Текучесть стали: Предел текучести как показатель надежности конструкции

alexxlab | 04.08.1971 | 0 | Разное

Содержание

Предел текучести как показатель надежности конструкции

Предел текучести как показатель надежности конструкции. Выбираем марку стали для складского стеллажа

Гношова Ольга Юрьевна, генеральный директор компании «Юнирек»

Первое, на что стоит обратить внимание при выборе стеллажного оборудования – это марка стали, из которой оно будет изготовлено.

Друзья! Мы находимся в испытательной лаборатории Уральского научно-исследовательского института черных металлов ( ОАО “Уральский институт металлов”).

Мы покажем вам, чем отличаются марки стали с точки зрения грузонесущей способности, способности сопротивляться стационарной и динамической нагрузке и за что, в конечном счете, платит покупатель стеллажей.

Марки стали отличаются по химическому составу и физическим свойствам. Нас интересует как деформируется сталь после воздействия на нее нагрузки.
Деформации разделяют на

обратимые (упругие) и необратимые (пластические).

Приведем классический пример из жизни склада: погрузчик ударяет стойку стеллажа. Если стойка принимает свое изначальное положение, то это «деформация упругая», а если стойка не возвращается в свое проектное положение, принимает «форму погрузчика», то это называется «пластическая деформация».

Каждый сплав имеет предел или критический момент, после которого упругая деформация переходит в пластическую. Именно этот показатель – «предел текучести» стали, нас с вами интересует.

Чем выше показатель предела текучести стали, тем дольше сталь способна находиться в напряженном состоянии и противостоять стационарным и динамическим нагрузкам.

Самыми популярными в России марками стали для производства стеллажей являются марки Ст08пс,

Ст3пс, Ст3сп, Ст3кп, Ст350, S355МС.

По нашей просьбе, на заводе были изготовлены 4 образца стеллажных стоек. По два образца из стали марок S355MC и Ст3, толщиной 1,5 и 2,0 миллиметра.

Для наглядности их окрасили в разные цвета – сталь Ст3 в оранжевый, а сталь S355MC в синий цвет.

Перед испытаниями в Лаборатории определили химический состав (марку стали) образцов при помощи фотоэлектрического спектрального анализа.

Ниже приведена таблица с ориентировочными показателями различных сталей, используемых при производстве стеллажных комплектующих в России (данные показатели могут отличаться в зависимости от партий проката и при разных условиях).

В Европе при производстве стеллажей используется только сталь с высоким пределом текучести, марки S52 (и других).

σ_0,2 – предел текучести условный, МПа

s_в – временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа

s_T – предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа

d₅ – относительное удлинение после разрыва, %

HB – твердость по Бринеллю

KCU – ударная вязкость, Дж/см2

Итак, мы подвергли стационарной нагрузке (давлением пресса) две пары стоек.

Первая пара – из стали толщиной 1,5мм

Образец из стали Ст3 показал, что пределом его текучести является нагрузка в 94,14 кН, что соответствует 9600 кгс.
Образец из стали S355МС показал, что пределом его текучести является нагрузка в 109,8 кН, что соответствует 11200 кгс.

Таким образом, образец из стали S355МС оказался на 16,7% устойчивее к стационарной нагрузке, чем образец из стали Ст3.

Видео показывает, что после наступления критического момента, даже после снижения нагрузки от пресса, образец продолжает деформироваться.

Данное поведение металла стоек следует принимать во внимание в процессе эксплуатации стеллажного оборудования. Необходимо помнить, что деформированная стойка выносит меньшую нагрузку, чем «целая», и поэтому ее нельзя подвергать прежней нагрузке.

Вторая пара из стали толщиной 2,0 мм

Образец из стали Ст3 показал, что пределом его текучести является нагрузка в 127,5кН, что соответствует 13000 кгс.

Образец из стали S355МС показал, что пределом его текучести является нагрузка в 164,75 кН, что соответствует 16800 кгс.

Таким образом, образец из стали S355МС оказался на 29,5% устойчивее к стационарной нагрузке, чем образец из стали Ст3.

Кстати, европейский концерн «Mecalux» не использует для производства паллетных стеллажей сталь толщиной менее 1,8мм.

Для определения устойчивости стали разных марок к динамическим нагрузкам, были произведены испытания образцов по показателю «Предел прочности на растяжение».

Предел прочности на растяжение есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) разорвет тело из конкретного материала.

