Предел текучести стали: на что влияет

Содержание

Что означает предел текучести стали и для чего нужен

В современной промышленности широко применяются различные марки стали. Этот материал востребован во многих отраслях, включая строительство, машино- и станкостроение, производство механизмов, инструментов, медицинского оборудования и других изделий.

При проектировании специалистам необходимо учитывать ряд важных характеристик металла, среди которых особое значение имеет предел текучести.

Для конструкторов важно выбрать подходящий сплав с учетом его механических свойств. Предел текучести стали определяет напряжение, при котором деформации возрастают без увеличения прикладываемой нагрузки. Чем ниже 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 важно исключить возможность серьезных изменений и разрушений. Они обязательно учитывают, какое значение предела текучести стали допустимо для деталей конструкции, так как это непосредственно влияет на безопасность и прочность изделий.

Предел текучести конструкционной стали оценивает допустимые нагрузки для материалов и изготовленных из них деталей механизмов или элементов конструкций, таких как здания, сооружения, детали и узлы механизмов. Изначально этот параметр определяли эмпирическим образом, но лишь в XIX веке ученые заложили основы сопромата - науки о прочности и надежности деталей механизмов и конструкций.

предел текучести стали

С развитием ядерной физики в начале прошлого века стало возможным определить расчетный предел текучести стали. В работах, опубликованных в 1924 году, Яков Френкель определил значение напряжения, достаточного для деформации простых тел, используя прочность связей между атомами в качестве исходной величины. Несмотря на сложность вычислений в начале XX века, положено начало новой эре.

Значение предела текучести ученый вывел по формуле: τ = G / (2π), где G - модуль сдвига, определяющий устойчивость межатомных связей, а τ - предел текучести стали при кручении.

Значение предела текучести стали на практике

Практическое значение предела текучести стали выражается в особом внимании, уделяемом специалистами стальным сплавам. Они разрабатывают методики расчета прочностных показателей и определяют предельно допустимые нагрузки на детали из различных видов стали, поскольку в современной промышленности и строительстве этот материал наиболее востребован.

Детали и элементы, изготовленные из стали, подвергаются разнообразным видам нагрузок при эксплуатации, включая растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Эти нагрузки могут быть статическими, динамическими или циклическими, когда максимальное напряжение периодически повторяется через определенные временные интервалы. Основная задача специалиста заключается в обеспечении максимальной долговечности, надежности и безопасности будущей конструкции или механизма.

Сталь с высоким пределом текучести является предпочтительным выбором по экономическим соображениям, поскольку позволяет снизить металлоемкость и массу изделий, сохраняя при этом высокое качество и соответствие стандартам, таким как ГОСТ, ТУ и другие.

Расчетное сопротивление стали по пределу текучести играет ключевую роль, отражая устойчивость деталей к деформации и разрушению под воздействием различных нагрузок.

Влияние различных добавок на предел текучести стали

Принцип аддитивности позволяет следить за влиянием содержания углерода на характеристики стали. При увеличении концентрации углерода до 1,2%, достигается повышение предела текучести стали, а также улучшение прочности, твердости и пороговой хладоемкости.

Однако при превышении 1,2% углерода углеродистая сталь сталкивается с ухудшением свариваемости и предельной пластичности. Низкоуглеродистые типы стали оказываются наилучшими для сварки.

Азот и кислород, как элементы, вносящиеся в сплав, рассматриваются как вредные примеси. Они негативно влияют на вязкость, пластичность и сопротивление хрупкому разрушению стали. Концентрация кислорода выше 0,03% способствует старению металла, а азот может повышать ломкость, хотя в некоторых случаях способен улучшить прочностные характеристики за счет снижения предела текучести.

предел текучести стали

Марганец используется как легирующая добавка для раскисления сплава и нивелирования воздействия серы. Его содержание в стали обычно составляет около 0,8%, и хотя марганец сам по себе не оказывает заметного влияния на свойства стали, он играет важную роль в улучшении ее химического состава.

Кремний, добавляемый для раскисления сплава, не превышает 0,4%. Дополнительное увеличение его концентрации отрицательно сказывается на свариваемости. В конструкционных марках стали содержание кремния ограничивается до 0,25%, чтобы сохранить оптимальные свойства металла. В целом, добавление кремния не влияет на ключевые характеристики стали.

Примеси серы и фосфора

Сера представляет собой вредную примесь, отрицательно воздействующую на различные физические свойства и технические характеристики материалов. Предельно допустимое содержание этого элемента в стальных сплавах в виде хрупких сульфитов составляет 0,06%.

Присутствие серы в составе стали приводит к уменьшению предела текучести, пластичности, ударной вязкости, а также снижению устойчивости к износу и коррозии.

Воздействие фосфора имеет двойственный характер: он оказывает влияние на различные физико-химические характеристики. Добавление этого элемента повышает предел текучести, однако сопровождается снижением ударной вязкости и пластичности. Допустимый процент фосфора варьируется от 0,025% до 0,044%. Негативное воздействие фосфора усиливается при увеличении углеродистости сплава.

