Как повысить предел текучести стали?

Понятие и определение предела текучести стали

Изделия из стали востребованы во всех отраслях народного хозяйства. Сталь используется при строительстве домов, мостов и других сооружений. При создании той или иной стальной конструкции учитываются прочностные характеристики. Одной из них является предел текучести стали. Его определение позволяет увеличить срок службы металлического изделия.

Предел текучести – общее определение

В процессе эксплуатации любое сооружение испытывает нагрузки. Под влиянием атмосферных явлений и других неблагоприятных факторов стальные конструкции подвергаются комбинированным нагрузкам, к числу которых относятся сжатие, растяжение и удары.

Стальные элементы чаще всего используются при возведении несущих стен, на которые оказывается основная нагрузка. В целях экономии материалов конструкторы стремятся уменьшить диаметр металлической арматуры таким образом, чтобы не допустить снижения несущей способности возводимого сооружения.

Выполнить это условие можно, если на этапе проектирования сооружения произвести правильный расчет прочности и пластичности. В первую очередь при расчетах учитывается предел текучести материала. Данный параметр обозначает напряжение, при котором происходит пластическая деформация детали без увеличения нагрузки.

Предел текучести измеряется в Паскалях. Его определение позволяет рассчитать максимальную нагрузку, которую способна выдержать пластичная сталь. Превышение этого предела вызывает необратимый процесс деформации и разрушения кристаллической решетки.

Какие факторы изменяют предел текучести

Сталь – это сплав железа с углеродом, количество которого определяет свойства металла. Углерод придает сплавам твердость и прочность. Текучесть металла увеличивается, если количество углеродной добавки составляет порядка 1,2%. Такое соотношение позволяет улучшить прочностные характеристики и повысить 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 в целях увеличения степени раскисления металла и уменьшения вредного воздействия серы. Обычно его содержание не превышает 0,8%.

Добавка кремния позволяет улучшить качество сварки. Его добавляют в процессе раскисления. А общее содержание данного элемента не превышает 0,38%.

Влияние добавок серы и фосфора

Количество серы, добавляемой в сплав, оказывает влияние на его механические показатели. Увеличенное содержание серы значительно снижает пластичность, вязкость и текучесть металла. Наибольшему истиранию подвержены изделия, содержащие более 0,6% серы.

Добавление фосфора позволяет улучшить показатели текучести. Однако данный элемент способствует снижению пластичности, вязкости и общих характеристик металла. Допустимым количеством фосфора считается не более 0,025-0,044%.

Влияние добавок азота и кислорода

Азот и кислород относятся к неметаллическим примесям, поэтому их содержание должно быть минимальным. Если металл содержит более 0,03% кислорода, его эксплуатационные характеристики ухудшаются. Снижение пластичности и вязкости приводит к быстрому износу изделий.

Добавление азота способствует увеличению прочности стали. Но вместе с ней происходит уменьшение предела текучести материала. Если количество азота превышает допустимые значения, металлические конструкции быстро стареют за счет повышенной ломкости.

Влияние легирующих добавок

К легирующим добавкам относятся химические элементы, добавляемые в сплав для придания определенных свойств. К числу легирующих элементов относятся:

• хром;
• титан;
• вольфрам;
• никель;
• ванадий;
• молибден.

Для получения оптимальных результатов их добавляют все вместе, соблюдая определенные пропорции.

Как рассчитывается величина текучести стали

Первые расчеты величины текучести металла были выполнены в 30-х годах прошлого столетия советским ученым Яковом Френкелем. В их основу была положена прочность межатомных связей. Ученому удалось определить, какое напряжение требуется для начала пластической деформации простых тел.

Для расчета данной величины применяется следующая формула:

ττ=G/2π, где величина G является модулем сдвига, определяющим устойчивость межатомных связей.

Как физик-теоретик, Френкель предположил, что материалы состоят из кристаллов, между которыми есть пространство. Там в определенном порядке расположены атомы. Чтобы достичь пластической деформации, необходимо разорвать межатомные связи в плоскости, разделяющей половинки тела.

Ряды атомов сместятся и половинки тела разорвутся, если на них оказать напряжение, величина которого соответствует определенному значению. Если воздействие будет оказываться и дальше, атомы одной половинки потеряют связь с атомами другой половинки.

Отчасти Френкель оказался прав. Только разрушение произойдет не между половинками тела, то есть посередине, а в том месте, где структура материала неоднородна.

Для каждого вида металла существует несколько значений предела текучести.

