Предел текучести стали: определение, ГОСТ, значения

Расчет величины предела текучести

Гениальное допущение, сделанное Френкелем при расчетах, заключалось в том, что процесс изменения формы материала рассматривался как приводимый в действие напряжениями сдвига. Для начала пластической деформации полагалось достаточным, чтобы одна половина тела сдвинулась относительно другой до такой степени, чтобы не смогла вернуться в начальное положение под действием сил упругости.

График физического предела текучести

Френкель предположил, что испытываемый в мысленном эксперименте материал имеет кристаллическое или поликристаллическое строение, свойственно для большей части металлов, керамики и многих полимеров. Такое строение предполагает наличие пространственной решетки, в узлах которой в строго определенном порядке расположены атомы. Конфигурация этой решетки строго индивидуальны для каждого вещества, индивидуальны и межатомные расстояния и связывающие эти атомы силы. Таким образом, чтобы вызвать пластическую деформацию сдвига, потребуется разорвать все межатомные связи, проходящие через условную плоскость, разделяющую половины тела.

При некотором значении напряжения, равному пределу текучести, связи между атомами из разных половин тела разорвутся, и рады атомов сместятся друг относительно друга на одно межатомное расстояние без возможности вернуться в исходное положение. При продолжении воздействия такой микросдвиг будет продолжаться, пока все атомы одной половины тела не потеряют контакт с атомами другой половины

В макромире это вызовет пластическую деформацию, изменит форму тела и при продолжении воздействия приведет к его разрушению. На практике линия начала разрушений проходит не посередине физического тела, а находится в местах расположения неоднородностей материала.

Общие сведения и характеристики сталей

Сталь относят к ковкому деформируемому сплаву на основе железа с углеродом и добавками других элементов. Выплавляют материал из чугунных смесей с металлическим ломом в мартеновских, электрических и кислородных конверторных печах.

Равновесное состояние в структуре сталей

Сформировавшаяся кристаллическая решетка металла зависит от количества содержащегося в них углерода и определяется по структурной диаграмме в соответствии с процессами в этом сплаве. Например, решетка стали, в которой содержится до 0,06% углерода, имеет зернистую структуру и является ферритом в чистом виде. Прочность таких металлов небольшая, но материал обладает высоким пределом ударной вязкости и текучести. Структуры сталей в состоянии равновесия подразделяются:

ферритная;
перлитно-ферритная;
цементитно-ферритная;
цементитно-перлитная;
перлитная;

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Изменения главных составляющих цементита и феррита определяются свойствами первого по закону аддитивности. Увеличение процентной добавки углерода до 1,2% позволяет повысить прочность, твердость, порог хладоемкости на 20ºС и предел текучести. Повышение содержания углерода изменяет физические свойства материала, что иногда приводит к ухудшению технических характеристик, таких как способность к свариванию, деформации при штамповках. Отличным свариванием в конструкциях обладают низкоуглеродистые сплавы.

Добавки марганца и кремния

Марганец вводят в состав сплава в качестве технологической добавки для увеличения степени раскисления и уменьшения вредного воздействия серных примесей. В сталях он присутствует в виде твердых составляющих в количестве не более 0,8% и не оказывает существенного влияния на свойства металла.

Кремний действует в составе сплава аналогичным образом, добавляется при процессе раскисления в количестве не больше 0,38%. Для возможности соединения деталей сваркой содержание кремния не должно быть больше 0,24%. На свойства сталей кремний в составе сплава не влияет.

Примеси серы и фосфора

Пределом содержания серы в сплаве является порог в 0,06%, она содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное содержание примеси существенно ухудшает механические и физические свойства сталей. Это выражается в уменьшении пластичности, предела текучести, ударной вязкости, сопротивления истиранию и коррозии. Содержание фосфора также ухудшает качественные показатели металлических сплавов, предел текучести после увеличения фосфора в составе повышается, но снижается вязкость и пластичность. Стандартное содержание примеси в сплаве регламентируется интервалом от 0,025 до 0,044%. Наиболее сильно фосфор ухудшает свойства сталей при одновременном высоком показателе добавок углерода.

Азот и кислород в сплаве

Эти вещества загрязняют сталь неметаллическими примесями и ухудшают ее механические и физические показатели. В частности, это относится к порогу вязкости и выносливости, пластичности и хрупкости. Содержание в сплаве кислорода в размере больше, чем 0,03% вызывает быстрое старение металла, азот увеличивает ломкость и повышает со временем деформационное старение. Содержание азота увеличивает прочность, тем самым понижая предел текучести.

Легирующие добавки в составе сплавов

К легированным относят стали, в которые специально вводятся в определенных сочетаниях элементы для повышения качественных характеристик. Комплексное легирование дает наилучшие результаты. В качестве добавок применяют хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие.

Легированием повышают предел текучести и другие технологические свойства, такие как ударная вязкость, сужение и возможность прокаливания, снижение порога деформации и растрескивания.

