Расчет предела текучести стали

Предел текучести (yield stress или yield strength) — механическая характеристика материала, характеризующая напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки. С помощью этого параметра рассчитываются допустимые напряжения для пластичных материалов.

Обозначение — σт. Единица измерения — Паскаль.

После прохождения предела текучести в металле в материале образца начинают происходить необратимые изменения, перестраивается кристаллическая решетка металла, появляются значительные пластические деформации. При этом металл самоупрочняется, об этом говорит то, что после площадки текучести деформации растут при возрастающем значении растягивающей силы.

Часто для данной механической характеристики дают формулировку «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация» [1] , не делая разницы с пределом упругости. В реальности значения предела текучести выше, чем предел упругости, примерно на 5 %. [2]

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.

Читайте также:  Ремонт лобзика макита своими руками

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.

Методы испытания на растяжение

Reinforcing-bar steel. Tensile test methods

МКС 77.140.15
ОКСТУ 1909

Дата введения 1983-07-01

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством металлургии СССР

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 15.12.81 N 5419

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на который дана ссылка

Номер пункта, подпункта

1.1; 2.1; 3.1; 3.4; 3.7.3

5. Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного cовета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 11-12-94)

Читайте также:  Качество сварных швов металлоконструкций

6. ИЗДАНИЕ (сентябрь 2009 г.) с Изменениями N 1, 2, утвержденными в июне 1985 г., августе 1990 г. (ИУС 9-85, 11-90)

Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний на растяжение при температуре (20 ) °C арматурной стали номинальным диаметром от 3,0 до 80 мм (проволоки, стержни и арматурные канаты) круглого и периодического профиля, предназначенной для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций для определения механических свойств:

полного относительного удлинения при максимальной нагрузке;

относительного удлинения после разрыва;

относительного равномерного удлинения после разрыва;

относительного сужения после разрыва;

временного сопротивления;

предела текучести (физического);

пределов текучести и упругости (условных);

модуля упругости (начального).

Термины, обозначения и определения приведены в приложении 1.

1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

(Измененная редакция, Изм. N 2).

1.2. Допускается перед испытанием проводить правку образца плавным давлением на него или легкими ударами молотка по образцу, лежащему на подкладке. Подкладка и молоток должны быть из более мягкого материала, чем образец.

Недопустимость правки образцов должна быть оговорена в НТД на арматурную сталь.

где – масса испытуемого образца, кг;

– длина испытуемого образца, м;

– плотность стали, 7850 кг/м .

1.5. Для обточенных и круглых образцов арматуры номинальным диаметром от 3,0 до 40,0 мм определяют площадь поперечного сечения измерением диаметра по длине образца в трех сечениях: в середине и по концам рабочей длины; в каждом сечении в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Площадь поперечного сечения образца вычисляют как среднеарифметическое значение этих шести измерений.

1.6. Площадь поперечного сечения каната определяют как сумму площадей поперечного сечения отдельных проволок, составляющих канат.

Допускается использовать номинальную площадь сечения канатов, указанную в нормативно-технической документации на канаты.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

1.7. Начальную расчетную длину измеряют с погрешностью не более 0,5 мм.

1.8. Диаметры круглых и обточенных образцов арматуры номинальным диаметром от 3,0 до 40,0 мм измеряют штангенциркулем по ГОСТ 166 или микрометром по ГОСТ 6507.

1.9. Массу испытуемых образцов арматуры периодического профиля номинальным диаметром менее 10 мм определяют с погрешностью не более 1,0 г, образцов арматуры диаметром от 10 до 20 мм – с погрешностью не более 2,0 г, а образцов диаметром более 20 мм – с погрешностью не более 1% от массы образца.

Образцы арматурной стали взвешивают на весах по ГОСТ 29329*, а длину образца измеряют металлической линейкой по ГОСТ 427.
_______________
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ Р 53228-2008. – Примечание изготовителя базы данных.

2. АППАРАТУРА

2.1. Применяют машины всех систем при условии их соответствия требованиям настоящего стандарта и ГОСТ 1497.

2.2. При проведении испытаний должны соблюдаться требования:

надежное центрирование образца;

плавность нагружения;

средняя скорость нагружения при испытании до предела текучести не должна быть более 10 Н/мм (1 кгс/мм ) в секунду; за пределом текучести скорость нагружения может быть увеличена так, чтобы скорость перемещения подвижного захвата машины не превышала 0,1 рабочей длины испытуемого образца в минуту; шкала силоизмерителя испытательной машины не должна превышать пятикратного ожидаемого значения наибольшей нагрузки для испытуемого образца арматуры;

конструкция захватов испытательной машины должна исключать возможность поворота концов каната вокруг оси образца.