Нами были подготовлены два образца в виде металлических пластин из стали Ст3 и S355МС, которые поочередно подвергли растяжению

Образец из стали Ст3 показал, что пределом его прочности является нагрузка в 8,24кН, что соответствует 840 кгс.
Образец из стали S355МС показал, что пределом его прочности является нагрузка в 10,2 кН, что соответствует 1040 кгс.

Таким образом, образец из стали S355МС оказался на 23,85% прочнее на растяжение, чем образец из стали Ст3.

Сегодняшними испытания мы хотели наглядно показать, что образцы из разных марок стали ведут себя по-разному после воздействия нагрузки.
Вы увидели, что образцы из S355MC стали держат гораздо большие стационарные и динамические нагрузки, чем образцы из стали Ст3.
Поэтому, при выборе стеллажного оборудования марка стали имеет значение!

Надеемся, что приведенная информация покажется Вам интересной и полезной.

ООО «Юнирек» проектирует и поставляет стеллажное оборудование уже более 8-ми лет, безаварийная служба поставленного оборудования обеспечена политикой компании – мы не идем на компромиссы в вопросах качества и безопасности.

определение, измерение характеристик стали, проверка сплава

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

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.

Нагрузки бывают:

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.

Структура стали и явление текучести – Основные механические свойства стали. Работа стали на растяжение – Материал и его работа в конструкции

Малоуглеродистая сталь представляет собой однородное кристаллическое тело, состоящее из мелких кристаллов феррита, образующих зерна (Fe — чистое железо), и перлита (смесь цементита Fe₃C с ферритом), расположенного главным образом по стыкам ферритных зерен и образующего как бы «сетку» или вкрапления между зернами.

Структура стали Ст. 3 (микрошлиф Х 80)

Перлит значительно тверже феррита и более хрупок. В процессе упругой деформации под действием приложенных извне нагрузок изменяются силы взаимодействия между атомами кристаллов, в результате чего форма кристаллов искажается; после снятия нагрузки форма восстанавливается.

При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, называемых линиями текучести (линиями Чернова-Людерса), направленных под углом 45° к линии действия растягивающих сил. Эти линии, заметные на глаз, представляют собой след пластических смещений слоев металла; направление их в основном совпадает с направлением наибольших касательных напряжений.

Линии текучести в растянутой полосе с отверстиями

Пластические смещения представляются как следствие массового накопления пластической деформации кристаллов феррита.

Существует гипотеза, предполагающая что у малоуглеродистых сталей располагающийся у границ зерен сравнительно тонкой прослойкой перлит, будучи значительно тверже феррита, вначале сдерживает его пластическую деформацию, однако в местах наибольшего напора сдвигающихся и поворачивающихся кристаллов феррита при нагрузках, превышающих предел упругости, возможно местное разрушение хрупкого перлита; тогда накопленная им энергия воспринимается пластичным ферритом, в результате чего происходит увеличенное смещение последнего.

При массовом сдвиге зерен образуются заметные пластические смещения; этим объясняется возникновение «зуба» и наличие площадки текучести на диаграмме растяжения.

Вследствие наличия большого количества различно ориентированных кристаллов, несмотря на неоднородность микроструктуры стали, можно рассматривать сталь как тело однородное.

При нагружении образца выше предела текучести, когда прорабатывается вся площадка текучести (т. е, преодолевается сдерживающее влияние всей перлитной прослойки), материал приобретает способность к дальнейшему сопротивлению, и диаграмма растяжения становится криволинейной, отражая равномерное развитие пластических деформаций во всей массе металла вплоть до момента разрушения. В изломе можно наблюдать мелкозернистую кристаллическую структуру.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

Определение предела текучести стали, чугуна: измерение напряжений

Прокатное производство включает изготовление различных марок конструкционных сталей, каждая из которых обладает индивидуальными механическими характеристиками. В процессе эксплуатации стальные сооружения подвергаются в разной степени нагрузкам на изгиб и сжатие, растяжение и удары и только от механических свойств металлов зависит степень их прочность и стойкость. Чтобы сделать правильные расчеты, применяется специальная расчетная формула.

Виды деформации стали

Тяжелым конструкциям необходимо придать дополнительную прочность и надежность, в связи с чем к свойствам используемых для изготовления металлов предъявляются особые требования.

