Предел текучести стали — определение, ГОСТ, значения

Изделия из стали востребованы во всех отраслях народного хозяйства. Сталь используется при строительстве домов, мостов и других сооружений. При создании той или иной стальной конструкции учитываются прочностные характеристики. Одной из них является предел текучести стали. Его определение позволяет увеличить срок службы металлического изделия.

Основное определение

В процессе использования на любое сооружение приходятся разные нагрузки в виде сжатий, растяжений или ударов. Они могут действовать как обособленно, так и совместно.

Современные конструкторы стремятся уменьшить массу стальных деталей для экономии материала, но при этом не допустить критичного снижения несущей способности всей конструкции. Происходит это засчет уменьшения сечения стальных арматур.

В зависимости от назначения объектов, могут меняться некоторые требования к стали, но имеется перечень стандартных и важных показателей. Их величины рассчитывают на этапе проектирования деталей и узлов будущего сооружения. Заготовка должна обладать высокой прочностью при соответствующей пластичности.

В первую очередь при расчетах прочности изделия из стали обращают внимание на предел текучести. Это значение характеризующее поведение деталей при воздействиях на них.

Предел текучести материала — это величина критического напряжения, при которой материал продолжает самостоятельную деформацию без увеличения нагрузки. Эта характеристика измеряется в Паскалях и позволяет рассчитывать максимально возможное напряжение для пластичной стали.

После прохождения этого предела в материале происходят невосстановимые процессы искажения кристаллической решетки. При последующем увеличении силы воздействия на заготовку и преодолении площадки текучести, деформация увеличивается.

Предел текучести иногда путают с пределом упругости. Это похожие понятия, но предел упругости — это величина максимального сопротивления металла и она чуть ниже предела текучести.

Величина текучести примерно на пять процентов превышает предел упругости.

Условный предел текучести

Условный предел текучести (он же технический предел текучести). Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определённого значения, установленного техническими условиями (большего, чем это установлено для предела упругости). Под условным пределом текучести обычно подразумевают такое напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%. Таким образом обычно условный предел текучести при растяжении обозначается σ0,2.

Выделяют также условный предел текучести при изгибе и условный предел текучести при кручении.

Какие факторы изменяют предел текучести

Сталь – это сплав железа с углеродом, количество которого определяет свойства металла. Углерод придает сплавам твердость и прочность. Текучесть металла увеличивается, если количество углеродной добавки составляет порядка 1,2%. Такое соотношение позволяет улучшить прочностные характеристики и повысить устойчивость к высоким температурам. Увеличение содержания углерода приводит к ухудшению технических параметров металла.

Влияние добавок марганца и кремния

Марганец не оказывает влияния на технические свойства сплава. Его добавляют в целях увеличения степени раскисления металла и уменьшения вредного воздействия серы. Обычно его содержание не превышает 0,8%.

Добавка кремния позволяет улучшить качество сварки. Его добавляют в процессе раскисления. А общее содержание данного элемента не превышает 0,38%.

Влияние углерода на механические свойства стали

Влияние добавок серы и фосфора

Количество серы, добавляемой в сплав, оказывает влияние на его механические показатели. Увеличенное содержание серы значительно снижает пластичность, вязкость и текучесть металла. Наибольшему истиранию подвержены изделия, содержащие более 0,6% серы.

Добавление фосфора позволяет улучшить показатели текучести. Однако данный элемент способствует снижению пластичности, вязкости и общих характеристик металла. Допустимым количеством фосфора считается не более 0,025-0,044%.

Как влияют сера и фосфор на свойства стали

Влияние добавок азота и кислорода

Азот и кислород относятся к неметаллическим примесям, поэтому их содержание должно быть минимальным. Если металл содержит более 0,03% кислорода, его эксплуатационные характеристики ухудшаются. Снижение пластичности и вязкости приводит к быстрому износу изделий.