Классификация по химическому составу

Основными легирующими добавками являются металлы. Варьируя количественный состав добавок и их массовую долю, получают большое разнообразие марок стали. Само по себе чистое железо имеет невысокие технические свойства. Малая механическая прочность, сильная подверженность коррозии, требуют введения в состав сплава дополнительных веществ, которые направлены на улучшение одного из качеств, либо сразу нескольких.

Нередко улучшение одних характеристик влечет за собой ухудшение иных. Так, высоколегированные нержавеющие стали могут иметь низкую механическую прочность, а качественные углеродистые вместе с высокой прочностью получают ослабленные коррозионные свойства.

Как уже говорилось выше, одной из классификаций марок стали является ее химический состав. Основными компонентами всех без исключения сталей являются железо и углерод, содержание которого не должно превышать 2,14 %. В зависимости от количества и пропорций добавок, содержание железа в композиции должно составлять не менее 50 %.

По количеству содержащегося углерода классифицируют три группы сталей:

Малоуглеродистые – содержание углерода менее 0,25 %;
Среднеуглеродистые – 0,25-0,6 % углерода;
Высокоуглеродистые, с содержанием углерода более 0,6 %.

Увеличение процентного содержания углерода повышает твердость металла, но, вместе с тем, снижается его прочность.

Для улучшения эксплуатационных качеств, в состав сплава вводят определенное количество химических элементов. Такие стали называют легированными. Для легированных сталей также существует деление на три группы:

Низколегированные, с содержанием добавок до 2,5 %;
Среднелегированные, которые содержат от 2,5 до 10 % легирующих элементов;
Высоколегированные. Содержание легирующих примесей варьируется от 10 до 50 %.

Маркировка сталей отражает наличие и процентное содержание легирующих добавок. При расшифровке каждому элементу соответствует определенная буква, рядом с которой находится цифра, соответствующая его содержанию в процентах. Отсутствие чисел говорит о том, что добавка присутствует в сплаве в количестве менее 1-1,5%. Наличие углерода в составе не отражается, поскольку он входит во все композиции, но его содержание обозначается в самом начале маркировки.

Маркировка может говорить и о назначении сплава. Поскольку в данной классификации также используются буквенные обозначения, то регламентируется порядок их расположения – в начале, середине и конце маркировки.

Пределы прочности материалов

Быстрый поиск

Определённая пороговая величина для конкретного материала, превышение которой приведёт к разрушению объекта под действием механического напряжения. Основные виды пределов прочности: статический, динамический, на сжатие и на растяжение. Например, предел прочности на растяжение — это граничное значение постоянного (статический предел) или переменного (динамический предел) механического напряжения, превышение которого разорвет (или неприемлемо деформирует) изделие. Единица измерения — Паскаль , Н/мм ² = .

Предел текучести (σт)

Величина механического напряжения, при которой деформация продолжает увеличиваться без увеличения нагрузки; служит для расчётов допустимых напряжений пластичных материалов.

После перехода предела текучести в структуре металла наблюдаются необратимые изменения: кристаллическая решетка перестраивается, появляются значительные пластические деформации. Вместе с тем происходит самоупрочнение металла и после площадки текучести деформация возрастает при увеличении растягивающей силы.

Нередко этот параметр определяют как «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация» , таким образом, отождествляя пределы текучести и упругости. Однако следует понимать, что это два разных параметра. Значения предела текучести превышают предел упругости ориентировочно на 5%.

Предел выносливости или предел усталости (σR)

Способность материала воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения. Этот прочностной параметр определяют как максимальное напряжение в цикле, при котором не происходит усталостного разрушения изделия после неопределенно большого количества циклических нагружений (базовое число циклов для стали Nb = 10 7). Коэффициент R (σR) принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ-1, а в случае пульсационных — как σ0.

Отметим, что усталостные испытания изделий очень продолжительны и трудоёмки, они включают анализ больших объёмов экспериментальных данных при произвольном количестве циклов и существенном разбросе значений. Поэтому чаще всего используют специальные эмпирические формулы, связывающие предел выносливости с другими прочностными параметрами материала. Наиболее удобным параметром при этом считается предел прочности.

Для сталей предел выносливости при изгибе как правило составляет половину от предела прочности: Для высокопрочных сталей можно принять:

Для обычных сталей при кручении в условиях циклически изменяющихся напряжений можно принять:

Приведённые выше соотношения стоит применять осмотрительно, потому что они получены при конкретных режимах нагружения, т.е. при изгибе и при кручении. Однако, при испытании на растяжение-сжатие предел выносливости становится примерно на 10—20% меньше, чем при изгибе.

Предел пропорциональности (σ)

Максимальная величина напряжения для конкретного материала, при которой ещё действует закон Гука, т.е. деформация тела прямо пропорционально зависит от прикладываемой нагрузки (силы)

Обратите внимание, что для множества материалов достижение (но не превышение!) предела упругости приводит к обратимым (упругим) деформациям, которые, впрочем, уже не прямо пропорциональны напряжениям. При этом такие деформации могут несколько «запаздывать» относительно роста или снижения нагрузки

Диаграмма деформации металлического образца при растяжении в координатах удлинение (Є) — напряжение (σ).

