В некоторых случаях невозможно четко определить местоположение точки текучести. В этих случаях используется определение «условный предел текучести», которое подразумевает деформацию или остаточное изменение около 0,2 %. Это значение может меняться в зависимости от пластичности конкретного металла.
Предел текучести стали: на что влияет
Различные виды стали широко используются в большинстве областей современной промышленности. Стальные сплавы обладают высокими эксплуатационными свойствами, что делает их востребованным материалом в строительстве, машиностроении и станкостроении, различных машинах, инструментах, медицинском оборудовании и т.д.
На этапе проектирования специалистам необходимо учитывать некоторые важные свойства металла, включая предел текучести.
Конструктор должен выбрать сплав, основываясь на его механических свойствах. Предел текучести стали — это напряжение, при котором деформация увеличивается без увеличения приложенной нагрузки. И наоборот, чем ниже значение, тем хуже прочностные характеристики металла и тем ниже нагрузки, для которых можно использовать изделие.
При проектировании конструктивных элементов и компонентов для различных сооружений и механизмов инженеры должны исключить возможность значительных изменений и отказов. При проектировании всегда учитывается допустимый предел текучести стали для компонентов, поскольку он влияет не только на эксплуатационные характеристики, но и на безопасность персонала.
Предел текучести конструкционной стали дает представление о допустимых нагрузках для конкретных материалов и изготовленных из них деталей или узлов машин. Упрощенно говоря, это максимальная нагрузка для:
- зданий;
- сооружений;
- деталей и узлов механизмов.
Этот параметр первоначально был определен эмпирически. Только в XIX веке ученые заложили основы науки о долговечности — науки о прочности и надежности деталей механизмов и конструкций.
Развитие ядерной физики в начале прошлого века позволило рассчитать предел текучести стали. В работе, опубликованной в 1924 году, Якобу Френкелю удалось определить величину напряжения, достаточного для деформации простых тел, используя в качестве начального значения прочность связей между атомами. В начале 20-го века такие расчеты были чрезвычайно сложны, но начало было положено.
Значение предела текучести рассчитывалось ученым по формуле:
ττ = G / 2π, где
G — модуль сдвига, определяющий стабильность пересекающихся связей,
Tt — это обозначение предела текучести стали при кручении.
По мере развития науки повышение точности расчетов позволило значительно расширить область применения стальных конструкций и механизмов в строительстве и многих других областях.
Практическое значение предела текучести стали
С развитием расчетов прочности и значений предельных нагрузок для стальных сплавов сталь стала одним из наиболее широко используемых материалов в промышленности и строительстве.
Стальные детали и компоненты в процессе эксплуатации часто подвергаются высоким, даже комбинированным нагрузкам. Изделия подвергаются растяжению, сжатию, изгибу и сдвигу. Нагрузка может быть статической, динамической или циклической, при которой максимальная нагрузка достигается снова и снова через регулярные промежутки времени. Работа специалиста заключается в том, чтобы сделать будущую конструкцию или механизм максимально прочным, надежным и безопасным.
Стали с высоким пределом текучести востребованы по экономическим причинам, так как они снижают расход металла и вес изделия, обеспечивая при этом высокое качество и соответствие ГОСТу, ТУ и другим стандартам.
Предел текучести стали является важным показателем сопротивления компонентов деформации и разрушению при различных нагрузках.
Влияние различных добавок на предел текучести стали
Влияние содержания углерода на свойства стали
Согласно принципу аддитивности, предел текучести стали можно рассматривать как функцию содержания углерода в стали. Увеличение содержания углерода до 1,2 % повышает прочность, вязкость и предел хладостойкости.
Если содержание углерода поднимается выше 1,2 %, свойства углеродистой стали, такие как свариваемость и удлинение при разрыве, значительно ухудшаются. Стали с низким содержанием углерода лучше поддаются сварке.
Азот и кислород в сплаве
Эти два элемента, находящиеся в верхней части периодической таблицы, считаются вредными примесями. Они ухудшают качество сплава, влияют на вязкость и пластичность и снижают вязкость хрупкого разрушения. Содержание кислорода более 0,03% ускоряет старение стали, а примесь азота способствует повышению хрупкости. В некоторых случаях, однако, азот может улучшить прочностные свойства за счет снижения предела текучести.
Добавки марганца и кремния
Марганец используется в качестве легирующего компонента для окисления сплава и противодействия вредному воздействию серы. Из-за схожих свойств этого металла и железа, его добавление в стальные сплавы само по себе не оказывает существенного влияния на свойства. Сталь обычно содержит около 0,8% этого элемента.