Физический предел текучести. Данной величиной обозначают силу напряжения, при которой тело деформируется без изменения прилагаемой нагрузки.

Условный предел текучести. Данный термин применяют к силе напряжения, при которой значение пластической деформации материала составляет около 0,2%.

Как проводятся испытания на производствах

Для проведения испытаний, целью которых является определение текучести материала, берут цилиндрическую заготовку диаметром 20 мм и длиной более 10 мм. На детали делают насечки для получения отрезка длиной 10 мм. Сама заготовка должна быть больше этой длины для того, чтобы ее можно было захватить с двух сторон.

Деталь зажимают в тиски и начинают растягивать, постепенно увеличивая силу растяжения. В процессе произведения нагрузки производят замеры растущего удлинения образца. Полученные данные заносят в график, называемый диаграммой условного растяжения.

Если на заготовку оказывается небольшая нагрузка, она растягивается в обе стороны пропорционально. По мере увеличения силы растяжения достигается предел пропорциональности, после чего деталь растягивается неравномерно. Предел текучести стали определяется в тот момент, когда материал уже не может вернуться к первоначальной длине.

Существуют Государственные Стандарты и Технические Условия, в которых значения предела текучести разделены на четыре класса:

• 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 обязательно учитывается в процессе проектирования конструкций. Он определяется двумя параметрами:

• остаточным удлинением;
• сужением при разрыве.

Чтобы рассчитать остаточное удлинение, производят замер двух частей детали после разрыва. Длину каждой части складывают, а затем определяют процентное соотношение к первоначальной длине. У более прочных металлических сплавов этот показатель меньше.

Определение хрупкости

Хрупкость – это свойство, противоположное пластичности. Показатель хрупкости зависит от множества 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 показателя хрупкости. К примеру, чугун – хрупкий материал. Но если чугунную деталь зажать со всех сторон, она способна перенести значительные нагрузки. А стальной прут с насечками становится невероятно хрупким.

Определение прочности

Прочность – это характеристика металла, определяющая его способность выдерживать нагрузки, не разрушаясь полностью. Для испытаний берут деталь и создают для нее условия, максимально приближенные к эксплуатационным, путем постепенного увеличения нагрузок.

Видео по теме: Испытание стали разных марок

Определение предела текучести стали

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.

• 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.

Определение предела такого качества стали, как текучесть

Производство проката подразумевает изготовление огромного количества разновидностей конструкционных сталей. Сооружения во время эксплуатации испытывают сложные нагрузки на растяжение, сжатие, удары, изгиб или действующие одновременно и в комплексе. Для тяжелых и сложных условий работы конструкций, механизмов и сооружений требуется обеспечить долговечность, безопасность и надежность работы, в связи с чем к металлу, как к основному конструкционному материалу, предъявляются повышенные требования.

Главным в расчете конструкций является стремление уменьшить сечение стальных конструкций современных узлов для снижения их массы и экономного расходования материала без уменьшения несущей способности сооружения. В зависимости от условий работы, требования к сталям изменяются, но существуют стандартные, которые являются важными и применяются в процессе расчетных работ. Конструкционная сталь должна соответствовать высоким прочностным характеристикам при достаточной пластичности материала.

Предел текучести – немаловажная условная физическая величина, непосредственно используемая в расчетных формулах. Применение этого показателя в качестве основы при расчете конструкции на прочность является обоснованным, так как при эксплуатации в сооружении появляются необратимые изменения линейных размеров, что приводит к разрушению формы изделия и выходу его из строя. Повышение этой характеристики дает возможность уменьшить расчетные сечения материала и вес металлических конструкций и позволяет повысить рабочие нагрузки.

Пределом текучести металлов называют характеристику стали, показывающую критическое напряжение, после которого продолжается деформация материала без повышения нагрузки. Это важный показатель измеряется в Паскалях (Па) или МегаПаскалях (МПа), и позволяют рассчитывать предел допустимых напряжений для пластичных сталей.

После того как материал преодолеет предел текучести, в нем происходят необратимые деформации, изменяется структура кристаллической решетки, происходят пластические изменения. Если растягивающее значение силы увеличивается, то после прохождения площадки текучести продолжают увеличиваться деформации сталей.

Часто понятие текучести сталей называют напряжением, при котором начинается необратимая деформация, не определяя различия с пределом упругости. Но в реальных условиях значение показателя предела текучести превышает предел упругости на величину около 5%.

Общие сведения и характеристики сталей

Сталь относят к ковкому деформируемому сплаву на основе железа с углеродом и добавками других элементов. Выплавляют материал из чугунных смесей с металлическим ломом в мартеновских, электрических и кислородных конверторных печах.