1:Предел абсолютной упругости.

2:Предел пропорциональности.

3:Предел упругости.

4:Предел текучести. (σ 0.2)

www.smalley.ru

Стали: допускаемые напряжения и механические свойства материалов

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
		Предел прочности при растяжении σ в	Предел текучести σ т	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
10	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
15	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
20	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
25	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
30	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
50	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
20Г	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
30Г	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
40Г	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
50Г	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 %.

Предел – прочность – сталь

Это почти вдвое выше предела прочности стали 3; стержень выйдет из строя гораздо раньше, чем будет достигнуто критическое напряжение. Как мы видим, при небольших гибкостях формула Эйлера дает преувеличенные значения критических напряжений и критических сил.

Влияние коррозии с ростом предела прочности стали усиливается. На рис. 9 приведена зависимость пределов выносливости лабораторных образцов от предела прочности стали для различных коррозионных сред. Анализ графиков показывает, что предел выносливости в условиях коррозии не зависит от предела прочности стали, вследствие чего применение легированных сталей при работе детали в коррозионной среде нецелесообразно. Существенно снижается предел выносливости и в том случае, когда образцы подвергаются коррозии до испытания на усталость в течение нескольких дней, после чего их испытывают на усталость без воздействия среды.

Как видно из кривой, предел прочности стали с увеличением времени испытания уменьшается.

С увеличением содержания углерода повышается предел прочности стали, твердость и хрупкость при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости. Свариваемость стали с повышением содержания углерода ухудшается.

Предыдущий анализ показывает, что предел прочности стали при растяжении оказывает преобладающее влияние на предел выносливости при наличии концентрации напряжений. Оказывается, что прочие факторы, такие, как горячая обработка, состав и качество стали, имеют весьма малое дополнительное влияние по сравнению с влиянием предела прочности при растяжении. Интересно знать, какая величина предела прочности при растяжении обеспечила бы максимальную выносливость при наличии концентрации напряжений. Соотношения, данные выше, показывают, что существует непрерывное, хоть и малое, увеличение предела выносливости в условиях концентрации напряжений при росте предела прочности при растяжении.

Существует мнение, что произведение предела прочности стали на ее относительное сужение можно рассматривать как предел выносливости. При проверке влияния этого показателя на износостойкость стали при ударно-абразивном изнашивании также получены различные зависимости в хрупкой и вязкой областях разрушения. При равномерном увеличении произведения aBty износостойкость стали в хрупкой области разрушения увеличивается, в вязкой области – уменьшается.

По многочисленным данным коэффициенты вариации предела прочности сталей о0в колеблются в предела 3 – 12 %, а распределение величин 0В на множестве всех плавок достаточно хорошо соответствует нормальному закону.

Сопоставление твердости и предела прочности армло-железа и стали с 0 3п / о С при.

Между числом твердости Бринеля и пределом прочности стали для испытаний при комнатной температуре с достаточной степенью точности установлено определенное соотношение.

По данным работы и др. предел прочности стали при поглощение водорода ненагруженными образцами несколько снижается. Результаты наших испытаний , описанные в главе V, показала существенное снижение предела прочности стали в результате на-водороживания образцов без нагрузки в сероводородных растворах.

Механические свойства хромоникелевых сталей с кремнием.

При температуре отжига выше 980 С предел прочности стали 27 – 4 – Мо увеличивается, а ударная вязкость резко снижается, что объясняется образованием игольчатого аустенита во время охлаждения. При 760 С ударная вязкость снижается в результате образования ог-фазы.

Зависимость Ке и К е от температуры для легированной стали ( 17, Кавг.

С понижением температуры предел текучести и предел прочности стали возрастают, причем 0Т увеличивается интенсивнее, так что отношение ат / сгв стремится к единице при снижении температуры до – 180 С.

Классы прочности стали и категория качества по хладостойкости

В целях унификации применяемые в строительных металлоконструкциях стали по гарантированным значениям предела текучести и временного сопротивления разрыву разделены на семь основных уровней (классов) прочности

Сталь класса С 225 (от > 225 МПа) условно принято называть сталью нормальной прочности, трех следующих классов (от >285 >325 >390 МПа) — сталью повышенной прочности и остальных трех классов (от >440 > 590 >735 МПа) — сталью высокой прочности.

Таблица классов прочности и группы качества по хладостойкости проката строительных сталей

Обычно первому классу прочности соответствует прокат углеродистой стали обыкновенного качества в горячекатаном состоянии, последующим классам прочности от второго до пятого — прокат низколегированной стали в горячекатаном или нормализованном состоянии, шестому и седьмому классам прочности — прокат экономно легированной стали, поставляемой, как правило, в термоулучшенном состоянии. Однако возможно также получение проката второго и третьего классов путем термического и термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Наряду с требованием гарантированной прочности к строительным сталям предъявляется требование гарантированного сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Оно регламентируется показателями ударной вязкости при отрицательной температуре и при температуре плюс 20 °С после механического старения. Все строительные стали по хладостойкости условно можно разделить на три группы:

I — без гарантированной хладостойкости;
II — с гарантированной хладостойкостью для металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных температурных условиях (расчетная температура не ниже минус 40 °С);
III — с гарантированной хладостойкостью, но для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре ниже минус 40 °С («северное исполнение»).

