Как определить предел текучести металла и почему это важно для конструкций

При изготовлении нагруженных элементов машин, станин, корпусов или крепежа необходимо знать, на каком уровне напряжения начнется остаточная деформация. Это состояние определяется понятием «предел текучести».

 Для проката из углеродистой стали с нормализованной структурой этот показатель составляет 240–340 МПа. При горячекатаном исполнении цифры могут быть ниже. А у конструкционной легированной стали 40Х достигается уровень 540–650 МПа в зависимости от условий обработки.

Методика определения основана на испытаниях при растяжении. Образец в виде цилиндра или прямоугольной лопатки закрепляется в захватах машины и подвергается равномерному увеличению нагрузки.

Сначала растяжение идет упруго, то есть пропорционально силе. Как только достигнута критическая точка, начинается пластическая деформация. Значение усилия, при котором наблюдается скачкообразное удлинение без роста нагрузки, фиксируется как предел текучести.

Наиболее распространенный способ — испытание по ГОСТ 1497. В нем установлены требования к размерам образцов: при сечении 10 мм² длина рабочей части составляет 50 мм, что позволяет достичь достаточной точности. Скорость нагружения регулируется, чтобы избежать теплового влияния. На графике получаем участок горизонтального плато — именно по нему определяется нужная величина.

В случае, если металл не имеет отчетливого горизонтального участка на диаграмме, используют условное значение 0,2% остаточной деформации. Такой метод применяется для алюминия, бронзы, нержавеющей стали. Суть в том, что при достижении этого удлинения считается, что пошел процесс течения. Обозначается как σ0,2 и рассчитывается при помощи автоматической фиксации удлинения на индикаторе поперечного перемещения.

Для стали 09Г2С в зависимости от толщины листа допускается предел текучести от 345 до 470 МПа. При этом у тонких листов показатель выше, чем у толстых. У стали 20, применяемой при производстве деталей средней нагруженности, эта величина составляет около 245 МПа. Если использовать закалку и отпуск, возможен прирост до 300 МПа, но тогда изменяются пластичность и ударная вязкость.

Для сварных узлов важно, чтобы напряжения, возникающие в рабочем режиме, были как минимум в 1,5 раза ниже этого предела. Особенно это критично для сосудов под давлением, балок, стропильных элементов.

 В противном случае возможно накопление остаточной деформации, приводящее к ползучести или даже разрушению. Потому перед началом производства обязательно проводится расчет по допускаемым напряжениям, где предел текучести участвует в числителе.

Расчетное сопротивление принимается как отношение предела к коэффициенту надежности по материалу. В случае со сталью Ст3 коэффициент равен 1,1–1,2. То есть, если предел 250 МПа, расчетное сопротивление составляет 208–227 МПа. Это значение используется при проектировании.

Для точности измерения применяются тензометры, прикрепленные к рабочей части образца. Углеродистые стали демонстрируют четкое плато, что облегчает фиксацию. В случае легированных марок, особенно подвергнутых термической обработке, наблюдается плавный переход. Тогда применяется метод отсчета по относительному удлинению, и результат записывается как условный.

У меди этот показатель составляет от 90 до 150 МПа. В случае холоднодеформированных изделий он может достигать 220 МПа. Однако при нагреве выше 200 °C резко падает, что обязательно учитывают при выборе материала для токоведущих шин и контактных пластин. Латунь демонстрирует предел 150–300 МПа в зависимости от состава и степени деформации. Здесь также действует зависимость от температуры.

Применение предварительной вытяжки позволяет увеличить значение за счет упрочнения. В случае изготовления пружин из проволоки или ленты применяется термомеханическая обработка, где целью является получение наибольшего возможного предела. Тогда важно не только значение самой величины, но и стабильность ее при циклических нагрузках.

Для алюминиевых сплавов марки 6061 в состоянии T6 предел текучести находится на уровне 275 МПа, тогда как в отожженном состоянии падает до 55–60 МПа. Это подтверждает необходимость учета термической истории материала перед использованием. У магниевых сплавов этот параметр еще ниже — порядка 100–140 МПа, и потому такие изделия применяются только в условиях ограниченной нагрузки.

В трубах из стали 17Г1С, применяемых в системах теплоснабжения, допустимое напряжение рассчитывается исходя из предела, умноженного на 0,6. Это связано с воздействием внутреннего давления и температурного расширения. Любое превышение расчетного уровня ведет к ускоренному износу.

При обработке резанием допускается применять заготовки с пределом до 500 МПа без изменения режимов. Однако при превышении 600 МПа требуется корректировка подач и выбор твердосплавного инструмента. Так, сверление стали 38ХГНМ с пределом 700 МПа проводится при скорости не более 10 м/мин с охлаждением.

В штамповке предельное значение влияет на выбор усилия пресса. Чем выше сопротивление деформации, тем больше требуется энергия. Поэтому перед серийным запуском всегда измеряют фактические характеристики партии. На практике разброс между партиями может достигать 20%, что уже влияет на точность изгиба или пробивки.

Погрешности в определении могут возникать при неправильной установке образца, смещении захватов или износе подвижных частей испытательной машины. Потому контроль ведется не только по диаграмме, но и визуально. Если начинается шейка или трещина до расчетного усилия — образец бракуется, данные не учитываются.

Стандарты, такие как ГОСТ 1050 или ГОСТ 380, устанавливают минимальные значения предела в зависимости от класса материала. При выборе поставщика продукции эти параметры сверяются с паспортом партии. В случае несоответствия возможен отказ от применения или направление на дополнительную термообработку.

Нормативы СНИП и СП для строительства задают предельные напряжения с учетом запаса. Поэтому при расчете металлических каркасов, мостов или ферм необходимо использовать только проверенные данные. Для контролируемых конструкций, находящихся под действием постоянной нагрузки, допустимое напряжение принимается равным 0,6 от предела. Для переменных — 0,5, что снижает риск усталостных разрушений.

Сравнение диаграмм растяжения разных марок позволяет подобрать подходящий прокат под нужные условия. При изготовлении несущих элементов в условиях агрессивной среды стоит выбирать материал с повышенным пределом и стойкостью к коррозии, но при этом проверять, чтобы сохраналась пластичность. В противном случае возможен хрупкий излом.