Предел текучести стали это

Предел текучести стали: на что влияет

Вопросы, рассмотренные в материале:

Что такое предел текучести стали
Практическое значение предела текучести стали
Влияние различных добавок на предел текучести стали
Значение предела текучести стали по ГОСТу
Проверка сплава на предел текучести

Что такое предел текучести стали

Различные марки стали широко применяются в большинстве областей современной промышленности. Стальные сплавы имеют высокие эксплуатационные характеристики, которые делают их востребованным материалом в строительстве, в машино- и станкостроении, в производстве самых разных механизмов, инструментов, медицинского оборудования и т. д.

На стадии проектирования специалистам необходимо принимать в расчет целый ряд важных характеристик металла, одной из которых является предел его текучести.

Конструктору-проектировщику необходимо подбирать сплав, исходя из его механических свойств. Предел текучести стали – это напряжение, при котором деформации нарастают без увеличения прилагаемой нагрузки. Соответственно, чем меньше это значение, тем хуже прочностные характеристики металла и ниже нагрузки, при которых допустима эксплуатация изделий.

При проектировании элементов конструкций и деталей для различных сооружений и механизмов инженерам необходимо исключить возможность серьезных изменений и разрушения. В ходе создания проекта обязательно учитывается, какой предел текучести стали допустим для деталей данного агрегата, так как от этого зависит, помимо эксплуатационных качеств, безопасность людей.

Предел текучести конструкционной стали позволяет судить о допустимых нагрузках для конкретных материалов и изготовленных из них деталей механизмов или элементов конструкций. Проще говоря, это максимальная нагрузка для:

зданий;
сооружений;
деталей и узлов механизмов.

Изначально этот параметр определяли эмпирическим путем. Только в XIX веке учеными были заложены основы сопромата – науки о прочности и надежности деталей механизмов и конструкций.

Развитие ядерной физики в начале прошлого столетия сделало возможным определение расчетного предела текучести стали. В работах, опубликованных в 1924 году, Яков Френкель смог определить значение напряжения, которого достаточно для деформирования простых тел, используя в качестве исходной величины прочность связей между атомами. Такие вычисления в начале XX века были крайне сложными, но начало было положено.

Значение предела текучести ученый рассчитал по формуле:

ττ = G / 2π, где

G – модуль сдвига, определяющий устойчивость межатомных связей,

ττ – обозначение предела текучести стали при кручении.

По мере развития науки повысившаяся точность расчетов позволила существенно расширить область применения металлоконструкций и механизмов в строительстве и многих других сферах.

Практическое значение предела текучести стали

Специалисты уделяют стальным сплавам особое внимание, разрабатывая методики расчета прочностных показателей и определяя предельно допустимые нагрузки на детали из разных типов стали, так как сегодня это самый востребованный в промышленности и строительстве материал.

Детали и элементы из стали при эксплуатации часто испытывают на себе серьезные нагрузки, в том числе и комбинированные. Изделия подвергаются растяжению, сжатию, изгибанию и сдвигу. Нагрузка может быть статической, динамической или циклической, когда максимум напряжения снова и снова достигается через определенные промежутки времени. Задача специалиста в том, чтобы сделать будущую конструкцию или механизм максимально долговечным, надежным и безопасным.

Типы стали с высоким пределом текучести востребованы по экономическим соображениям, так как дают возможность снизить металлоемкость и массу изделий, сохраняя при этом высокое качество и соответствие нормам ГОСТа, ТУ и другим стандартам.

Расчетное сопротивление стали по пределу текучести – ключевой показатель, характеризующий устойчивость деталей к деформированию и разрушению под действием различных нагрузок.

Влияние различных добавок на предел текучести стали

Влияние содержания углерода на свойства стали

В соответствии с принципом аддитивности можно проследить зависимость предела текучести стали от процентной доли содержащегося в ней углерода. Увеличивая концентрацию этого элемента до 1,2 %, можно добиться также повышения прочности, твердости и пороговой хладоемкости.

При увеличении процентной доли углерода выше 1,2 % углеродистая сталь демонстрирует существенное ухудшение таких характеристик, как свариваемость и предельная пластичность. Лучше всего поддаются сварке низкоуглеродистые типы стали.

Азот и кислород в сплаве

Оба этих элемента, стоящих в начале периодической таблицы, относят к вредным примесям. Они ухудшают качество сплава, отрицательно сказываясь на его вязкости и пластичности, снижая сопротивление хрупкому разрушению. Доля кислорода в составе выше 0,03 % ускоряет старение стали, а примесь азота способствует повышению ее ломкости. Однако в отдельных случаях азот может улучшать прочностные характеристики за счет снижения предела текучести.

Добавки марганца и кремния

Марганец в качестве легирующей добавки используют, чтобы раскислить сплав и нивелировать вредное воздействие серы. Благодаря близости свойств этого металла и железа его добавление в состав стальных сплавов само по себе не оказывает какого-либо заметного влияния на их характеристики. Обычно в стали содержится порядка 0,8 % этого элемента.

