Предел текучести стали: как определить и на что влияет

О чем речь? Предел текучести стали показывает начало разрушения материала, которое нельзя остановить. В практическом смысле данный параметр позволяет рассчитать необходимое количество металла по заданным характеристикам.

На что обратить внимание? На предел текучести влияют добавки в сталь. Так, сера снижает данный показатель, а фосфор – повышает. Чтобы узнать предел текучести, необходимо провести ряд испытаний.

Понятие предела текучести

Предел текучести стали — это наименьшее значение, при котором металл начинает необратимо изменять свою форму.

Концепция предела текучести связана с особенностями физических свойств металлов, такими как способность к деформации, упругость, хрупкость и прочность.

Знание теории предела текучести материалов и сплавов поможет сократить затраты на изготовление, обработку деталей и конструкций в различных областях, в том числе строительстве и машиностроении, при этом сохраняя механические свойства металла.

Экономия его использования способствует уменьшению массы конструкций, что особенно важно в применении различных сценариев. Легкие, но прочные металлические системы способствуют рациональному использованию материалов в отраслях строительства и производства.

При воздействии на металлы атомы одного узла могут потерять взаимосвязь с атомами другого. В 1930-х годах Яков Френкель предположил, что для пластических деформаций требуется разрыв межатомных связей в плоскости, разделяющей тело. На практике это происходит не в центре объекта, а в зонах с неоднородной структурой материала.

Фото: Freepik / Freepik

Для сталей и других металлических материалов применяют два типа характеристик предела прочности:

• Физический предел обозначает напряжение, при котором происходит деформация без увеличения внешней силы.
• Условный предел определяет напряжение с началом пластической деформации на уровне 0,2 %.

Расчет предела текучести стали

Для определения предела текучести стали проводится испытание на растяжение. Изготавливается стандартный образец, который затем устанавливается в разрывную машину. Устройство налагает нагрузку вдоль образца, растягивая его до момента разрушения. В процессе тестирования фиксируются значения усилий и возникающих деформаций, по которым строится кривая зависимости напряжения от деформации.

На построенном графике можно определить момент перехода материала от упругого состояния к пластическому: именно эта точка считается пределом текучести. Одним из распространенных способов нахождения этого показателя является метод смещения на 0,2 %.

Для этого через начальный участок кривой параллельно ей проводят линию, смещенную вправо на 0,2 % длины (деформации). Точка пересечения этой линии с кривой растяжения указывает значение предела текучести. Таким образом определяется максимальная нагрузка, которую сталь способна выдержать без возникновения остаточных деформаций.

Методы оценки расчетного предела текучести стали

• Применение испытания на растяжение.

Оно заключается в постепенном натяжении образца до момента его окончательной деформации. Значение предела текучести материала можно вычислить на кривой растяжения, а именно, в какой точке материал перестает упруго изменяться и начинает пластическую деформацию.

Этот метод обеспечивает точные результаты и широко используется в различных отраслях промышленности.

• Проведение тестов на твердость.

Данные испытания также могут давать некоторое представление о пределе текучести. В способах проверки твердости материала, таких как испытания по методам Бринелля, Виккерса или Роквелла, сначала на поверхности образца определенной силой создается вмятина, а затем измеряется его размер. После этого с помощью соответствующих таблиц значения твердости сравниваются с грубыми пределами текучести.

• Метод конечно-элементного анализа (FEA).

В компьютерном моделировании может применяться для прогнозирования начала текучести материалов при воздействии внешних сил и напряжений. Этот подход оказывается особенно ценным в случаях, когда необходимо проанализировать сложные конструкции, определение свойств которых является затруднительным.

МПа и PSI это две единицы измерения давления, широко применяемые для того, чтобы определить, какой предел текучести стали наблюдается в данный момент.

Мегапаскаль представляет собой метрическую единицу, используемую для измерения напряжения и давления, эквивалентную одному миллиону паскалей. Данный показатель включен в Международную систему единиц, что обусловливает его популярность в области техники и материаловедения, и значительно облегчает выражение больших значений при работе с прочными материалами.

Применение этой единицы в научных изданиях способствует унификации мировых исследований в данной области и установлению международных стандартов.

Фунт на квадратный дюйм (PSI) – мера давления, востребованная главным образом в США. Она измеряет силу, которую оказывает фунт на каждый квадратный дюйм площади, покрытой данным весом, – отсюда и происхождение этого термина.

Фото: Simon Gibson / Unsplash

Несмотря на то, что в научных кругах PSI не так популярна, как, например, мегапаскаль, она остается обязательной для применения в некоторых отраслях промышленности Соединенных Штатов. Например, в производстве автомобилей или в сфере аэрокосмических технологий при создании самолетов и др.

В США широкое применение МПа или PSI исторически обусловлено и связано с устоявшимися традициями, которые американские специалисты неизменно соблюдают и поддерживают.

Применение показателя давления в единых культурных и практических контекстах обеспечивает эффективное взаимопонимание между инженерами при интерпретации измерений в разных обстоятельствах. Преобразование МПа и PSI друг в друга позволяет легко переводить физические значения, сохраняя консистентность, независимо от используемой системы измерений.

Метод тестирования на растяжение, называемый также испытанием на разрушение, представляет собой одно из ключевых механических испытаний, где образец подвергается усилию в одном направлении до момента разрыва. Этот тип эксперимента в основном применяется для извлечения информации о прочности и устойчивости материалов.

