Предел текучести стали

Сталь – востребованный в промышленной и строительной сферах материал, который отличается высокими эксплуатационными характеристиками и отлично подходит для возведения зданий, сооружений, мостов и других объектов.

При проектировании определенных конструкций инженеры учитывают свойства стали, среди которых – предел текучести. Стоит подробнее рассмотреть, что представляет собой нормативная характеристика, и как ее правильно рассчитать.

Каждый конструктор должен знать все о механических свойствах материала, с которым работает. Предел текучести – максимально допустимая нагрузка, которая не разрушит конструкцию в момент приложения. Чем выше обозначение показателя, тем более прочным считается изделие, и тем большую нагрузку оно способно выдержать. Разрушение или серьезная деформация строительных элементов, используемых для возведения различных объектов, недопустимо. Поэтому при проектировании необходимо в обязательном порядке учитывать предел текучести, который предупреждает серьезные разрушения конструкций с возможностью появления человеческих жертв.

Если рассматривать предел текучести на практике, то он определяет, какую нагрузку можно прикладывать материалу и деталям или элементам, которые были из него изготовлены. Другими словами, предел текучести – особая нагрузка, которую способно выдержать:

• здание;
• сооружение;
• механизм.

Ранее показатель определяли посредством проведения опытов, и лишь в XIX веке ученые пришли к сопромату или теории сопротивления материалов. Теперь вопрос надежности решается заложенным в материал запасом прочности. Увеличение этого показателя привело к повышению стоимости конструкций и расширению возможностей строительной и промышленной сфер.

Свойства металла определяет тип кристаллической решетки, которая формируется исходя из процентного содержания углерода в составе. Отследить зависимость строения решетки от количества углеродных соединений можно на специальной структурной диаграмме. Например, если металл содержит 0,06% углерода, то это феррит, для которого характерна особая структура решетки – зернистая. Среди свойств материала выделяют прочность и повышенную текучесть, что позволяет ему выдерживать большие нагрузки.

По структуре стали классифицируют на:

• ферритную;
• перлитно- или цементитно-ферритовую;
• цементитно-перлитовую;
• перлитную.

Представляют собой специальные добавки, за счет них удается поднять степень, при которой происходит раскисление материала. Дополнительно посредством применения этих элементов получается уменьшить вредное воздействие серы, и улучшить технические характеристики. Кремний, например, повышает свариваемость металла. Среднее содержание компонента составляет 0,38%. В основном добавление элемента происходит в период раскисления материала.

Серу используют в виде хрупких сульфитов, способных изменить механические показатели сплава. Чем больше этого элемента, тем ниже:

• пластичность;
• текучесть;
• вязкость.

При чрезмерных добавлениях серы свойства металла ухудшаются, он становится неустойчив к коррозии и сильному истиранию, быстро приходит в негодность. Фосфор служит для повышения показателя текучести и уменьшения пластичности сплава. Однако в больших количествах компонент также способен навредить металлу. Поэтому оптимальные значения серы и фосфора достигают соответственно 0,025% и 0,044%.

Компоненты неметаллического типа, посредством которых понижают механические свойства сплава. Большое содержание кислорода ускоряет коррозионные процессы и укорачивает срок службы изделия, также наличие подобного компонента негативно отражается на показателях пластичности и вязкости.

Они улучшают «физику» стали, повышая такие показатели, как текучесть, вязкость удара и прочность. Наличие подобных добавок предотвращает несвоевременные деформации и растрескивание материала. Среди распространенных компонентов:

• вольфрам;
• никель;
• титан;
• ванадий.

А также в качестве легирующей добавки используют хром.

У сталей разных марок разный предел текучести. Если рассматривать варианты сортового проката размером 80 мм, то для них характерны следующие значения.

• 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.

Дополнительно ГОСТ 1050-88 предусматривает для ряда сталей измененные параметры нормативного предела текучести, которые определяются исходя из требований потребителя и возможностей изготовителя. Например, образцы, вырезанные из заготовок, подвергшихся термической обработке, выдают 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.

А также существуют показатели для сталей 35, 50, 20Х, С245, 10ХСНД и других марок. Чем выше показатель, тем более высокопрочный материал и выше его устойчивость к внешним воздействиям в виде внушительных нагрузок.

Френкель – один из известных ученых, которому приписывают гениальное допущение. Ранее под изменением материала формы понимали деформацию, которая происходит в результате воздействия на структуру материала напряжений сдвига. В рукописях прошлого столетия полагали, что для запуска пластической деформации материала достаточно сдвига одной половины изделия до точки, когда уже невозможно вернуться в первоначальное положение. Френкель первым выдвинул предположение, что у материала может быть особое строение, которое включает кристаллы или представляет полукристаллическое пространство, что свойственно, например, для:

• металлов 30ХГСА, 5, 65Г, 17Г1С и других марок;
• керамики;
• полимеров.

Подобный вид строения материала говорит о существовании пространственной решетки, в узлах которой собрано определенное количество атомов. Строение решеток бывает разным и строго уникальным для каждого вещества, где также отличаются расстояния между атомами в узлах решетки. Поэтому для вызова сдвига и деформации, которая после него следует, необходимо приложить усилия для разрыва межатомных связей.

Предел текучести – особый показатель напряжения, которое необходимо для разрыва связей между атомами. Приложение подобного усилия приведет к смещению элементов относительно друг друга без возможности возвращения первоначального положения, так как силы упругости уже не будут действовать. В макромире прикладывание усилий, равных пределу текучести, приводит к развитию в материале деформаций пластического типа, способных изменить его форму и размеры. Результатом такого воздействия становится изменение формы и тела стали с последующим отказом и разрушением структуры.

Испытания для определения показателя текучести проводят с применением предварительно подготовленных образцов и специального оборудования. Вот основные этапы исследования.

• Сначала цилиндрический образец, сечение которого составляет 20 мм в диаметре и 10 мм в длине, ставят в предварительно подготовленную установку.
• Оборудование запускают, и начинают замеры, постепенно отмечая результаты в тетради или блокноте, а также отслеживая диаграмму растяжения на экране, если есть такая возможность.
• Строят график, где наглядно отображается изменение структуры образца.
• Фиксируют значение усилия при разрушении цилиндра.

Далее приступают к оценке графика. Как показывают результаты, небольшая нагрузка приводит к прямо пропорциональному удлинению образца. При постепенном увеличении силы растяжения заготовка достигает предела, где заканчивается пропорциональность, после чего изделие достигает точки невозврата, когда исходник не сможет вернуться к первоначальной длине при снятии нагрузки. Со временем даже без изменения нагрузки деталь продолжит меняться, пока не достигнет предела и не разрушится.