Кремний добавляют для раскисления сплава в концентрации не более 0,4 %. Дальнейшее повышение процентной доли этого элемента отрицательно сказывается на свариваемости. В конструкционных марках стали по этой причине содержание кремния не превышает 0,25 %. В остальном добавление этого компонента не меняет ключевых свойств металла.

Примеси серы и фосфора

Сера является исключительно вредной примесью и отрицательно воздействует на многие физические свойства и технические характеристики материалов. Предельно допустимое содержание этого элемента в стальных сплавах в виде хрупких сульфитов – 0,06 %.

Присутствие серы в составе стали ведет к снижению таких показателей, как предел текучести, пластичность, ударная вязкость, устойчивость к износу и коррозии.

Воздействие фосфора двояко: он влияет на ряд физико-химических характеристик. Добавление этого элемента повышает предел текучести, но при этом параллельно снижает ударную вязкость и пластичность. Допустимая процентная доля этой примеси колеблется от 0,025 до 0,044 %. Негативное воздействие фосфора усиливается при повышении углеродистости сплава.

Легирующие добавки в составе сплавов

Легирующие элементы (специальные добавки) используются для приведения его характеристик к требуемым значениям. Улучшенный таким способом металл принято называть легированным. Для достижения оптимального эффекта такие дополнения вводятся комбинированно с соблюдением нужных пропорций.

Для легирования используют хром, никель, ванадий, молибден и другие элементы. Их добавление дает возможность повысить предел текучести, прочность, ударную вязкость, устойчивость к коррозии и ряд других механических и физико-химических характеристик.

Значение предела текучести стали по ГОСТу

Предел текучести (σТ) для различных марок стали регламентируют соответствующие ГОСТы. Все значения указаны в МПа и с примечанием «не менее». Ниже приводятся примеры для наиболее широко применяемых типов.

ГОСТ 1050 от 1988 года для качественных углеродистых конструкционных видов стали содержит значения предела текучести сплава при температуре +20 °С (образцы, диаметр или толщина которых не превышает 80 мм):

сталь 20 (Ст20, 20) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 245 МПа;
сталь 30 (Ст30, 30) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 295 МПа;
сталь 45 (Ст45, 45) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 355 МПа.

Если сталь изготавливается по согласованию с заказчиком, то ГОСТ предусматривает другие нормы. В частности, нормативный предел текучести стали для образцов, прошедших термообработку, должен быть:

Сталь 30 (Ст30, закалка и отпуск)

прокат размером до 16 мм – не менее 400 МПа;
прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 355 МПа;
прокат размером от 40 до 100 мм – не менее295 МПа.

Сталь 45 (Ст45, закалка и отпуск)

прокат размером до 16 мм – не менее 490 МПа;
прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 430 МПа;
прокат размером от 40 до 100 мм – не менее 375 МПа.

Указанные для Ст30 параметры относятся к прокату до 63 мм (ГОСТ 4543 от 1971 года).

Сталь 40Х (СТ40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543 от 1971 года): для проката размером 25 мм (закалка и отпуск)– предел текучести не менее 785 МПа.

Сталь 09Г2С (лист, конструкционная низколегированная для сварных конструкций, кремнемарганцовистая, ГОСТ 5520 от 1979 года) – предел текучести не менее 265 – 345 МПа. При высокой температуре предел текучести стали составляет: +250 °С – 225 МПа; +300 °С –196 МПа; +350 °С – 176 МПа; +400 °С – 157 МПа.

Сталь 3 (углеродистая обыкновенного качества, ГОСТ 380 от 2005 года) выпускается под марками: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, каждая имеет регламентированный минимальный предел текучести.

Проверка сплава на предел текучести

Перед началом производства свойства сплавов изучают, проводя испытания, в ходе которых образцы подвергают воздействию различных нагрузок до полной утраты изначальных характеристик.

Металл подвергают:

статистическим нагрузкам;
проверке на выносливость и усталость;
растягиванию;
изгибанию и скручиванию;
изгибанию с растяжением.

Для испытания образцов пользуются специальным оборудованием, создавая близкие или аналогичные таковым условия при последующей эксплуатации изделий.

Для исследования берется образец цилиндрической формы (сечение 20 мм, длина 10 мм), на который воздействует растягивающая нагрузка. Для захвата вырезается заготовка большей длины, на ней отмечается расчетный отрезок в 10 мм. Увеличивая силу воздействия, фиксируют удлинение, отмечая данные на графике – диаграмме условного растяжения.

При малой силе воздействия происходит пропорциональное удлинение расчетного отрезка, пока по мере увеличения напряжения не будет достигнут предел пропорциональности.

Далее удлинение становится непропорциональным и достигает порога, пройдя который образец не может вернуться к изначальной длине. На следующем этапе изменение длины идет без увеличения силы, воздействующей на него, – достигается предел текучести. К примеру, для прута Ст3 это состояние возникает при нагрузке 240 МПа.

Материалы, самостоятельно деформирующиеся в течение длительного периода времени при неизменной силе воздействия, принято называть идеально пластическими.

Случается, что нет возможности четко определить площадку текучести. В таких случаях пользуются определением «условный предел текучести», который подразумевает деформацию или остаточное изменение около 0,2 %. Эта величина может варьировать в зависимости от того, насколько пластичен конкретный металл.