В таблице приведена температура испытаний, при которой должна быть гарантирована ударная вязкость стали каждой группы качества по хладостойкости. Указанным группам соответствуют определенные марки стали и категории качества, предусмотренные стандартами на сталь. Так, по ГОСТ 27772-88* группе I соответствует сталь С235, группе II — стали С255 и С285, стали С345 и С375 категории 1 и 3, сталь С590, группе III — стали С345 и С375 категории 2 и 4, сталь С590К.

Все температуры испытаний в таблице (как и в ГОСТ 27772-88*) указаны для условий определения ударной вязкости KCU на стандартных образцах с полукруглым надрезом (радиус 1 мм) типа I по ГОСТ 9454-78*, вырезаемых из листов и широкой полосы в направлении поперек направления прокатки, а из фасонных профилей и сортовой стали — вдоль направления прокатки. Вместе с тем в последнее время остро ставится вопрос о переходе при аттестации стали к более жестким условиям определения ударной вязкости KCV на образцах с острым треугольным надрезом (радиус 0,25 мм) типа II по ГОСТ 9454-78*. Использование этих образцов соответствует международной практике.

Согласно имеющимся методическим исследованиям, единый переход от норм KCU к нормам KCV, общий для всех металлоизделий, отсутствует и необходимо учитывать индивидуальные особенности, включающие в себя как вид металлопроката, так и качество стали. Все же общим для такого перехода является необходимость повышения температуры испытания, которая для металлопроката строительной стали эквивалентной хладостойкости при прочих равных условиях (то же направление вырезки образцов, та же метрологически обоснованная величина ударной вязкости 0,3 мДж/м2) составляет примерно 40 °С. Таким образом нормам KCU, при минус 40 °С и минус 70 °С будут близко соответствовать нормы KCV при 0 °С и минус 30 °С.

Под влиянием колебания содержания элементов в интервале марочного состава, неоднородности слитка и условий прокатки прочностные характеристики стали каждой марки варьируются в широких пределах. Стремление более полно использовать фактическую прочность проката в конструкциях привело к идее селективного разделения на металлургических заводах всей совокупности металлопродукции данной марки на отдельные группы прочности, отличающиеся гарантируемыми значениями предела текучести и временного сопротивления разрыву.

В нашей стране такое разделение на группы прочности осуществлено для строительных углеродистых и низколегированных марок стали первого, второго и третьего классов прочности [26] и нашло отражение в ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 27772-88*. По этим нормам каждая марка углеродистой и низколегированной стали разделена на две группы прочности, причем для второй группы гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления на 10-40 МПа выше, чем для первой. Высокая надежность соблюдения норм прочности и пластичности (с вероятностью не ниже 95 %) обеспечивается специальными статистическими процедурами приемки и контроля. Металлопрокат, поставляемый по этим нормам, получил название сталь с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности.

Предел текучести труб

Наиболее наглядным является влияние данной величины при строительстве трубопроводов систем высокого давления. В таких конструкциях должна использоваться специальная сталь, у которой достаточно большие пределы текучести, а также минимальные показатели разрыва между данным параметром и пределом прочности. Чем больше у стали предел, тем, естественно, более высоким должен быть показатель допустимой величины рабочего напряжения. Данный факт оказывает прямое влияние на значение прочности стали, и соответственно, всей конструкции в целом

В связи с тем что параметр допустимой расчетной величины системы напряжений оказывает непосредственное влияние на необходимое значение толщины стен в используемых трубах, то важно максимально точно рассчитывать характеристики прочности стали, которая будет использоваться при изготовлении труб. Одним из наиболее аутентичных методов определения данных параметров является проведение исследования на разрывном образце

Во всех случаях требуется учитывать разницу значений рассматриваемого показателя, с одной стороны, и допустимыми значениями напряжений — с другой.

Кроме того, следует знать, что предел текучести металла всегда устанавливается в результате проведения детальных многоразовых замеров. А вот систему допустимых напряжений в подавляющем большинстве принимают исходя из нормативов или вообще в результате проведенных технических условий, а также опираясь на личный опыт производителя. В системах магистральных трубопроводов весь нормативный сборник описан в СНиП II-45—75. Итак, установка коэффициента запаса прочности — довольно сложная и весьма важная практическая задача. Корректное определение этого параметра всецело зависит от точности рассчитанных величин напряжения, нагрузки, а также предела текучести материала.

При выборе теплоизоляции систем трубопроводов также опираются на данный показатель. Это связано с тем, что эти материалы непосредственно вступают в контакт с металлической основой трубы, и, соответственно, могут принимать участие в электрохимических процессах, пагубно влияющих на состояние трубопровода.

Определение твердости

Твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением специального тела – индентора

, в испытуемый материал, с таким усилием, чтобы в материале остался отпечаток индентора. О величине твердости судят по отпечатку.