Кремний добавляется в концентрации не более 0,4 % для раскисления сплава. Дальнейшее увеличение доли этого элемента оказывает негативное влияние на свариваемость. По этой причине содержание кремния не должно превышать 0,25 %. В остальном добавление этого компонента не изменяет основных свойств металла.
Примеси серы и фосфора
Сера является чрезвычайно опасной примесью, которая негативно влияет на многие физические свойства и технические характеристики материалов. Максимально допустимое содержание этого элемента в стальных сплавах в виде хрупких сульфатных солей составляет 0,06%.
Присутствие серы в стали приводит к снижению предела текучести, пластичности, ударной вязкости с надрезом и устойчивости к износу и коррозии.
Фосфор оказывает влияние двумя способами: Он влияет на определенные физико-химические свойства. Добавление этого элемента увеличивает предел текучести, но также снижает ударную вязкость с надрезом и пластичность. Допустимый процент составляет от 0,025 до 0,044 %. Негативное влияние фосфора усиливается по мере увеличения содержания углерода в сплаве.
Легирующие добавки в составе сплавов
Легирующие элементы (специальные добавки) используются для приведения свойств сплава к желаемым значениям. Металл, очищенный таким образом, обычно называют сплавом. Для достижения оптимального результата легирующие элементы сочетаются в необходимых пропорциях.
Для сплавов используются хром, никель, ванадий, молибден и другие элементы. Их добавление может повысить предел текучести, вязкость, ударную вязкость, коррозионную стойкость и ряд других механических и физико-химических свойств.
Какие факторы изменяют предел текучести
Сталь — это сплав железа и углерода, причем доля углерода определяет свойства металла. Углерод придает сплавам твердость и прочность. Пластичность металла увеличивается, когда дополнительное содержание углерода составляет порядка 1,2 %. Такое соотношение улучшает прочностные свойства и повышает 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 для повышения степени окисления металла и снижения вредного воздействия серы. Как правило, его содержание не превышает 0,8%.
Добавление кремния может улучшить качество сварного шва. Он добавляется в процессе окисления. Общее содержание этого элемента не превышает 0,38 %.
Влияние добавок серы и фосфора
Количество серы, добавляемой в сплав, влияет на механические свойства. Повышенное содержание серы значительно снижает пластичность, вязкость и текучесть. Продукты, содержащие более 0,6 % серы, более восприимчивы к истиранию.
Добавление фосфора может улучшить текучесть. Однако этот элемент способствует снижению пластичности, вязкости и общих свойств металла. Приемлемым содержанием фосфора считается не более 0,025-0,044%.
Влияние добавок азота и кислорода
Азот и кислород являются неметаллическими примесями, поэтому их содержание должно быть минимальным. Если металл содержит более 0,03% кислорода, его эксплуатационные характеристики снижаются. Снижение пластичности и вязкости приводит к быстрому износу.
Добавление азота повышает прочность стали. В то же время, однако, предел текучести материала уменьшается. Если количество азота превышает допустимые значения, стальные конструкции быстро стареют из-за повышенной хрупкости.
Микроструктура сплава, содержащего азот и кислород
Влияние легирующих добавок
Легирующие вещества — это химические элементы, которые добавляются в сплав для придания ему определенных свойств. Легирующие элементы включают:
- хром;
- титан;
- вольфрам;
- никель;
- ванадий;
- молибден.
Все эти вещества добавляются вместе в определенном соотношении для достижения оптимальных результатов.
Как рассчитывается величина текучести стали
Первые расчеты предела текучести металлов были сделаны в 1930-х годах советским ученым Яковом Френкелем. Они были основаны на прочности межатомных связей. Ученому удалось определить напряжение, необходимое для начала пластической деформации простых тел.
Для расчета этого значения используется следующая формула:
ττ=G/2π, где значение G — модуль сдвига, определяющий стабильность пересекающихся связей.
Будучи физиком-теоретиком, Френкель предполагал, что материалы состоят из кристаллов, между которыми существует пространство. Там атомы расположены в определенном порядке. Для достижения пластической деформации необходимо разорвать межатомные связи в плоскости, разделяющей половинки тела.
Ряды атомов смещаются, и половина тела распадается, когда к нему прикладывается напряжение определенной величины. При подаче напряжения атомы одной половины теряют контакт с атомами другой половины.
Френкель был отчасти прав. За исключением того, что разрушение происходит не между половинками тела, то есть посередине, а в точке, где структура материала неоднородна.