При расчете размеров конструкции важную роль играет снижение массы сооружения без потери его несущих способностей. Используемые для изготовления металлических сооружений конструкционные металлы должны иметь достаточно высокие показатели прочности и хорошую пластичность.

Сопротивляемость деформации и разрушению под воздействием внешней нагрузки во многом зависит от того, какими свойствами наделен металл. В производстве стали деформация встречается в двух видах: упругой и пластической.

Описываются они разными характеристиками. Сегодня для испытания образцов металлов применяют несколько методик, которые определяют значения пропорциональности, упругости, текучести и других важных характеристик.

Современное определение стали звучит как твердый сплав железа с углеродом, процентным содержанием которого и обусловлены основные свойства стали. Чем выше содержание углерода, тем металл прочнее и тверже, но ниже вязкость и пластичность. Поэтому так важно правильно рассчитать соотношение этих показателей для производства тех или иных изделий из стали. Маркировать стали принято каждую группу по-разному.

Конструкционная углеродистая сталь маркируется буквами Ст и цифровыми обозначениями от 1 до 9, а также двумя буквами в зависимости от способа раскисления металла (ст.3кп):

кп — кипящая;
пс — полуспокойная;
сп — спокойная.

Качественная — цифрами двузначными: 05,08,10,… 45…, что указывает на среднее количество углерода в составе стали.

Предел текучести стали

Граничный предел пропорциональности стали определяет напряжение, при котором действует закон Гука, согласно с которым деформация, возникшая в упругом теле, пропорциональна приложенной к нему силе. Если напряжение меняется, этот закон теряет актуальность.

Немаловажной физической величиной, участвующей в формуле при расчете прочности конструкции, является предел текучести металла. Когда металлом достигается физический предел, даже самое малое поднятие напряжения способно удлинить образец, который начинает как бы течь, откуда и произошло его обозначение. В связи с этим граница текучести стали показывает критическое напряжение, когда материал деформируется уже без увеличения нагрузки.

Единица, в которой производится измерение предела текучести будет называться Паскаль (Па) либо МегаПаскаль (МПа). Преодолевший этот предел образец получает необратимые изменения — разные степени деформации, нарушение структурного строения кристаллической решетки, различные пластические преобразования.

Если при увеличении растягивающего значения силы пройдена площадка текучести, деформация металла усиливается. На диаграмме это представляется в виде горизонтально расположенной прямой, на которой может измеряться напряжение, максимально получаемое после остановки усиления нагрузки. Так называемый предел текучести Ст 3 составляет 2450 кг/кв.см.

Этот показатель отличается у различных марок стали и может меняться от применения разных температурных режимов и типов термообработки. Чтобы иметь возможность точно определить предел текучести стали таблица используется, где в зависимости от марок сталей приведены величины пределов текучести. Как пример, по данным таблицы сталь 20 предел текучести имеет 250 МПа, а сталь 45 — 360.

При проведении испытаний некоторые металлы на диаграмме имеют слабо выраженную площадку тягучести либо она вовсе отсутствует, поэтому к ним применяется условный предел тягучести.

Материалы, на которые распространяется применение условного предела текучести, это в основном представители высокоуглеродистых и легированных сталей, дюралюминий, чугун, бронза и многие другие.

Предел упругости

Весьма важной составляющей механического состояния металлов является предел упругости стали. С его помощью устанавливается предельно допустимый уровень нагрузок при эксплуатации металла, когда им испытываются незначительные деформации в допустимых значениях.

Конструкционные материалы в себе должны сочетать высокие пределы тягучести, при которых они смогут выдерживать серьезные нагрузки, и иметь достаточную упругость, которая обеспечит необходимую жесткость изготовляемой конструкции. Сам модуль упругости обладает одинаковой величиной при растяжении и сжатии, но иметь совершенно отличные пределы упругости — так что одинаково жесткие конструкции диапазоны упругости могут иметь абсолютно разные.

При этом металл в упругом состоянии макропластических деформаций не получает, хотя в его отдельных микроскопических объемах локальные деформации вполне могут иметь место. Благодаря им происходят неупругие явления, серьезно воздействующие на поведение отдельных металлов в состоянии упругости.

При этом нагрузки статические приводят к возникновению гистерезисных явлений, релаксации и упругого последействия, в то время как нагрузки динамические провоцируют появление внутреннего трения.

В процессе релаксации происходит несанкционированное снижение напряжения. Это приводит к проявлению остаточной деформации, когда активная нагрузка уже не действует. При наступлении внутреннего трения происходит потеря энергии. Это вызывает необратимые последствия, которые характеризуются декрементом затухания и коэффициентом внутреннего трения.