Равновесное состояние в структуре сталей

Сформировавшаяся кристаллическая решетка металла зависит от количества содержащегося в них углерода и определяется по структурной диаграмме в соответствии с процессами в этом сплаве. Например, решетка стали, в которой содержится до 0,06% углерода, имеет зернистую структуру и является ферритом в чистом виде. Прочность таких металлов небольшая, но материал обладает высоким пределом ударной вязкости и текучести. Структуры сталей в состоянии равновесия подразделяются:

• ферритная;
• перлитно-ферритная;
• цементитно-ферритная;
• цементитно-перлитная;
• перлитная;

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Изменения главных составляющих цементита и феррита определяются свойствами первого по закону аддитивности. Увеличение процентной добавки углерода до 1,2% позволяет повысить прочность, твердость, порог хладоемкости на 20ºС и предел текучести. Повышение содержания углерода изменяет физические свойства материала, что иногда приводит к ухудшению технических характеристик, таких как способность к свариванию, деформации при штамповках. Отличным свариванием в конструкциях обладают низкоуглеродистые сплавы.

Добавки марганца и кремния

Марганец вводят в состав сплава в качестве технологической добавки для увеличения степени раскисления и уменьшения вредного воздействия серных примесей. В сталях он присутствует в виде твердых составляющих в количестве не более 0,8% и не оказывает существенного влияния на свойства металла.

Кремний действует в составе сплава аналогичным образом, добавляется при процессе раскисления в количестве не больше 0,38%. Для возможности соединения деталей сваркой содержание кремния не должно быть больше 0,24%. На свойства сталей кремний в составе сплава не влияет.

Примеси серы и фосфора

Пределом содержания серы в сплаве является порог в 0,06%, она содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное содержание примеси существенно ухудшает механические и физические свойства сталей. Это выражается в уменьшении пластичности, предела текучести, ударной вязкости, сопротивления истиранию и коррозии.

Содержание фосфора также ухудшает качественные показатели металлических сплавов, предел текучести после увеличения фосфора в составе повышается, но снижается вязкость и пластичность. Стандартное содержание примеси в сплаве регламентируется интервалом от 0,025 до 0,044%. Наиболее сильно фосфор ухудшает свойства сталей при одновременном высоком показателе добавок углерода.

Азот и кислород в сплаве

Эти вещества загрязняют сталь неметаллическими примесями и ухудшают ее механические и физические показатели. В частности, это относится к порогу вязкости и выносливости, пластичности и хрупкости. Содержание в сплаве кислорода в размере больше, чем 0,03% вызывает быстрое старение металла, азот увеличивает ломкость и повышает со временем деформационное старение. Содержание азота увеличивает прочность, тем самым понижая предел текучести.

Легирующие добавки в составе сплавов

К легированным относят стали, в которые специально вводятся в определенных сочетаниях элементы для повышения качественных характеристик. Комплексное легирование дает наилучшие результаты. В качестве добавок применяют хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие.

Легированием повышают предел текучести и другие технологические свойства, такие как ударная вязкость, сужение и возможность прокаливания, снижение порога деформации и растрескивания.

Испытание сталей

Чтобы полностью изучить свойства материала и определения предела текучести, пластических деформаций и прочности проводят испытание образцов металла до полного разрушения. Испытание проводят при действии нагрузок следующего вида:

• статической нагрузкой;
• циклической категории (на выносливость или усталость);
• растяжение;
• изгиб;
• кручение;
• реже на сочетающиеся нагрузки, например, изгиб и растяжение.

Определение пределов испытательных нагрузок производят в стандартных условиях, с применением специальных машин, которые описаны в правилах Государственных стандартов.

Испытание образца для определения предела текучести

Для этого берут образец цилиндрической формы размером 20 мм, расчетной длиной 10 мм и применяют к нему нагрузку растяжением. Понятие расчетной длины обозначает расстояние между рисками, нанесенными на более длинном образце для возможности захвата. Для проведения испытания определяют зависимость между увеличением растягивающей силы и удлинением испытательного образца.

Все показания испытания автоматически отображаются в виде диаграммы для наглядного сравнения. Ее называют диаграммой условного растяжения или условного напряжения, график зависит от первоначального сечения образца и первоначальной его длины. Вначале увеличение силы приводит к пропорциональному удлинению образца. Такое положение действует до предела пропорциональности.

