Предел текучести стали: на что влияет
Что означает предел текучести стали и для чего нужен
В современной промышленности широко применяются различные марки стали. Этот материал востребован во многих отраслях, включая строительство, машино- и станкостроение, производство механизмов, инструментов, медицинского оборудования и других изделий.
При проектировании специалистам необходимо учитывать ряд важных характеристик металла, среди которых особое значение имеет предел текучести.
Для конструкторов важно выбрать подходящий сплав с учетом его механических свойств. Предел текучести стали определяет напряжение, при котором деформации возрастают без увеличения прикладываемой нагрузки. Чем ниже это значение, тем хуже прочностные характеристики металла и ниже нагрузки, при которых допустима эксплуатация изделий.
При проектировании элементов конструкций и деталей для различных сооружений и механизмов инженерам важно исключить возможность серьезных изменений и разрушений. Они обязательно учитывают, какое значение предела текучести стали допустимо для деталей конструкции, так как это непосредственно влияет на безопасность и прочность изделий.
Предел текучести конструкционной стали оценивает допустимые нагрузки для материалов и изготовленных из них деталей механизмов или элементов конструкций, таких как здания, сооружения, детали и узлы механизмов. Изначально этот параметр определяли эмпирическим образом, но лишь в XIX веке ученые заложили основы сопромата — науки о прочности и надежности деталей механизмов и конструкций.
С развитием ядерной физики в начале прошлого века стало возможным определить расчетный предел текучести стали. В работах, опубликованных в 1924 году, Яков Френкель определил значение напряжения, достаточного для деформации простых тел, используя прочность связей между атомами в качестве исходной величины. Несмотря на сложность вычислений в начале XX века, положено начало новой эре.
Значение предела текучести ученый вывел по формуле: τ = G / (2π), где G — модуль сдвига, определяющий устойчивость межатомных связей, а τ — предел текучести стали при кручении.
Значение предела текучести стали на практике
Практическое значение предела текучести стали выражается в особом внимании, уделяемом специалистами стальным сплавам. Они разрабатывают методики расчета прочностных показателей и определяют предельно допустимые нагрузки на детали из различных видов стали, поскольку в современной промышленности и строительстве этот материал наиболее востребован.
Детали и элементы, изготовленные из стали, подвергаются разнообразным видам нагрузок при эксплуатации, включая растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Эти нагрузки могут быть статическими, динамическими или циклическими, когда максимальное напряжение периодически повторяется через определенные временные интервалы. Основная задача специалиста заключается в обеспечении максимальной долговечности, надежности и безопасности будущей конструкции или механизма.
Сталь с высоким пределом текучести является предпочтительным выбором по экономическим соображениям, поскольку позволяет снизить металлоемкость и массу изделий, сохраняя при этом высокое качество и соответствие стандартам, таким как ГОСТ, ТУ и другие.
Расчетное сопротивление стали по пределу текучести играет ключевую роль, отражая устойчивость деталей к деформации и разрушению под воздействием различных нагрузок.
Влияние различных добавок на предел текучести стали
Принцип аддитивности позволяет следить за влиянием содержания углерода на характеристики стали. При увеличении концентрации углерода до 1,2%, достигается повышение предела текучести стали, а также улучшение прочности, твердости и пороговой хладоемкости.
Однако при превышении 1,2% углерода углеродистая сталь сталкивается с ухудшением свариваемости и предельной пластичности. Низкоуглеродистые типы стали оказываются наилучшими для сварки.
Азот и кислород, как элементы, вносящиеся в сплав, рассматриваются как вредные примеси. Они негативно влияют на вязкость, пластичность и сопротивление хрупкому разрушению стали. Концентрация кислорода выше 0,03% способствует старению металла, а азот может повышать ломкость, хотя в некоторых случаях способен улучшить прочностные характеристики за счет снижения предела текучести.