Для выявления точки текучести, которая является начальной фазой пластической деформации, можно выделить ряд этапов:

• Проведение основных подготовительных мероприятий. Соблюдение стандартов при изготовлении образца материала имеет первостепенное значение для обеспечения однородности результатов всех испытаний. Обычно для этого применяется форма собачьей кости или цилиндра.
• Этап настройки. Начинается с помещения образца в захваты испытательного стенда, где сила прикладывается в одном определенном направлении.
• Процесс применения силы. Характеризуется её постепенным увеличением при помощи испытательной машины, причем направленное усилие совпадает с осью объекта. Скорость нарастания нагрузки остается постоянной в течение эксперимента, а такие показатели, как сила, удлинение объекта и другие записываются непрерывно.
• Этап сбора данных. Предполагает анализ результатов эксперимента с целью построения кривой растяжения. График напряжения, который отображается по вертикали, измеряется в силах на единицу площади. Он противопоставлен изменениям в длине объекта, зафиксированным в отклонениях от начальной длины, и отображаемым по горизонтали.
• Определение предела текучести осуществляется по графику растяжения-деформации, где точка текучести определяется как место начала отклонения кривой от первоначальной линейной части. Тем не менее, иногда этот момент может быть выражен не так явно. В таких случаях применяется метод определения предела текучести с отклонением на 0,2 %.

Большинство технических организаций, включая ASTM International, разрабатывают стандарты для этого процесса, чтобы обеспечить сопоставимость показателей при проведении различных типовых исследований.

Влияние примесей на предел текучести стали

Углерод

Соблюдая принцип аддитивности, можно заметить, как предел текучести стали изменяется в зависимости от содержания углерода. Увеличение присутствия данного элемента до 1,2 % не только повышает прочность, твердость и хладоемкость, но также способствует улучшению этих характеристик стали.

Однако при дальнейшем увеличении уровня углерода свыше 1,2 % свойства стали будут ухудшаться, в том числе свариваемость и пластичность. Стоит отметить, что наилучшая свариваемость наблюдается у сталей с низким содержанием углерода.

Влияние азота и кислорода в сплавах

Эти два химических элемента, стоящих в начале периодической химической таблицы, часто являются нежелательными добавками. Они негативно влияют на свойства сплава, ухудшая его упругость и пластичность, а также снижая его устойчивость к разрушению.

Уровень кислорода в сплаве, превышающий 0,03 % может ускорять процесс старения стали, в то время как введение азота может привести к увеличению ее хрупкости. Тем не менее, в определенных случаях азот может улучшить прочностные характеристики сплава путем снижения предела текучести.

Добавление компонентов марганца и кремния

Применяются в металлургии с целью оптимизации свойств сплавов. Марганец используется для уменьшения содержания серы и приведения стали к необходимой консистенции.

Кремний добавляется для улучшения свариваемости сплава в пределах не более 0,4 %. Повышение содержания кремния свыше этого значения негативно влияет на процесс сварки. В стальных сплавах с конструкционными свойствами содержание кремния обычно не превышает 0,25 %. В остальных случаях добавление этого элемента не влияет на основные характеристики металла.

Примеси фосфора и серы

Их наличие в стальных сплавах считается нежелательным, так как сера способна оказывать отрицательное влияние на физические и технические свойства материала. Допустимый предел содержания серы установлен на уровне не выше 0,06 %.

Превышение этого значения приводит к снижению предела текучести, ухудшению пластичности, ударной вязкости, а также снижает стойкость стали к износу и коррозионным процессам.

Фосфор, в свою очередь, тоже влияет на физико-химические свойства стали. Его добавление в сплав способствует увеличению предела текучести, но при этом негативно сказывается на пластичности и ударной вязкости материала.

Фото: enlightening_images / Unsplash

В сталях допустимое содержание фосфора варьируется в пределах от 0,025 до 0,044 %. При повышенном содержании углерода неблагоприятное влияние фосфора усиливается.

Добавки для улучшения свойств сплавов

Специальные элементы вносятся в сплавы для корректировки их характеристик. При использовании добавок металл становится легированным, что приводит к улучшению его свойств. Для достижения оптимального эффекта различные дополнения вводятся в соответствии с необходимыми пропорциями.

Для легирования могут применяться хром, никель, ванадий, молибден и другие элементы. Появление их в стальном сплаве позволяет увеличить его предел прочности, усовершенствовать ударную вязкость, обеспечить стойкость к коррозии и улучшить другие физико-химические показатели.

Часто задаваемые вопросы о пределе текучести стали

Как отражается влияние скорости деформации на предел текучести?

При повышенных скоростях деформации наблюдается увеличение предела текучести. Этот эффект объясняется рассеиванием энергии при перемещении дислокаций. Быстрая деформация не способствует активации пластических механизмов, что дает возможность материалу оставаться более прочным.

Каков предел текучести низколегированных сталей?

Предел текучести низколегированных сталей может сильно варьироваться благодаря введению легирующих элементов. Добавление их в небольших количествах улучшает механические свойства сталей. Диапазон значений предела текучести для низколегированных сталей широк: от 350 до 1000 МПа и выше. Он зависит от специфического состава материала и технологии термической обработки.

Каково значение предела текучести стали у популярных брендов стальных изделий?

Для сортового проката определенного размера применимы следующие показатели:

• При температуре 20 градусов Цельсия текучесть достигает 245 Н/мм2 (или 25 кгс/мм2).
• Параметр для стали 30 равен 295 Н/мм2 (или 36 кгс/мм2).
• Максимальное значение предела текучести для стали 45 составляет 355 Н/мм2 при нормализации стали и температуре 20 градусов Цельсия.

Поэтому специалисты должны грамотно рассчитывать основные параметры будущих компонентов и применять полученные данные на практике.

Изображение в шапке статьи: jayhoedt / Freepik