Добавление азота способствует увеличению прочности стали. Но вместе с ней происходит уменьшение предела текучести материала. Если количество азота превышает допустимые значения, металлические конструкции быстро стареют за счет повышенной ломкости.

Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород

Влияние легирующих добавок

К легирующим добавкам относятся химические элементы, добавляемые в сплав для придания определенных свойств. К числу легирующих элементов относятся:

Влияние легирующих элементов на свойства стали

• хром;
• титан;
• вольфрам;
• никель;
• ванадий;
• молибден.

Для получения оптимальных результатов их добавляют все вместе, соблюдая определенные пропорции.

Предел текучести металла

Характеристика, данная выше, справедлива в первую очередь для предела текучести металла. Предел текучести металла измеряется в кг/мм2 или Н/м2. На значение предела текучести металла влияют самые разные факторов, например: толщина образца, режим термообработки, наличие тех или иных примесей и легирующих элементов, микроструктура, тип и дефекты кристаллической решётки и др. Предел текучести металлов сильно меняется с изменением температуры.

Как рассчитывается величина текучести стали

Первые расчеты величины текучести металла были выполнены в 30-х годах прошлого столетия советским ученым Яковом Френкелем. В их основу была положена прочность межатомных связей. Ученому удалось определить, какое напряжение требуется для начала пластической деформации простых тел.

Для расчета данной величины применяется следующая формула:

Предел текучести стали

ττ=G/2π, где величина G является модулем сдвига, определяющим устойчивость межатомных связей.

Как физик-теоретик, Френкель предположил, что материалы состоят из кристаллов, между которыми есть пространство. Там в определенном порядке расположены атомы. Чтобы достичь пластической деформации, необходимо разорвать межатомные связи в плоскости, разделяющей половинки тела.

Ряды атомов сместятся и половинки тела разорвутся, если на них оказать напряжение, величина которого соответствует определенному значению. Если воздействие будет оказываться и дальше, атомы одной половинки потеряют связь с атомами другой половинки.

Отчасти Френкель оказался прав. Только разрушение произойдет не между половинками тела, то есть посередине, а в том месте, где структура материала неоднородна.

Для каждого вида металла существует несколько значений предела текучести.

Физический предел текучести. Данной величиной обозначают силу напряжения, при которой тело деформируется без изменения прилагаемой нагрузки.

График физического предела текучести стали

Условный предел текучести. Данный термин применяют к силе напряжения, при которой значение пластической деформации материала составляет около 0,2%.

Предел текучести стали

Предел текучести сталей в ГОСТах указывается с пометкой «не менее», единица измерения МПа. Приведём в качестве примера регламентируемые значения предела текучести σТ некоторых распространённых сталей.

Для сортового проката базового исполнения (ГОСТ 1050-88, сталь конструкционная углеродистая качественная) диаметром или толщиной до 80 мм справедливы следующие значения предела текучести сталей:

• Предел текучести стали 20 (Ст20, 20) при T=20°С, прокат, после нормализации — не менее 245 Н/мм2 или 25 кгс/мм2.
• Предел текучести стали 30 (Ст30, 30) при T=20°С, прокат, после нормализации — не менее 295 Н/мм2 или 30 кгс/мм2.
• Предел текучести стали 45 (Ст45, 45) при T=20°С, прокат, после нормализации — не менее 355 Н/мм2 или 36 кгс/мм2.

Для этих же сталей, изготавливаемых по согласованию потребителя с изготовителем, ГОСТ 1050-88 предусматривает иные характеристики. В частности, нормированный предел текучести сталей, определяемый на образцах, вырезанных из термически обработанных стальных заготовок указанного в заказе размера, будет иметь следующие значения:

• Предел текучести стали 30 (Ст30, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм — не менее 400 Н/мм2 или 41 кгс/мм2; прокат размером от 16 до 40 мм — не менее 355 Н/мм2 или 36 кгс/мм2; прокат размером от 40 до 100 мм — не менее295 Н/мм2 или 30 кгс/мм2.
• Предел текучести стали 45 (Ст45, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм — не менее 490 Н/мм2 или 50 кгс/мм2; прокат размером от 16 до 40 мм — не менее 430 Н/мм2 или 44 кгс/мм2; прокат размером от 40 до 100 мм — не менее 375 Н/мм2 или 38 кгс/мм2.