После достижения этого порога график становится криволинейным и обозначает непропорциональное увеличение длины при равномерном повышении нагрузки. Дальше следует определение предела текучести. До тех пор, пока напряжения в образце не превосходят этого показателя, то материал с прекращением нагрузки может вернуться в первоначальное состояние относительно размеров и формы. На практике испытательного процесса разница между этими пределами невелика и не стоит особого внимания.

Предел текучести

Если продолжать увеличивать нагрузку, то наступает такой момент испытания, когда изменение формы и размеров продолжается без увеличения силы. На диаграмме это показывается горизонтальной прямой (площадкой) текучести. Фиксируется максимальное напряжение, при котором увеличивается деформация, после прекращения наращивания нагрузки. Этот показатель называется пределом текучести. Для стали Ст. 3 предел текучести от 2450 кг на квадратный сантиметр.

Условный предел текучести

Многие металлы при испытании дают диаграмму, на которой площадка текучести отсутствует или плохо выражена, для них применяется понятие условного предела текучести. Это понятие определяет напряжение, которое вызывает остаточное изменение или деформацию в пределе 0,2%. Металлами, к которым применяется понятие условного предела текучести, служат легированные и высокоуглеродистые стали, бронза, дюралюминий и другие. Чем пластичнее сталь, тем больше показание остаточных деформаций. К ним относят алюминий, латунь, медь и низкоуглеродистые стали.

Испытания стальных образцов показывает, что текучесть металла вызывает значительные сдвиги кристаллов в решетке, и характеризуется появлением на поверхности линий, направленные к центральной оси цилиндра.

Предел прочности

После изменения на некоторую величину происходит переход образца в новую фазу, когда после преодоления предела текучести, металл снова может сопротивляться растяжению. Это характеризуется упрочнением, и линия диаграммы снова поднимается, хотя повышение происходит в более пологом проявлении. Появляется временное сопротивление постоянной нагрузке.

После достижения максимального напряжения (предела прочности) на образце появляется участок резкого сужения, так называемой шейки, характеризующейся уменьшением площади поперечного сечения, и образец рвется в самом тонком месте. При этом значение напряжения резко падает, уменьшается и величина силы.

Сталь Ст.3 характеризуется пределом прочности 4000–5000 кГ/см2. Для высокопрочных металлов такой показатель достигает предела 17500 кГ/см3 этот.

Пластичность материала

Характеризуется двумя показателями:

• остаточное относительное удлинение;
• остаточное сужение при разрыве.

Для определения первого показателя измеряют общую длину растянутого образца после разрыва. Чтобы это сделать, складывают две половинки друг с другом. Измерив длину, высчитывают процентное отношение к первоначальной длине. Прочные сплавы менее подвержены пластичности и показатель относительного удлинения снижается до 63 эта11%.

Вторая характеристика рассчитывается после измерения наиболее узкой части разрыва и высчитывается в процентном отношении к первоначальной площади среза образца.

Хрупкость сталей

Свойством, противоположным пластичности, является показатель хрупкости материала. Хрупкими металлами считают чугун, инструментальную сталь. Деление сталей на хрупкие и пластичные производится условно, так как для определения этого показателя имеет значение условия работы или испытания, скорость повышения нагрузки, температура окружающей среды.

Некоторые материалы в разных условиях ведут себя совсем не как хрупкие. Например, чугун, расположенный так, что зажат со всех сторон, не разрушается даже при больших нагрузках и возникающих внутри напряжениях. Сталь с проточками характеризуется повышенной хрупкостью. Отсюда вывод, что гораздо целесообразнее испытывать не пределы хрупкости, а определять состояние материала, как пластичное или хрупкое.

Испытания сталей для определения физических и технических свойств делаются с целью получить достоверные данные для произведения работ при строительстве и создания конструкций в хозяйстве.

Влияние химического состава на механические свойства стали

Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.

Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe₃C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.

Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.

Хром (Cr) повышает прочность, закаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание, но снижает вязкость и теплопроводность стали. Содержание большого количества хрома (в обычных сортах стали доходит до 2%, а в специальных — до 25%) делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.

Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.

Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.

Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.

Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σ_Т арматурной стали класса А500С.

В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).

Рис.1 — Испытание арматурного стержня для определения химического состава стали.

Рис.2 — Испытания арматурной стали на растяжение.

Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:

где υ – выборочный коэффициент вариации,

t_α,k – коэффициент Стьюдента,

α=1-P – уровень значимости (Р — доверительная вероятность),

k = n-1 – число степеней свободы,

Δ_М – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (Δ_М = γ*δ_М, где γ — генеральный коэффициент вариации, δ_М – максимальная ошибка при оценке математического ожидания в долях среднеквадратического отклонения).

Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.

По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.

Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

Y = f (β, X) + ε,

где X=(X₁, X₂,…, X_m) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.

Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Изменение механических характеристик металла при нагреве

Механические свойства металла изменяются в зависимости от его температурного состояния. В процессе сварки металл подвер­гается нагреву до высоких температур, изменение которых проис­ходит в широких пределах и в сравнительно короткое время.

Механические характеристики металла при высоких темпера­турах нельзя считать полностью исследованными. Более обсто­ятельно изучены механические свойства металла в области упругих изменений. На фиг. 9 представлено изменение механических харак­теристик стали в зависимости от температуры при нагреве до 500—600° С [2].

Модуль упругости стали Е при нагревании постепенно по­нижается, а коэффициент теплового расширения а возрастает. В области температур упругих изменений стали произведение аЕ можем принять постоянным и равным (хЕ = 12 • 10-6 • 2,1 • 106^ = 25 кГ/см2.

Предел прочности стали оь с повышением температуры до 100°С несколько снижается, затем при дальнейшем нагреве по­вышается и имеет наибольшее значение в области температур 200—300°С. При нагреве от 300 до 500°С предел прочности стали, кроме жароупорной, постепенно понижается. При температуре выше 500°С предел прочности стали резко снижается, принимая при 600°С весьма низкие значения по сравнению с прочностью при обычных температурах.

Пластические свойства стали, характеризуемые относительным удлинением и поперечным сужением при разрыве, неск(элько снижаются в области температур 150—300° С. С увеличением температуры выше 300°С пластические свойства стали возрастают. Такой характер изменения пластических свойств стали показывает, что при большой скорости остывания закрепленного стального элемента его разрыв при температурах 150—300°С весьма веро­ятен. Этим объясняется целесообразность предварительного подо-

грева стали при сварке до 150—200° С, чтобы замедлить осты­вание после сварки.

Предел текучести стали ст с повышением температуры до 500° С несколько понижается, а затем при дальнейшем повышении темпе­ратуры (свыше 500°С) резко падает, доходя почти до нуля при температуре 600°С.

Фиг. 9. Зависимость механических свойств стали от температуры.

В действительности предел текучести стали несколько повы­шается в области температур 150—300°С, затем постепенно пони­жается при нагреве до 500° С, а после этого резко падает (фиг. 10, пунктирная кривая). Ввиду малых значений предела текучести стали при температуре 600°С и выше, примем допущение, что предел текучести сталей, кроме жароупорной, при температуре 600° С и выше имеет нулевое значение (фиг. 11). Другими сло­вами, будем считать, что при температуре 600°С и выше сталь находится только в пластическом состоянии, теряя полностью свои упругие свойства.

При охлаждении стали ниже нуля предел прочности и пре­дел текучести повышаются, причем предел текучести приближается к пределу прочности.

При весьма низкой температуре сталь теряет пластические свойства, переходит в хрупкое состояние и становится хладно-

Фиг. 10. Зависимость предела текучести аг стали

1 — схематизированная диаграмма; 2 — действительная диаграмма.

Фиг. 11. Условная зависимость предела текучести стали от температуры:

1 — схематизированная диаграмма; 2 — условная диаграмма.

ломкой. Для каждого металла существует своя критическая темпе­ратура, выше которой металл способен пластически деформиро­ваться, а при температурах ниже критических металл теряет спо­собность к образованию пластических деформаций и разрушается в виде хрупкого излома. Для стали критическая температура, ниже которой происходит хрупкое разрушение, находится в области — 65—160° С.

Помимо низких температур, на хрупкое разрушение стали большое влияние оказывает концентрация напряжений, вызванная

Фиг. 12. Работа излома стали при разных температурах; а — ненадрезанные образцы; б — надрезанные образцы.

надрезами и неровностями. Хрупкое состояние стали может быть вызвано объемным напряженным состоянием, при котором весьма затруднено образование пластических деформаций.

На фиг. 12 приведены кривые ударной вязкости котельной стали в зависимости от температуры [3]. Кривые А соответствуют результатам испытаний стали, подвергавшейся предварительно нормализации для измельчения зерна, а кривые В соответствуют результатам испытаний крупно-зернистой стали.

Критическая температура ненадрезанных образцов для стали А— 160°С, а для стали В—90°С. При наличии надрезов крити­ческая температура хрупкого разрушения значительно выше и для стали А равна +5° С, а для стали В +45° С (см. фиг. 12).