2.3. Измерительные приборы должны соответствовать требованиям настоящего стандарта и другой НТД.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1.1. Конечную расчетную длину образца , включающую место его разрыва, определяют следующим способом.

Перед испытанием образец на длине, больше рабочей длины образца, размечается на равных частей при помощи меток, наносимых делительной машиной, скобками или керном. Расстояние между метками для арматуры диаметром 10 мм и более не должно превышать величину и быть кратным 10 мм. Для арматуры диаметром менее 10 мм расстояние между метками принимается равным 10 мм. Допускается при разметке образцов расстояние между метками принимать более 10 мм и превышающим величину , но не более величины начальной расчетной длины .

Если число интервалов , соответствующее начальной длине образца, получается дробным, его округляют до целого в большую сторону.

После испытания части образца тщательно складывают вместе, располагая их по прямой линии. От места разрыва в одну сторону откладывают /2 интервалов и ставят метку . Если величина /2 оказывается дробной, то ее округляют до целого числа в большую сторону. Участок от места разрыва до первой метки при этом считается как целый интервал.

От метки откладывают в сторону места разрыва интервалов и ставят метку (черт.2). Отрезок равен полученной по месту разрыва конечной расчетной длине .

Если место разрыва ближе к краю захвата машины чем величина /2 (черт.3), то полученную после разрыва конечную расчетную длину определяют следующим образом:

от места разрыва до крайней метки у захвата определяют число интервалов, которое обозначают /2. От точки к месту разрыва откладывают интервалов и ставят метку . Затем от метки откладывают /2 – /2 интервалов и ставят метку .

Конечную расчетную длину образца , мм, вычисляют по формуле

где и – соответственно длина участка образца между точками и и и .

Если место разрыва находится на расстоянии от захвата, меньшем чем длина двух интервалов или 0,3 – для образцов диаметром менее 10 мм, величина расчетной длины не может быть достоверно определена и проводят повторное испытание.

(Измененная редакция. Изм. N 2).

3.2а. Конечную расчетную длину образца арматурных канатов определяют с помощью тензометров, навешиваемых на канат линеек или специальных приборов, позволяющих измерять деформацию образца до разрушения. Перед установкой тензометра, линеек или других приборов к образцу прикладывают начальную нагрузку, составляющую 0,1% – 0,15% от ожидаемого разрывного усилия.

Читайте также:  Профлист синий для ограждения

(Введен дополнительно, Изм. N 1).

3.2. Относительное равномерное удлинение определяется во всех случаях вне участка разрыва на начальной расчетной длине, равной 50 или 100 мм. При этом расстояние от места разрыва до ближайшей метки начальной расчетной длины для арматуры диаметром 10 мм и более не должно быть менее 3 и более 5 , a для арматуры диаметром менее 10 мм – от 30 до 50 мм.

3.2.1. Для определения величины относительного равномерного удлинения конечная расчетная длина определяется по меткам (см. черт.2 и 3).

Величину относительного равномерного удлинения , %, вычисляют по формуле

3.2.2. Конечные расчетные длины и измеряют с погрешностью не более 0,5 мм.

3.2.3. Относительное удлинение и относительное равномерное удлинение после разрыва вычисляют с округлением до 0,5%. При этом доли до 0,25% отбрасывают, а доли 0,25% и более принимают за 0,5%.

3.3. Полное относительное удлинение при максимальной нагрузке может быть определено одним из способов:

с помощью тензометров или иных специальных приборов, позволяющих измерять деформации образца вплоть до разрушения;

суммированием остаточной деформации после разрушения образца с упругими деформациями при максимальной нагрузке по формуле

3.4. Относительное сужение после разрыва определяется на круглых образцах проволоки и стержневой арматуры, а также на обточенных образцах цилиндрической формы в соответствии с требованиями ГОСТ 1497.