Твердость наиболее распространенный метод определения свойств материала. Это объясняется рядом причин: определения твердости являются неразрушающим методом, т.к. деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания на твердость не требуют высокой квалификации и, кроме того, зная твердость, можно судить и о других механических свойствах.

Метод Бринелля.

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливается в испытуемый образец на специальном прессе, в результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки. Значения твердости – это отношение приложенной нагрузки и площади поверхности отпечатка. Они вычисляются по формуле: НВ=2Р/D(D-(D2-d2) 1/2 ). Здесь НВ – обозначение твердости (например, 200НВ); Р – прилагаемая нагрузка ; D и d – диаметры шарика и отпечатка .

На практике пользуются таблицей, в которой указаны значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка.

Метод Бринелля не является универсальным. Он не позволяет испытывать материалы с твердостью более 450НВ, т.к. при этом может деформироваться индентор – шарик, а также образцы толщиной менее 1…2 мм из-за их продавливания.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности разных материалов соблюдается следующие примерные соотношения: для стали sв=НВ/3, sт=НВ/6; для алюминиевых сплавов; sв=0,362НВ; для медных сплавов sв=0,26НВ.

Метод Роквелла.

Принципиальное отличие этого метода от рассмотренного ранее в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец.

В качестве индентора используют алмазный конус – при испытаниях твердых материалов и стальной закаленный шарик – при испытаниях мягких материалов. Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 150 или 60 кгс в зависимости от твердости материала – большая для менее твердых материалов (например, закаленные стали); меньшая для материалов с очень высокой твердостью (твердые сплавы, режущая керамика), чтобы избежать скола алмазного конуса. Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс.

Испытания выполняются на специальном приборе, имеющем две шкалы – черную и красную. Черная шкала используется при испытаниях алмазным конусом, красная – стальным закаленным шариком. Обозначения твердости: НRC – алмазный конус, нагрузка 150кгс (64НRC), HRA – алмазный конус, нагрузка 60кгс (90HRA), HRB – шарик, нагрузка 100 кгс (120HRB).

Значения твердости в единицах HRC примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ. Т.е. твердость 30 HRC примерно соответствует 300НВ. Между значениями твердости по шкалам «С» и «А» имеется следующая зависимость: HRC=2HRA-102.

Метод Виккерса.

Метод основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Твердость (она обозначается HV, например,1000HV) определяется отношением нагрузки и площади поверхности отпечатка. Значения твердости вычисляются по формуле: HV=1,854 Р/d2, где d – среднее значение длины диагоналей отпечатка.

Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до100 кгс. Величина диагоналей определяется с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор.

Определение ударной вязкости.

Разные материалы по-разному реагируют на приложенную к ним внешнюю силу, вызывающую изменение их формы и линейных размеров. Такое изменение называют пластической деформация. Если тело после прекращения воздействия самостоятельно восстанавливает первоначальную форму и линейные размеры — такая деформация называется упругой. Упругость, вязкость, прочность и твердость являются основными механическими характеристиками твердых и аморфных тел и обуславливают изменения, происходящие с физическим телом при деформации под действием внешнего усилия и ее предельном случае — разрушении. Предел текучести материала — это значение напряжения (или силы на единицу площади сечения), при котором начинается пластическая деформация.

Классификация по структуре

Под структурой стали подразумевается внутреннее строение металла, которое может существенно меняться в зависимости от условий термообработки, механических воздействий. Форма и размер зерен зависят от состава и соотношения легирующих добавок, технологии производства.

Основу зерен стали составляет кристаллическая решетка железа, в которую включены атомы примесей – углерода, металлов. Углерод может образовывать твердые растворы в кристаллической решетке, а может создавать с железом химические соединения, карбиды.

Добавки металлов существуют в виде растворов, и многие из них влияют на состояние раствора углерода.

Структура стали меняется при изменениях температуры. Эти изменения называются фазами. Каждая фаза существует в определенном температурном диапазоне, но легирующие добавки могут существенно смещать границы перехода одной фазы в другую.

Насчитывают такие основные фазы состояния металла:

Аустенит. Атомы углерода находятся внутри кристаллической решетки железа. Данная фаза существует в диапазоне 1400-700 °С. При наличии в составе от 8 до 10% никеля, аустенитная фаза может сохраняться и при комнатной температуре.
Феррит. Твердый раствор углерода в железе.
Мартенсит. Пересыщенный раствор углерода. Данная фаза свойственна закаленной стали.
Бейнит. Фаза образуется при быстром охлаждении аустенита до температуры 200-500 °С. Характеризуется смесью феррита и карбида железа.
Перлит. Равновесная смесь феррита и карбида. Образуется при медленном охлаждении аустенита до температуры 727 °С.

Фазы строения металла характеризуют его физические свойства, в зависимости от которых определяется класс стали – конструкционная, литейная и так далее.