Легирующие добавки в составе сплавов

Легирующие элементы, также известные как специальные добавки, применяются для придания материалу необходимых характеристик. Металл, улучшенный таким образом, обозначается как легированный. Для достижения оптимальных результатов эти дополнения вводятся комбинированно с учетом нужных пропорций.

Легирующие добавки могут включать хром, никель, ванадий, молибден и другие элементы. Их применение позволяет повысить предел текучести, прочность, ударную вязкость, устойчивость к коррозии и ряд других механических и физико-химических характеристик.

Значение предела текучести стали в соответствии с ГОСТом

Предел текучести (σТ) для различных марок стали определен соответствующими стандартами ГОСТ. Все показатели выражены в мегапаскалях (МПа) и указаны с пометкой "не менее". Приведем примеры для наиболее распространенных видов стали.

Согласно ГОСТу 1050 от 1988 года для качественных углеродистых конструкционных сталей предел текучести сплава при температуре +20 °С (для образцов с диаметром или толщиной не более 80 мм) следующий:

Если сталь изготавливается по согласованию с заказчиком, то ГОСТ предусматривает другие нормы. Нормативные пределы текучести стали для образцов, подвергнутых термообработке, следующие:

Сталь 30 (Ст30, закалка и отпуск):

Сталь 45 (Ст45, закалка и отпуск):

Указанные параметры для Ст30 относятся к прокату до 63 мм (ГОСТ 4543 от 1971 года). Сталь 40Х (СТ40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543 от 1971 года) имеет предел текучести не менее 785 МПа для проката размером 25 мм (закалка и отпуск).

Сталь 09Г2С (лист, низколегированная конструкционная для сварных конструкций, кремниемарганцовистая, ГОСТ 5520 от 1979 года) обладает пределом текучести от 265 до 345 МПа. При повышенных температурах этот предел меняется следующим образом: при +250 °С – 225 МПа; при +300 °С – 196 МПа; при +350 °С – 176 МПа; при +400 °С – 157 МПа.

Сталь 3 (углеродистая обыкновенного качества, ГОСТ 380 от 2005 года) представлена различными марками, такими как Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, каждая из которых имеет установленный минимальный предел текучести.

предел текучести стали

Проверка сплава на предел текучести

Проверка сплава на предел текучести осуществляется перед началом производства путем проведения испытаний, в рамках которых образцы подвергаются воздействию разнообразных нагрузок до полной утраты исходных характеристик.

Металл подвергается следующим видам воздействия:

Для проведения испытаний применяется специальное оборудование, создающее условия, близкие к тем, которые будут представлены в процессе эксплуатации изделий.

Образец цилиндрической формы (сечение 20 мм, длина 10 мм) выбирается для исследования, на который оказывается растягивающая нагрузка. Заготовка большей длины вырезается для захвата, на которой выделяется расчетный отрезок в 10 мм. Путем постепенного увеличения силы воздействия фиксируется удлинение, а полученные данные отмечаются на диаграмме условного растяжения.

При небольшой силе воздействия происходит пропорциональное удлинение расчетного отрезка до достижения предела пропорциональности при увеличении напряжения.

Далее удлинение становится непропорциональным и достигает порога, после чего образец не может восстановить исходную длину. На последующем этапе изменение длины происходит без увеличения силы воздействия и достигается предел текучести. Например, для прута Ст3 этот предел достигается при нагрузке 240 МПа.

Материалы, способные к самостоятельной деформации в течение продолжительного времени при постоянной силе воздействия, принято называть идеально пластичными.

Иногда возникают ситуации, когда точно определить площадку текучести затруднительно. В таких случаях используется понятие "условный предел текучести", который предполагает деформацию или остаточное изменение около 0,2%. Эта величина может изменяться в зависимости от уровня пластичности конкретного металла.

С уменьшением пластичности остаточное изменение уменьшается. "Уплотняющимся сплавам", таким как медь, латунь, алюминий и низкоуглеродистые стали, свойственна слабо выраженная деформация.

Исследования показывают, что в металле, который начал "течь", происходят существенные искажения кристаллической решетки с образованием линий сдвига слоев.

После самопроизвольного растяжения металл достигает следующего состояния и снова начинает сопротивляться деформации. Затем материал достигает предела прочности, формируется слабая область, где образец начинает сужаться. Происходит быстрое уменьшение площади поперечного сечения, сопровождаемое снижением силы воздействия и напряжения, что в итоге приводит к разрыву образца.

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

Предел текучести, являясь ключевой характеристикой стальных сплавов, становится основополагающим фактором в производстве стальных деталей для современной промышленности. Требования к высокой прочности изделий поднимают планку для специалистов, которые заботятся о правильном расчете основных параметров будущих конструкций.

В этом контексте лазерная резка металла выступает как важное звено в процессе производства, позволяя создавать детали с высокой точностью и минимальным воздействием на структурные характеристики материала. Использование лазерной технологии обеспечивает не только эффективное формирование изделий, но и сохранение высоких механических свойств металла, включая предел текучести, что в свою очередь содействует производству деталей с требуемыми параметрами прочности.

 

Заявка на расчет
На нашем сайте используются файлы cookie
Узнать подробнее
Скачать прайс