Такие металлы активно гасят вибрацию и сдерживают звук, например, серый чугун, или свободно распространяют колебания, как это делает колокольная бронза. С повышением температурного воздействия упругость металлов снижается.

Предел прочности

Предел прочности стали, который возникает после прохождения его границы текучести и позволяет образцу вновь начать сопротивление к растяжению, отображается на графике линией, которая поднимается уже более полого.

Наступает фаза временного сопротивления действующей постоянной нагрузке. При применении максимума напряжения в точке предела прочности возникает участок, где площадь сечения уменьшается, а шейка значительно сужается.

При этом испытываемый образец разрывается в наиболее узком месте, его напряжение снижается и значение величины силы уменьшается. Предел прочности для ст. 3 составляет 4000−5000 кГ/кв.см.

Взаимосвязь напряжения текучести с твердостью и пределом прочности

Зависимость между напряжением текучести и пределом прочности

Связь между напряжением текучести и пределом прочности устанавливается по зависимости между экстраполированным пределом текучести и σ_B. Поскольку по экстраполированному пределу текучести можно достаточно точно определить напряжение текучести для большинства материалов, начиная со степени деформации , то такое допущение можно считать оправданным.

Ниже рассмотрены зависимости между пределом прочности и экстраполированным пределом текучести кривых упрочнения при растяжении первого рода и при сжатии второго рода.

Экстраполированный предел текучести у кривых упрочнения первого рода при растяжении находится по пересечению касательной к кривой упрочнения в точке начала образования шейки с осью ординат. У кривых упрочнения второго рода при сжатии экстраполированный предел текучести S₀ (см. рис. 1) представляет собой напряжение, соответствующее по величине отрезку ординаты, отсекаемому прямой, являющейся продолжением участка III кривой упрочнения.

Согласно теоретическим выкладкам М. П. Марковца для материалов, у которых равномерное относительное поперечное сужение Ψ_B не более 0,15, разница между экстраполированным пределом текучести определенным по кривым упрочнения при растяжении, и пределом прочности σ_B не превышает 3%, а при Ψ_B до 0,2 — не более 7%. При этом всегда должно быть меньше величины σ_B.

Теоретически установленную зависимость между и σ_B М.П. Марковец подтвердил экспериментально. Было показано, что независимо от рода материала (цветные и черные металлы), вида предшествующей термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, закалка + отпуск) и прочности ( изучаемых материалов составлял 20-180 кГ/мм²) отношение для материалов с до 15% близко к единице (рис. 1). Только для латуни и аустенитной стали ЭИ69, у которых величина Ψ_B доходит до 30%, это соотношение составляет 1,2-1,3.

П. Марковцем также была проведена большая работа по сопоставлению и σ_B по экспериментальным данным других исследователей — Н. Н. Давиденкова, Кербера и Роланда. Было установлено, что данные различных авторов, полученные экспериментально в разных лабораториях над огромным количеством металлов н сплавов (алюминии, меди и их сплавах, углеродистых и легированных сталях) при комнатных и повышенных температурах (от 20 до 300°С), подтверждают теоретически установленную закономерность для металлов и сплавов, у которых Ψ_B не превышает 15%.

Экспериментально определим взаимосвязь между экстраполированным пределом текучести при сжатии S₀ и σ_B. В качестве исследуемого материала служили углеродистые и легированные горячекатаные и термически обработанные стали (табл. 1). Кривые упрочнения строили по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Результаты сравнения графически изображены на рис. 1, из которого видно, что между величинами S₀ и σ_B независимо от марки изделия и вида, и режима предварительной обработки имеется линейная зависимость. Математическая обработка экспериментальных данных показывает, что S₀ в среднем меньше σ_B примерно на 6%, т. е.

Полученные экспериментальные данные согласуются с экспериментальными и теоретическими данными М. П. Марковца о зависимости между экстраполированным пределом текучести при растяжении и σ_B в том смысле, что S₀ меньше σ_B примерно на ту же величину.