Состав стальных сплавов

Свойства металла зависят от сформированной кристаллической решетки, которая, в свою очередь, определяется содержанием углерода. Зависимость типов решетки от количества углерода хорошо прослеживается на структурной диаграмме. Если, например, в решетке стали насчитывается до 0.06% углерода, то это классический феррит, который имеет зернистую структуру. Такой материал непрочный, но текучий и имеет большой предел ударной вязкости.

По структуре стали делятся на:

ферритную;
перлитно-ферритовую;
цементитно-ферритную;
цементитно-перлитовую;
перлитную.

Добавки углерода и прочность

Закон аддитивности подтверждается процентными изменениями цементита и феррита в стали. Если количество углеродной добавки составляет около 1,2%, то предел текучести стального материала увеличивается и повышается твердость, прочность и температуростойкость. При последующем увеличении содержания углерода технические параметры ухудшаются. Сталь плохо сваривается и неохотно поддается штамповке. Самым лучшим образом при сварке ведут себя сплавы с небольшим содержанием углерода.

Марганец и кремний

В виде добавки, чтобы увеличить степень раскисления, дополнительно добавляют марганец. Кроме того, этот элемент уменьшает вредное воздействие серы. Содержание марганца обычно не более 0.8% и он не влияет на технологические свойства сплава. Присутствует как твердый компонент.

Кремний тоже особо не влияет на характеристики металла. Он необходим для увеличения качества сварки деталей. Содержание этого элемента не превышает 0.38% и он добавляется во время процесса раскисления.

Сера и фосфор

Сера содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное количество этого элемента влияет на механические показатели сплава. Чем больше серы, тем хуже пластичность, текучесть и вязкость сплава. Если превышен предел в 0.06%, то изделие сильнее подвержено коррозии и становится способным к сильному истиранию.

Наличие фосфора увеличивает показатель текучести, но при этом уменьшается пластичность и вязкость. В общем, завышенное содержание фосфора значительно ухудшает качество металла. Особенно вредно сказывается на характеристиках совместное высокое содержание фосфора и углерода. Допустимыми пределами содержания фосфора считаются значения от 0.025 до 0.044%.

Азот и кислород

Это неметаллические примеси, которые понижают механические свойства сплава. Если содержание кислорода больше чем 0.03%, то металл быстрее стареет, падают значения пластичности и вязкости. Азотные добавки увеличивают прочность, но в этом случае предел текучести уменьшается. Увеличенное содержание азота делает сталь ломкой и способствует быстрому старению металлической конструкции.

Поведение легирующих добавок

Для улучшения всех физических показателей стали, в сплав добавляют специальные легирующие элементы. Такими добавками могут быть вольфрам, молибден, никель, хром, титан и ванадий. Совместное добавление в необходимых пропорциях, дает самые приемлемые результаты.

Классификация по способу раскисления

При выплавке стали в ней остается некоторое количество кислорода в составе окислов железа. Для снижения количества кислорода и восстановления железа из окислов применяется реакция раскисления, при которой в расплавленный металл добавляют соединения, более активные по взаимодействию с кислородом, чем железо. Во время реакции высвободившийся кислород также реагирует с углеродом, в результате чего образуется углекислый газ, который выделяется в виде пузырьков.

В зависимости от количества раскислителей и продолжительности процесса можно выделить три вида итогового сплава:

Кипящая сталь. В результате минимального использования присадок и времени реакции увеличен выход готовой продукции, которая, при этом отличается низким качеством;
Спокойная сталь. Металл, в котором полностью прошли процессы раскисления. Отличается высоким качеством, но дорога в производстве в связи с высокой стоимостью реагентов и сниженным выходом продукта;
Полуспокойная сталь. Промежуточный вариант с оптимальным сочетанием качества и стоимости.

При изготовлении ассортимента марок стали из металла разной степени раскисления применяется специальная маркировка материалов, соответственно символами «сп», «кп» и «пс».

Расчет ПТ

В сопротивлении материалов пределом текучести является напряжение, при котором начинается развиваться пластическая деформация. Давайте рассмотрим, каким образом производится расчет этой величины. В опытах, проводимых с цилиндрическими образцами, определяют значение нормального напряжения в поперечном сечении в момент возникновения необратимой деформации. Таким же методом в опытах с кручением трубчатых образцов производят определение предела текучести при сдвиге. Для большинства материалов этот показатель определяется формулой σТ=τs√3. В некоторых экземплярах непрерывное удлинение цилиндрического образца на диаграмме зависимости нормальных напряжений от относительного удлинения приводит к обнаружению так называемого зуба текучести, то есть резкого снижения напряжения перед образованием пластической деформации.

Более того, дальнейший рост такого искажения до определенного значения происходит при постоянном напряжении, которое называют физическим ПТ. Если площадка текучести (горизонтальный участок графика) имеет большую протяженность, то такой материал называют идеально-пластическим. Если диаграмма не имеет площадки, то образцы называют упрочняющимися. В таком случае невозможно точно указать значение, при котором возникнет пластическая деформация.