*Механические свойства стали 30 распространяются на прокат размером до 63 мм.

Предел текучести стали 40Х (Ст 40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543-71): для проката размером 25 мм после термообработки (закалка+отпуск) — предел текучести стали 40Х не менее 785 Н/мм2 или 80 кгс/мм2.

Предел текучести стали 09Г2С (ГОСТ 5520-79, лист, сталь 09Г2С конструкционная низколегированная для сварных конструкций, кремнемарганцовистая). Минимальное значение предела текучести стали 09Г2С для стального проката в зависимости от толщины листа меняется от 265 Н/мм2 (27 кгс/мм2) до 345 Н/мм2 (35 кгс/мм2). Для повышенных температур минимальное требуемое значение предела текучести стали 09Г2С составляет: для Т=250°C — 225 (23); для Т=300°C — 196 (20); Т=350°C — 176 (18); Т=400°C — 157 (16).

Предел текучести стали 3. Сталь 3 (углеродистая сталь обыкновенного качества, ГОСТ 380—2005) изготавливается следующих марок: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп. Предел текучести стали 3 регламентируется отдельно для каждой марки. Так, например, требования к пределу текучести Ст3кп, в зависимости от толщины проката, меняются от 195-235 Н/мм2 (не менее).

Проверка сплава

Перед запуском в производство для изучения свойств металлического сплава, проводят испытания. На образцы металла воздействуют различными нагрузками до полной потери всех свойств.

Нагрузки бывают:

• Статистическая нагрузка.
• Проверка на выносливость и усталость стали.
• Растягивание элемента.
• Тестирование на изгиб и кручение.
• Совместная выносливость на изгиб и растяжение.

Для этих целей применяют специальные станки и создают условия, максимально приближенные к режиму эксплуатации будущей конструкции.

Проведение испытаний

Для проведения испытаний на цилиндрический образец сечением в двадцать миллиметров и расчетной длиной в десять миллиметров применяют нагрузку на растяжение. Сам образец имеет длину более десяти миллиметров, чтобы была возможность надежно его захватить, а на нем отмечена длина в десять миллиметров и именно она называется расчетной. Силу растяжения увеличивают и замеряют растущее удлинение образца. Для наглядности данные наносят на график. Он носит название диаграммы условного растяжения.

При небольшой нагрузке образец удлиняется пропорционально. Когда сила растяжения достаточно увеличится, то будет достигнут предел пропорциональности. После прохождения этого предела начинается непропорциональное удлинение материала при равномерном изменении силы растяжения. Затем достигается предел, после прохождения которого образец не может возвратиться к первоначальной длине. При прохождении этого значения, изменение испытываемой детали происходит без увеличения силы растяжения. Например, для стального прута Ст. 3 эта величина равна 2450 кг на один квадратный сантиметр.

Невыраженная точка текучести

Если при постоянной силе воздействия, материал способен длительное время самостоятельно деформироваться, то его называют идеально пластическим.

При испытаниях часто бывает, что площадка текучести нечетка определена, тогда вводят определение условного предела текучести. Это означает, что сила, действующая на металл, вызвала деформацию или остаточное изменение около 0.2%. Значение остаточного изменения зависит от пластичности металла.

Чем металл пластичнее, тем выше значение остаточной деформации. Типичными сплавами, в которых нечетко выражена такая деформация, являются медь, латунь, алюминий, стали с малым содержанием углерода. Образцы этих сплавов называют уплотняющимися.

Когда металл начинает «течь» то, как демонстрируют опыты и исследования, в нём происходят сильные изменения в кристаллической решетке. На её поверхности появляются линии сдвига и слои кристаллов значительно сдвигаются.