Чем ниже пластичность, тем меньше остаточное изменение. Слабо выраженная деформация свойственна «уплотняющимся сплавам» – меди, латуни, алюминию, низкоуглеродистым типам стали.

В ходе исследований и испытаний выяснилось, что в металле, который начал «течь», имеют место существенные искажения кристаллической решетки с формированием линий сдвига слоев.

После самопроизвольного растяжения металл достигает следующего состояния и вновь начинает сопротивляться деформированию. Далее материал проходит предел прочности, образуется слабая область, где образец начинает сужаться.

Рекомендуем статьи

Арматурная сталь: характеристики, виды, сферы применения

Мартенситная сталь: характеристики, сферы применения
Катодное покрытие: виды получения и сферы использования

Происходит быстрое уменьшение площади поперечного сечения, сопровождаемое одновременным падением величины силы воздействия и напряжения с последующим разрывом образца.

Наиболее прочные сплавы выдерживают напряжение до 1 716 МПа. Предел текучести высокопрочной стали Ст3 колеблется от 392 до 490 МПа.

Предел текучести – одна из ключевых характеристик стальных сплавов. Современная промышленность требует большого количества деталей из стали, обладающих высокой прочностью. Поэтому специалисты обязаны уметь правильно рассчитывать главные параметры будущих изделий и применять расчетные данные на практике.

определение, измерение характеристик стали, проверка сплава

Современное производство нуждается в большом количестве прочных стальных изделий. При строительстве мостов, домов, сложных конструкций используют различные стали. Одним из главнейших вопросов является расчет прочности металла и значения величины напряжения стальной арматуры. Чтобы конструкции служили долго и были безопасны необходимо точно знать предел текучести стального материала, который подвергается основной нагрузке.

Основное определение
Состав стальных сплавов
- Добавки углерода и прочность
- Марганец и кремний
- Сера и фосфор
- Азот и кислород
- Поведение легирующих добавок
Проверка сплава
- Проведение испытаний
- Невыраженная точка текучести
- Характеристика пластичности
- Показатель хрупкости
- Прочность материала

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.

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.

Легирование значительно повышает показатель текучести, ударной вязкости и препятствует деформации и растрескиванию.

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.

Прочность стали на растяжение и предел текучести стали

В чем разница между пределом текучести и пределом текучести?

Важно знать как предел текучести, так и предел прочности на растяжение, поскольку каждый из них влияет на производство и использование стали (и многих других материалов, но мы сосредоточимся на стали). Итак, в чем разница между пределом текучести и пределом прочности? Самая большая разница в том, что предел прочности при растяжении катастрофичен, а предел текучести — это всего лишь остаточная деформация. Ниже мы более подробно остановимся на обоих из них, а также поговорим о том, что такое удлинение по отношению к прочности на растяжение.

Что такое предел прочности?

Растяжимый по определению означает способность растягиваться или растягиваться. Прочность на растяжение – это сопротивление стали разрушению при растяжении. Он используется для указания момента, когда сталь переходит от упругой (временной) к пластической (постоянной) деформации. Обычно она измеряется в единицах силы на площадь поперечного сечения. Как только кусок стали вытягивается за пределы точки растягивающего напряжения, он распадается на части.

Прочность стали на растяжение покажет нам, какое напряжение растяжения сталь может выдержать, пока оно не приведет к разрушению двумя способами: вязкому или хрупкому разрушению.

Вязкое разрушение – рассматривайте это как предварительную стадию разрушения, когда оно выталкивается за пределы предела текучести до остаточной деформации.

Хрупкое разрушение - это последний этап, на котором проводится измерение предела прочности при растяжении.

По сути, предел прочности при растяжении измеряется максимальным напряжением, которое сталь может выдержать при растяжении или растяжении до разрыва.

Что такое предел текучести?

Предел текучести — это максимальное напряжение, которое можно приложить, прежде чем оно начнет постоянно менять форму. Это приближение к пределу упругости стали. Если к металлу добавляется напряжение, но оно не достигает предела текучести, он вернется к своей первоначальной форме после того, как напряжение будет снято. Когда напряжения превышают предел текучести, сталь не сможет прийти в норму. Предел текучести представляет собой верхний предел нагрузки, которую можно безопасно приложить к металлу, что делает его очень важным числом, которое необходимо знать при проектировании компонентов.

Удлинение

Удлинение — это процент растяжения от исходной длины стали до точки разрыва, показывающий, насколько пластична сталь. Пластичность — это способность стали растягиваться, не становясь при этом более хрупкой или слабой. Чем пластичнее он, тем более пластичен продукт. Удлинение — это хороший показатель, на который следует обратить внимание, чтобы определить, правильный ли продукт вы выбираете для своего проекта.

Хотя прочность на растяжение важна, вы не должны принимать решение, основываясь исключительно на ней. Вы также хотите принять во внимание предел текучести, разницу между пределом текучести и пределом текучести и процентное удлинение.

Если вам понравился этот пост, ознакомьтесь с нашим постом о твердости и прокаливаемости, чтобы узнать о различиях между ними в сталелитейной промышленности!