Стандарты ГОСТ и DIN на высокопрочный крепеж

Сегодня “высокопрочка” поступает на рынок от отечественных, европейских и азиатских производителей. И если качество китайского крепежа вызывает недоверие у потребителей, то российский и европейский продукт пользуется большим спросом. Во многих зарубежных нормативах DIN, EN прописано использование болткомплектов (болт, гайка, шайба в сборе) от одного производителя. В наших документах нет таких правил. Нет в них и требований по виду защитного покрытия, тогда как европейские метизы оцинковываются, как правило, горячим методом.

Таблица 2. Стандарты на высокопрочный крепеж в России и Европе.

Национальные стандарты РФ	Европейские стандарты
ГОСТ Р 52643-2006 Общие технические условия	DIN EN 14399-1:2006 Общие требования
ГОСТ Р 52644-2006 (ИСО 7411:1987) Болты	DIN EN 14399-2:2006 Проверка пригодности к предварительным натяжениям
ГОСТ Р 52645-2006 (ИСО 4775:1984) Гайки	DIN EN 14399-4:2006 Гарнитуры из болтов и гаек. Система HV
ГОСТ Р 52646-2006 (ИСО 7415:1984) Шайбы	DIN EN 14399-5:2006 Шайбы
DIN EN 14399-6:2006 Шайбы с фаской

Основные виды высокопрочных болтов, винтов и шпилек, используемые в России строительными компаниями и машиностроительными предприятиями:

ГОСТ 52644, ГОСТ 22353, DIN 6914, ISO 7412

Перечисленные стандарты распространяются на шестигранные болты высокой прочности (БВП), разработанные для использования при монтаже строительных металлоконструкций из стали, а также в мостостроении и тяжелом машиностроении для создания высоконагруженных соединений. Размерный ряд ограничен диаметрами М16 – М48. Выпускаются в климатическом исполнении «У» и «ХЛ»

ГОСТ 7798, ГОСТ 7805, DIN 933, DIN 931, ISO 4014, ISO 4017

Стандарты на БВП с нормальной шестигранной головкой, полной и неполной резьбой, используемые для скрепления деталей и элементов конструкций в автомобилестроении, других производственных и строительных областях. Имеют широкий диапазон диаметров от М3 до М64. Выпускаются без покрытия или оцинкованными разными способами (гальваническим, термодиффузионным, горячим). Аналоги с мелкой резьбой – DIN 960, DIN 961.

DIN 912, DIN 6912, ГОСТ 11738, ISO 4762

По данным стандартам изготавливаются винты с внутренним шестигранником и головкой в форме цилиндра, которые используются в самых разных отраслях промышленности. Винты DIN, ISO имеют более длинный перечень размеров, выпускаются только в высоких классах прочности 8.8, 10.9, 12.9, тогда как ГОСТ допускает их изготовление и низких классов, но ограниченного диаметра от М3 до М36.

DIN 444, ГОСТ 3033-79

Настоящие стандарты описывают требования к откидным винтам (болтам) с ушком и метрической резьбой диаметром от М5 до М36, которые применяются в станочных приспособлениях, в качестве детали соединения в машиностроении или совместно со строительными анкерами с внутренней резьбой.

DIN 975, DIN 976

Данные стандарты регламентируют размеры, длину, шаг и тип резьбы резьбовых шпилек (штанг). К высокопрочным относят шпильки с границей прочности 800…1200 Нм. Они имеют фиксированную длину 1000 или 2000 мм, диаметр от М4 до М48. Применяются в машиностроении, строительной отрасли, при монтаже кабельно-трубных эстакад.

Все вышеперечисленные метизы изготавливаются в черном исполнении (под покраску) и оцинкованном различными способами.

Маркировка сталей по российским стандартам

Маркировка сталей по российским стандартам позволяет определить состав металла и, частично, принадлежность к определенному виду.

При наличии углерода в стали более 1 %, его количество в маркировке не указывается. Марка стали включает буквенные обозначения легирующих добавок с указанием их количества в десятых и сотых долях процента, но если содержание компонента менее 1,5 %, то в маркировке присутствует только буквенное обозначение.

Читать также: 7805 Datasheet на русском аналог

Кроме химического состава, маркировка содержит символы, характеризующие назначение стали, степень ее качества.

Текучесть металла

Знание механических свойств материала чрезвычайно важно для конструктора, который использует их в своей работе. Он определяет максимальную нагрузку на ту или иную деталь или конструкцию в целом, при превышении которой начнется пластическая деформация, и конструкция потеряет с вою прочность, форму и может быть разрушена

Разрушение или серьезная деформация строительных конструкций или элементов транспортных систем может привести к масштабным разрушениям, материальным потерям и даже к человеческим жертвам.

Предел текучести — это максимальная нагрузка, которую можно приложить к конструкции без ее деформации и последующего разрушения. Чем выше его значения, тем большие нагрузки конструкция сможет выдержать.