Для каждого типа металла существуют свои значения предела текучести.
Физический предел текучести. Это сопротивление напряжению, при котором тело деформируется без изменения приложенной нагрузки.
Условный предел текучести. Этот термин обозначает сопротивление напряжению, при котором пластическая деформация материала составляет около 0,2%.
Как проводятся испытания на производствах
Для испытаний по определению предела текучести материала берется цилиндрическая часть диаметром 20 мм и длиной более 10 мм. Деталь должна быть снабжена надрезом 10 мм. Сама деталь должна быть длиннее, чтобы ее можно было захватить с двух сторон.
Заготовка зажимается в тисках и растягивается путем постепенного увеличения растягивающего усилия. По мере приложения нагрузки измеряется увеличение удлинения испытуемого образца. Полученные данные наносятся на график, называемый диаграммой растяжения.
Когда к образцу прикладывается небольшая нагрузка, он одинаково растягивается в обоих направлениях. По мере увеличения прочности на разрыв достигается предел пропорциональности, после которого образец растягивается неравномерно. Предел текучести стали определяется в точке, где материал уже не может вернуться к своей первоначальной длине.
Существуют национальные стандарты и спецификации, которые разделяют значения предела текучести на четыре категории:
- 1 класс – до 500 кг/см 2 ;
- 2 класс – до 3000 кг/см 2 ;
- 3 класс – до 4000 кг/см 2 ;
- 4 класс – до 6000 кг/см 2 .
Определение пластичности
Показатель пластичности является не менее важным параметром, который необходимо учитывать при проектировании конструкций. Он определяется двумя параметрами:
- остаточным удлинением;
- сужением при разрыве.
Для расчета остаточного удлинения измерения проводятся на обеих частях конструкции после разрушения. Длина каждой части складывается, а затем определяется процент от исходной длины. Более прочные металлические сплавы имеют более низкий процент.
Определение хрупкости
Хрупкость является противоположным свойством пластичности. Индекс хрупкости зависит от многих факторов. К ним относятся:
- температура воздуха (при низких температурах хрупкость материала увеличивается);
- увеличение скорости оказываемой нагрузки;
- влажность воздуха и пр.
Изменение этих условий приводит к изменению индекса хрупкости. Чугун, например, является хрупким материалом. Однако, если чугунная деталь закреплена со всех сторон, она может выдерживать значительные нагрузки. С другой стороны, стальной прут с надрезом становится невероятно хрупким.
Определение прочности
Прочность — это свойство металла, определяющее его способность выдерживать нагрузки без полного разрушения. Деталь испытывают, подвергая ее условиям, максимально приближенным к условиям эксплуатации, постепенно увеличивая нагрузку.
Влияющие факторы
Свойства металла определяются типом сформированной решетки, который основан на процентном содержании углерода в составе. Специальная структурная диаграмма показывает, как структура решетки зависит от количества углеродных соединений. Например, если металл содержит 0,06% углерода, то это феррит, который характеризуется особой структурой решетки — зернистой структурой. Свойства материала включают прочность и высокую текучесть, что позволяет ему выдерживать большие нагрузки.
Стали делятся на следующие категории в соответствии с их структурой:
- ферритную;
- перлитно- или цементитно-ферритовую;
- цементитно-перлитовую;
- перлитную.
Каждый металл имеет свои свойства и предел текучести, который определяет максимальную несущую способность материала, при которой он не будет деформироваться или разрушаться.
Марганец и кремний
Это специальные добавки, которые могут увеличить степень окисления материала. Кроме того, использование этих элементов позволяет снизить вредное воздействие серы и улучшить технические свойства. Кремний, например, повышает свариваемость металла. Среднее содержание этого компонента составляет 0,38 %. Обычно элемент добавляется во время окисления материала.
Сера и фосфор
Сера используется в виде хрупких сульфатных солей, которые могут изменить механические свойства сплава. Чем больше этого элемента, тем ниже:
- пластичность;
- текучесть;
- вязкость.
При добавлении избыточного количества серы свойства металла ухудшаются, он становится неустойчивым к коррозии и сильному истиранию и быстро разрушается. Фосфор служит для повышения предела текучести и снижения пластичности сплава. Однако в больших количествах этот компонент также может быть вреден для металла. Поэтому оптимальные значения для серы и фосфора составляют 0,025% и 0,044% соответственно.
Азот и кислород
Неметаллические компоненты, снижающие механические свойства сплава. Высокое содержание кислорода ускоряет коррозионные процессы и сокращает срок службы изделий, а присутствие такого компонента негативно влияет на показатели пластичности и вязкости.