3.5. Временное сопротивление , Н/мм (кгс/мм ), вычисляют с погрешностью не более 5 Н/мм (0,5 кгс/мм ) по формуле

3.6. Предел текучести , Н/мм (кгс/мм ), вычисляют с погрешностью не более 5 Н/мм (0,5 кгс/мм ) по формуле

3.7. Условный предел упругости определяют, исходя из величины допуска на условно-мгновенную пластическую деформацию, равную от 0,02% до 0,1% расчетной длины по тензометру включительно. При этом к букве добавляют индекс, соответствующий принятому допуску . Например, при допуске, равном 0,05%, условный предел упругости обозначается и т.д.

3.7.1. Условные пределы упругости и текучести могут быть определены аналитическим и графическим способами.

Тензометр на образец устанавливают после приложения начальной нагрузки, соответствующей 0,05-0,10 ожидаемой величины временного сопротивления .

При испытании арматурных канатов предварительно проводят не менее чем двукратное нагружение – разгружение в интервале 0,1-0,35 ожидаемого разрывного усилия.

Нагрузка прикладывается равными или пропорциональными этапами так, чтобы до нагрузки, соответствующей искомому пределу, было не менее 8-10 этапов нагружения, считая от начальной нагрузки.

При достижении суммарной нагрузки, соответствующей 0,7-0,9 искомого предела, рекомендуется уменьшить величину этапа нагружения в два или четыре раза.

Выдержка при постоянной нагрузке на каждом этапе нагружения без учета времени приложения нагрузки должна быть не более 10 с.

3.7.2. Условный предел текучести определяют аналитическим способом. Вычисляют величину остаточной деформации 0,2% базы тензометра; затем определяют среднюю величину упругой деформации на одном этапе нагрузки, исходя из величины средней деформации, найденной на этапах нагружения в интервале 0,10-0,40 предполагаемого усилия, соответствующего пределу текучести, а для арматурных канатов в интервале 0,10-0,40 временного сопротивления.

Нагрузка , при которой будет обеспечено равенство , соответствует условному пределу текучести в Н/мм (кгс/мм ), который вычисляется с погрешностью не более 5 Н/мм (0,5 кгс/мм ) по формуле

Условные пределы упругости определяются в том же порядке: вычисляют величину остаточной деформации, например для равную 0,02% базы тензометра, используя среднюю величину упругой деформации на одном этапе, определяют нагрузку , соответствующую удлинению .

Условный предел упругости , Н/мм (кгс/мм ), вычисляют с погрешностью не более 5 Н/мм (0,5 кгс/мм ) по формуле

3.7.3. Графический способ определения условных пределов текучести и упругости: строится диаграмма растяжения "нагрузка-удлинение". По оси ординат откладывают нагрузку, а по оси абсцисс – соответствующее удлинение (черт.4).

На диаграмме проводится прямая, параллельная участку пропорциональной зависимости , на расстоянии от прямой части диаграммы вправо по оси абсцисс в направлении, равном заданной величине допуска на условно-мгновенную пластическую деформацию для условных пределов упругости или текучести. Сила, соответствующая пределу упругости или текучести, определяется точкой пересечения этой прямой с диаграммой растяжения.

При определении условного предела текучести и условного предела упругости графическим способом диаграмму растяжения строят в таком масштабе, при котором 0,1% деформации образца соответствовал участок оси ординат длиной не менее 10 мм, а нагрузке, примерно соответствующей условному пределу текучести, – участок оси абсцисс не менее 100 мм.

Допускается определение условного предела текучести по машинной диаграмме по ГОСТ 1497 с проведением периодических контрольных испытаний с помощью тензометров.

Объем, периодичность и методика проведения испытаний должны быть установлены по нормативно-технической документации на готовую продукцию.

Примеры определения условных пределов упругости и текучести приведены в приложениях 2 и 3.

(Измененная редакция, Изм. N 2).

3.8. Для стержней и проволоки начальный модуль упругости равен отношению приращения напряжений в интервале от 0,1 до 0,35 к относительному удлинению образца в том же интервале нагружения.

Начальный модуль упругости определяется с погрешностью не более 1% по формуле

При этом в интервале от 0,1 до 0,35 должно быть не менее трех последовательных этапов нагружения.

3.9. За результат испытания принимаются механические свойства, полученные при испытании каждого образца. Количество образцов для испытаний указывается в нормативно-технической документации на арматурную сталь.

3.10. Результаты испытаний не учитываются в следующих случаях:

при разрыве образца по нанесенным меткам, если при этом какая-либо характеристика механических свойств по своей величине не отвечает установленным требованиям;

при разрыве образца в захватах испытательной машины;

при обнаружении ошибок в проведении испытаний или записи результатов испытаний.