Текучесть металла

На практике предел текучести металла определяет работоспособность самого материала и изделий, изготовленных из него, под предельными нагрузками. Люди всегда прогнозировали предельные нагрузки, которые могут выдержать возводимые ими строения или создаваемые механизмы. На ранних этапах развития индустрии это определялось опытным путем, и лишь в XIX веке было положено начало созданию теории сопротивления материалов. Вопрос надежности решался созданием многократного запаса по прочности, что вело к утяжелению и удорожанию конструкций. Сегодня необязательно создавать макет изделия определенного масштаба или в натуральную величину и проводить на нем опыты по разрушению под нагрузкой — компьютерные программы семейства CAE (инженерных расчетов) могут с точностью рассчитать прочностные параметры готового изделия и предсказать предельные значения нагрузок.

Испытание сталей

Чтобы полностью изучить свойства материала и определения предела текучести, пластических деформаций и прочности проводят испытание образцов металла до полного разрушения. Испытание проводят при действии нагрузок следующего вида:

статической нагрузкой;
циклической категории (на выносливость или усталость);
растяжение;
изгиб;
кручение;
реже на сочетающиеся нагрузки, например, изгиб и растяжение.

Определение пределов испытательных нагрузок производят в стандартных условиях, с применением специальных машин, которые описаны в правилах Государственных стандартов.

Испытание образца для определения предела текучести

Для этого берут образец цилиндрической формы размером 20 мм, расчетной длиной 10 мм и применяют к нему нагрузку растяжением. Понятие расчетной длины обозначает расстояние между рисками, нанесенными на более длинном образце для возможности захвата. Для проведения испытания определяют зависимость между увеличением растягивающей силы и удлинением испытательного образца. Все показания испытания автоматически отображаются в виде диаграммы для наглядного сравнения. Ее называют диаграммой условного растяжения или условного напряжения, график зависит от первоначального сечения образца и первоначальной его длины. Вначале увеличение силы приводит к пропорциональному удлинению образца. Такое положение действует до предела пропорциональности.

После достижения этого порога график становится криволинейным и обозначает непропорциональное увеличение длины при равномерном повышении нагрузки. Дальше следует определение предела текучести. До тех пор, пока напряжения в образце не превосходят этого показателя, то материал с прекращением нагрузки может вернуться в первоначальное состояние относительно размеров и формы. На практике испытательного процесса разница между этими пределами невелика и не стоит особого внимания.

Предел текучести

Если продолжать увеличивать нагрузку, то наступает такой момент испытания, когда изменение формы и размеров продолжается без увеличения силы. На диаграмме это показывается горизонтальной прямой (площадкой) текучести. Фиксируется максимальное напряжение, при котором увеличивается деформация, после прекращения наращивания нагрузки. Этот показатель называется пределом текучести. Для стали Ст. 3 предел текучести от 2450 кг на квадратный сантиметр.

Условный предел текучести

Многие металлы при испытании дают диаграмму, на которой площадка текучести отсутствует или плохо выражена, для них применяется понятие условного предела текучести. Это понятие определяет напряжение, которое вызывает остаточное изменение или деформацию в пределе 0,2%. Металлами, к которым применяется понятие условного предела текучести, служат легированные и высокоуглеродистые стали, бронза, дюралюминий и другие. Чем пластичнее сталь, тем больше показание остаточных деформаций. К ним относят алюминий, латунь, медь и низкоуглеродистые стали. Испытания стальных образцов показывает, что текучесть металла вызывает значительные сдвиги кристаллов в решетке, и характеризуется появлением на поверхности линий, направленные к центральной оси цилиндра.

Предел прочности

После изменения на некоторую величину происходит переход образца в новую фазу, когда после преодоления предела текучести, металл снова может сопротивляться растяжению. Это характеризуется упрочнением, и линия диаграммы снова поднимается, хотя повышение происходит в более пологом проявлении. Появляется временное сопротивление постоянной нагрузке.

После достижения максимального напряжения (предела прочности) на образце появляется участок резкого сужения, так называемой шейки, характеризующейся уменьшением площади поперечного сечения, и образец рвется в самом тонком месте. При этом значение напряжения резко падает, уменьшается и величина силы.

Сталь Ст.3 характеризуется пределом прочности 4000–5000 кГ/см2. Для высокопрочных металлов такой показатель достигает предела 17500 кГ/см3 этот.

Пластичность материала

Характеризуется двумя показателями:

остаточное относительное удлинение;
остаточное сужение при разрыве.

Для определения первого показателя измеряют общую длину растянутого образца после разрыва. Чтобы это сделать, складывают две половинки друг с другом. Измерив длину, высчитывают процентное отношение к первоначальной длине. Прочные сплавы менее подвержены пластичности и показатель относительного удлинения снижается до 63 эта11%.

Вторая характеристика рассчитывается после измерения наиболее узкой части разрыва и высчитывается в процентном отношении к первоначальной площади среза образца.

Цветовая маркировка

Цветовая маркировка сталей применяется для обозначения проката. Это удобно при хранении материалов на складах, транспортировке. Обозначение сталей производится метками в виде точек или полос, выполненных несмываемой краской. Цвет обозначений выбирается из таблицы согласно назначениям стали. При этом группа стали и степень ее раскисления не учитываются.

Пример цветовой маркировки стали