Азот, с другой стороны, может увеличить прочность материала. В этом случае, однако, страдает предел текучести, что означает, что металл не способен выдерживать большие нагрузки.
Легирующие добавки
Они улучшают «физику» стали, повышая предел текучести, ударную вязкость и вязкость. Наличие таких добавок предотвращает преждевременную деформацию и растрескивание материала. Общие компоненты включают:
Хром также используется в качестве сплава.
Показатели для разных сталей
Различные типы стали имеют разный предел текучести. Если рассматривать варианты 80-миллиметровых прутков, то они характеризуются следующими значениями.
- 20. Текучесть при температуре в 20 градусов по Цельсию достигает 245 Н/мм2. Если переводить в килограмм-силы, то показатель равен 25 кгс/мм2.
- 30. Параметр достигает 295 Н/мм2 или 36 кгс/мм2.
- 45. Максимальный предел текучести обладает значением 355 Н/мм2, которое достигается при температуре в 20 градусов по Цельсию после нормализации стали.
Кроме того, ГОСТ 1050-88 предусматривает ряд сталей с измененными параметрами стандартного предела текучести, которые определяются исходя из требований потребителя и возможностей производителя. Например, образцы, вырезанные из слитков и подвергнутые термической обработке, дают следующие значения.
- Сталь 30. Параметр зависит от толщины листовой стали. Прокат, размер которого не превышает 16 мм, демонстрирует предел текучести в 400 Н/мм2, от 16 до 40 мм – 355 Н/мм2, от 40 до 100 мм – от 295 Н/мм2.
- Сталь 45. При таких же размерах показатели предела текучести составляют соответственно 490 Н/мм2, 430 Н/мм2 и 375 Н/мм
- Сталь 40Х и 40ХН. Легированный хромистый материал, характеристики которого регулирует ГОСТ 4543-71. Прокат размером 25 мм обладает пределом текучести в 785 Н/мм2. Такого показателя удается добиться после прохождения металлом термической обработки. У стали 45Х показатель выше.
- Сталь 09Г2С. Основные характеристики представлены в ГОСТ 5520-79. Сталь представляет конструкционный низколегированный материал, используемый для сборки сварных конструкций. Особенность марки – высокая прочность, максимальная текучесть составляет 345 Н/мм2. Чем выше температура эксплуатации материала, тем ниже показатель, и тем больше требований по использованию.
- Сталь 3. Представляет металл с большим содержанием углерода, характеристики которого можно посмотреть в ГОСТ 380-200. Производители выпускают несколько марок такого вида стали: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, С245. У каждой марки своя текучесть, которая лежит в пределах от 195 до 235 Н/мм2.
Также имеются значения для 35, 50, 20X, C245, 10XSND и других марок. Чем выше значение, тем выше материал и тем более устойчив он к внешним воздействиям в виде больших нагрузок.
Как рассчитать?
Френкель — один из известных ученых, которому приписывают умную гипотезу. В прошлом изменение материала понималось как деформация, действующая на структуру материала в результате напряжения сдвига. В работах прошлого века предполагалось, что сдвиг одной половины материала до такой степени, когда возврат в исходное положение уже невозможен, является достаточным для того, чтобы вызвать пластическую деформацию материала. Френкель первым предположил, что материал может иметь определенную структуру, которая содержит кристаллы или имеет частично кристаллическое пространство, что характерно для материала:
- металлов 30ХГСА, 5, 65Г, 17Г1С и других марок;
- керамики;
- полимеров.
Такой тип структуры материала предполагает существование пространственной решетки, в узлах которой сосредоточено определенное количество атомов. Структура решетки различна и абсолютно уникальна для каждого материала, и расстояния между атомами в узлах решетки также различны. Поэтому для того, чтобы вызвать смещение и возникающую деформацию, необходимо приложить силы, разрывающие межатомные связи.
Предел текучести — это конкретная мера напряжения, необходимого для разрыва связей между атомами. Под действием такой силы элементы раздвигаются, не имея возможности вернуться в исходное положение, поскольку силы упругости больше не действуют. В макромире действие сил, соответствующих пределу текучести, приводит к развитию пластических деформаций материала, которые могут изменить его форму и размеры. В результате происходит изменение формы и тела стали, за которым следует разрушение и уничтожение конструкции.
Расчетное сопротивление определяется путем испытания стандартных образцов. В ходе испытания составляется диаграмма, показывающая места «утечки» стали.
