360	340 380	230 270	170 210	270 300	180 215	135 170	680 750	500 540
40ХФА		М30 М50	900 1600	750 1300	360 640	450 800	260 480	320 550	230 410	180 320	380 660	280 500	220 400	240 410	170 310	130 240	190 330	135 240	105 195	480 820	340 610
30ХМ		М	950	750	380	475	230	320	240	190	390	300	240	240	155	115	190	125	90	480	360
35ХМ		М, НВ270 М50	1000 1600	850 1400	400 640	500 800	290 480	340 550	250 410	200 320	410 660	310 500	250 400	260 420	185 310	145 240	200 330	130 250	95 200	520 820	380 610
40ХН		Н М43	780 1200	460 1000	310 480	390 600	225 345	260 410	195 310	160 240	310 490	240 370	195 300	190 310	140 220	110 170	155 250	115 175	90 135	390 620	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 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 , находят [15] извыражения

(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 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