После того как металл самопроизвольно растянулся, он переходит в следующее состояние и опять приобретает способность сопротивления. Затем сплав достигает своего предела прочности и на детали четко проявляется наиболее слабый участок, на котором происходит резкое сужение образца.

Площадь поперечного сечения становится меньше и в этом месте происходит разрыв и разрушение. Величина силы растяжения в этот момент падает вместе со значением напряжения и деталь рвётся.

Высокопрочные сплавы выдерживают нагрузку до 17500 килограмм на сантиметр квадратный. Предел прочности стали СТ.3 находится в пределах 4−5 тыс. килограммов на сантиметр квадратный.

Характеристика пластичности

Пластичность материала является важным параметром, который должен учитываться при проектировании конструкций. Пластичность определяется двумя показателями:

• остаточным удлинением;
• сужением при разрыве.

Остаточное удлинение вычисляют путем замера общей длины детали после того, как она разорвалась. Она состоит из суммы длин каждой половины образца. Затем в процентах определяют отношение к первоначальной условной длине. Чем прочнее металлический сплав, тем меньше значение относительного удлинения.

Остаточное сужение — это отношение в процентах самого узкого места разрыва к изначальной площади сечения исследуемого прута.

Показатель хрупкости

Самым хрупким металлическим сплавом считается инструментальная сталь и чугун. Хрупкость — это свойство обратное пластичности, и оно несколько условно, поскольку сильно зависит от внешних условий.

Такими условиями могут являться:

• Температура окружающей среды. Чем ниже температура, тем хрупче становится изделие.
• Скорость изменения прилагаемого усилия.
• Влажность окружающей среды и другие параметры.

При изменении внешних условий, один и тот же материал ведет себя по-разному. Если чугунную болванку зажать со всех сторон, то она не разбивается даже при значительных нагрузках. А, например, когда на стальном пруте есть проточки, то деталь становиться очень хрупкой.

Поэтому на практике применяют не понятие предела хрупкости, а определяют состояние образца как хрупкое или довольно пластичное.

Прочность материала

Это механическое свойство заготовки и характеризуется способностью выдерживать нагрузки полностью не разрушаясь. Для испытываемого образца создают условия наиболее отражающие будущие условия эксплуатации и применяют разнообразные воздействия, постепенно увеличивая нагрузки. Повышение сил воздействия вызывают в образце пластические деформации. У пластичных материалов деформация происходит на одном, ярко выраженном участке, который называется шейка. Хрупкие материалы могут разрушаться на нескольких участках одновременно.

Сталь проходит испытание для точного выяснения различных свойств, чтобы получить ответ о возможности её использования в тех или иных условиях при строительстве и создании сложных конструкций.

Значения текучести различных марок сталей занесены в специальные Стандарты и Технические Условия. Предусмотрено четыре основных класса. Значение текучести изделий первого класса может доходить до 500 кг/см кв., второй класс отвечает требованиям к нагрузке до 3 тыс. кг/см кв., третий — до 4 тыс. кг/см кв. и четвертый класс выдерживает до 6 тыс. кг/см кв.

Текучесть расплава

Текучесть расплава металла — это способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Текучесть расплава для металлов и металлических сплавов — то же что и жидкотекучесть. (См. Литейные свойства сплавов).

Текучесть жидкости вообще и расплава в частности есть величина, обратная динамической вязкости. В Международной системе единиц (СИ) текучесть жидкости выражается в Па-1*с-1.

Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

1. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация: Учебник для вузов. — М.:*МИСИС*, 1997. — 527 с.
2. Жуковец И.И. Механические испытания металлов: Учеб. для сред. ПТУ. — 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 1986. — 199 с.: ил. — (Профтехобразование). — ББК 34.2/ Ж 86/ УДЖ 620.1
3. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
4. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. — М.: Металлургия, 1980. 296 с.
5. Белянкин Ф.П. Энергетический предел текучести металлов. // Сборник Института строительной механики АН УССР. №9, 1948.152

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...