Таблица 1

Химический состав и вид предшествующей обработки сталей, для которых устанавливали зависимость между экстраполированным пределом текучести при сжатии S₀ и пределом прочности σ_B

Сталь	Предшествующая обработка	Содержание элементов в %
Сталь	Предшествующая обработка	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo
10	Горячая прокатка	0,11	0,45	0,21	–	–	–
15	То же	0,15	0,43	0,27	–	–	–
20	»	0,19	0,37	0,37	–	–	–
15Х	»	0,13	0,42	0,32	0,90	–	–
20Х	»	0,24	0,67	0,25	0,91	–	–
45Х	»	0,44	0,61	0,19	0,90	–	–
12ХНЗА	»	0,13		0,26	0,64	2,95	–
12ХНЗА	Отжиг, нормализация	0,16	0,40	0,36	0,66	2,81	–
40ХНМА	Отжиг, нормализация, улучшение (t_{0 mn}=600°С)	0,37	0,60	0,24	0,66	1,39	0,15-0,25

Зависимость между напряжением текучести и твердостью

На основании обработки экспериментальных данных установлены закономерности взаимосвязи:

а) между S0 и твердостью исходного металла НВ;
б) между S и твердостью сформированных образцов НВ’.

Напряжение текучести и экстраполированный предел текучести определяем по кривым упрочнения при сжатии, построенным по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Твердость определяем обычным методом на твердомере типа ИТР с замером ее на торцах и по образующей.

Для определения зависимости между величинами S и НВ’ испытанию подвергали армко-железо, углеродистые и легированные стали, предварительно горячекатаные или термически обработанные (отжиг,

нормализация или улучшение). Вид предшествующей обработки и химический состав сталей, используемых при этих исследованиях, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для установления зависимости между S и НВ’

Материал	Предшествующая обработка	Содержание элементов в %
Материал	Предшествующая обработка	C	Mn	Si	Cr	Ni
Армко-железо	Горячая прокатка	0,057	0,10	0,17	–	–
Сталь 30	Нормализация	0,29	0,61	0,30	–	–
» 40	Нормализация, улучшение	0,41	0,59	0,30	–	–
» 50	Горячая прокатка	0,50	0,70	0,27	–	–
12ХНЗА	» »	0,13	–	0,26	0,64	2,95
12ХНЗА	Отжиг, нормализация	0,11	0,42	0,23	0,64	2,79

Результаты экспериментальных данных приведены на рис. 3, из которого видно, что для всех исследуемых материалов независимо от вида предшествующей обработки и всего диапазона степеней деформации между напряжением текучести и соответствующей твердостью сформированных образцов имеется линейная зависимость. При обработке опытных данных установлено, что эта зависимость может быть представлена в следующем виде:

Влияние исходной твердости на величину экстраполированного предела текучести при сжатии изучали на примере углеродистых и легированных термически обработанных (отжиг, нормализация, улучшение) и горячекатаных сталей (табл. 3). Экспериментальные данные графически изображены на рис. 4.

Таблица 3

Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для определения зависимости между экстраполированным пределом текучести при сжатии S₀ и исходной твердостью НВ

Материал	Предшествующая обработка	Содержание элементов в %
Материал	Предшествующая обработка	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo
Сталь 40	Отжиг, нормализация, улучшение (t_отп=500, 600°С)	0,41	0,59	0,30	–	–	–
Сталь 45	Отжиг, нормализация, улучшение (t_отп=700, 600, 540°С)	0,43	0,58	0,30	–	–	–
Сталь 50	Горячая прокатка	0,50	0,70	0,27	–	–	–
15Х	Горячая прокатка	0,13	0,42	0,32	0,90	–	–
20Х	Отжиг, нормализация, улучшение (t_отп=600, 500, 400°С)	0,19	0,59	0,30	0,88	–	–
40Х	Отжиг, нормализация, улучшение (t_отп=500, 600°С)	0,38	0,62	0,32	1,03	–	–
12ХНЗА	Улучшение (t_отп=600°С)	0,16	0,40	0,36	0,66	2,81	–
30ХГСА	Отжиг, улучшение (t_отп=550°С)	0,34	0,98	1,13	1,08	–	–
40ХНМА	Отжиг, нормализация, улучшение (t_отп=600°С)	0,37	0,60	0,24	0,66	1,39	0,25

На основании экспериментальных данных установлено, что с увеличением твердости исходных образцов экстраполированный предел текучести возрастает по следующей зависимости:

Следует учесть, что в реальных металлических телах твердость в разных точках тела может отличаться на несколько единиц, а точность измерения составляет 3% при испытании на твердомере Бринелля, поэтому зависимости (2) и (3) носят несколько приближенный характер.