Проверка сплава
Перед началом производства проводятся испытания для изучения свойств металлического сплава. Металлические образцы подвергаются различным нагрузкам до тех пор, пока не потеряют все свойства.
- Статистическая нагрузка.
- Проверка на выносливость и усталость стали.
- Растягивание элемента.
- Тестирование на изгиб и кручение.
- Совместная выносливость на изгиб и растяжение.
Для этого используются специальные машины и создаются условия, максимально приближенные к условиям эксплуатации будущего сооружения.
Проведение испытаний
К цилиндрическому образцу с поперечным сечением двадцать миллиметров и расчетной длиной десять миллиметров прикладывается растягивающая нагрузка. Сам образец имеет длину более десяти миллиметров, чтобы его можно было надежно захватить, на нем отмечается длина в десять миллиметров, которая называется расчетной длиной. Растягивающее усилие увеличивается, и измеряется увеличение удлинения образца. Для наглядности данные нанесены на график. Это называется диаграммой кажущейся деформации.
При небольшой нагрузке образец растягивается пропорционально. При достаточном увеличении растягивающего усилия достигается предел пропорциональности. После превышения этого предела начинается непропорциональное удлинение материала при равномерном изменении растягивающего усилия. Затем достигается предел, после которого образец уже не может вернуться к своей первоначальной длине. Если это значение превышено, испытуемый образец меняют без увеличения растягивающего усилия. Например, для прутковой стали St 3 это значение составляет 2450 кг на квадратный сантиметр.
Невыраженная точка текучести
Если материал может самостоятельно деформироваться под действием постоянной силы в течение длительного периода времени, то говорят, что это идеальная пластмасса.
При тестировании часто бывает, что точка питания не определена четко, поэтому вводится определение условной точки питания. Это означает, что сила, приложенная к металлу, вызвала деформацию или остаточное изменение примерно на 0,2%. Величина остаточного изменения зависит от пластичности металла.
Чем пластичнее металл, тем выше стоимость постоянной замены. Типичными сплавами, в которых эта деформация выражена слабо, являются медь, латунь, алюминий и мягкие стали. Образцы таких сплавов называются штамповочными сплавами.
Когда металл начинает «течь», эксперименты и исследования показывают, что он претерпевает явные изменения в кристаллической решетке. На поверхности появляются линии сдвига, а кристаллические слои значительно смещаются.
После самопроизвольного растяжения металл переходит в следующее состояние и снова становится жестким. Затем сплав достигает предела прочности, и на разрезе четко видна самая слабая область, где образец сильно сжимается.
Легирующие добавки в составе сплавов
Легирующие агенты — это вещества, которые намеренно добавляются в сплав для того, чтобы специально изменить его свойства. Такие сплавы называются легированными сталями. Наилучшие характеристики могут быть достигнуты при одновременном добавлении нескольких легирующих элементов в соотношении, контролируемом легирующим агентом.
Влияние легирующих элементов на свойства стали
Обычными легирующими элементами являются никель, ванадий, хром и молибден. Легирующие агенты могут использоваться для повышения предела текучести, вязкости, коррозионной стойкости и многих других физических, механических и химических параметров и свойств.
Текучесть расплава металла
Текучесть расплавленного металла заключается в том, что он полностью заполняет форму и проникает в мелкие полости и рельефные детали. От этого зависит точность отливки и качество ее поверхности.
Жидкий металл для процессоров
Это свойство может быть дополнительно усилено путем помещения расплава под избыточное давление. Это физическое явление используется в машинах для литья под давлением. Этот метод может значительно повысить производительность процесса литья и улучшить качество поверхности и однородность отливок.
Испытание образца для определения предела текучести
Для стандартных испытаний используется цилиндрический образец диаметром 20 мм и высотой 10 мм, который зажимается в приспособлении для испытаний и подвергается растягивающему напряжению. Расстояние между метками на боковой стороне образца называется расчетной длиной. Во время измерений регистрируется зависимость между относительным удлинением образца и величиной растягивающего усилия.
Эта зависимость представлена в виде диаграммы растяжения. На первом этапе испытания увеличение силы приводит к пропорциональному увеличению длины испытуемого образца. При достижении предела пропорциональности диаграмма превращается из линейной в криволинейную, и линейная зависимость между силой и деформацией теряется. В этой точке графика образец может вернуться к своей первоначальной форме и размеру после снятия силы.
Для большинства материалов значения предела пропорциональности и предела текучести настолько близки, что на практике разница между ними не принимается во внимание.