Марганец используется как легирующая добавка для раскисления сплава и нивелирования воздействия серы. Его содержание в стали обычно составляет около 0,8%, и хотя марганец сам по себе не оказывает заметного влияния на свойства стали, он играет важную роль в улучшении ее химического состава.
Кремний, добавляемый для раскисления сплава, не превышает 0,4%. Дополнительное увеличение его концентрации отрицательно сказывается на свариваемости. В конструкционных марках стали содержание кремния ограничивается до 0,25%, чтобы сохранить оптимальные свойства металла. В целом, добавление кремния не влияет на ключевые характеристики стали.
Примеси серы и фосфора
Сера представляет собой вредную примесь, отрицательно воздействующую на различные физические свойства и технические характеристики материалов. Предельно допустимое содержание этого элемента в стальных сплавах в виде хрупких сульфитов составляет 0,06%.
Присутствие серы в составе стали приводит к уменьшению предела текучести, пластичности, ударной вязкости, а также снижению устойчивости к износу и коррозии.
Воздействие фосфора имеет двойственный характер: он оказывает влияние на различные физико-химические характеристики. Добавление этого элемента повышает предел текучести, однако сопровождается снижением ударной вязкости и пластичности. Допустимый процент фосфора варьируется от 0,025% до 0,044%. Негативное воздействие фосфора усиливается при увеличении углеродистости сплава.
Легирующие добавки в составе сплавов
Легирующие элементы, также известные как специальные добавки, применяются для придания материалу необходимых характеристик. Металл, улучшенный таким образом, обозначается как легированный. Для достижения оптимальных результатов эти дополнения вводятся комбинированно с учетом нужных пропорций.
Легирующие добавки могут включать хром, никель, ванадий, молибден и другие элементы. Их применение позволяет повысить предел текучести, прочность, ударную вязкость, устойчивость к коррозии и ряд других механических и физико-химических характеристик.
Значение предела текучести стали в соответствии с ГОСТом
Предел текучести (σТ) для различных марок стали определен соответствующими стандартами ГОСТ. Все показатели выражены в мегапаскалях (МПа) и указаны с пометкой «не менее». Приведем примеры для наиболее распространенных видов стали.
Согласно ГОСТу 1050 от 1988 года для качественных углеродистых конструкционных сталей предел текучести сплава при температуре +20 °С (для образцов с диаметром или толщиной не более 80 мм) следующий:
- Сталь 20 (Ст20, 20) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 245 МПа;
- Сталь 30 (Ст30, 30) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 295 МПа;
- Сталь 45 (Ст45, 45) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 355 МПа.
Если сталь изготавливается по согласованию с заказчиком, то ГОСТ предусматривает другие нормы. Нормативные пределы текучести стали для образцов, подвергнутых термообработке, следующие:
Сталь 30 (Ст30, закалка и отпуск):
- прокат размером до 16 мм – не менее 400 МПа;
- прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 355 МПа;
- прокат размером от 40 до 100 мм – не менее 295 МПа.
Сталь 45 (Ст45, закалка и отпуск):
- прокат размером до 16 мм – не менее 490 МПа;
- прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 430 МПа;
- прокат размером от 40 до 100 мм – не менее 375 МПа.
Указанные параметры для Ст30 относятся к прокату до 63 мм (ГОСТ 4543 от 1971 года). Сталь 40Х (СТ40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543 от 1971 года) имеет предел текучести не менее 785 МПа для проката размером 25 мм (закалка и отпуск).
Сталь 09Г2С (лист, низколегированная конструкционная для сварных конструкций, кремниемарганцовистая, ГОСТ 5520 от 1979 года) обладает пределом текучести от 265 до 345 МПа. При повышенных температурах этот предел меняется следующим образом: при +250 °С – 225 МПа; при +300 °С – 196 МПа; при +350 °С – 176 МПа; при +400 °С – 157 МПа.
Сталь 3 (углеродистая обыкновенного качества, ГОСТ 380 от 2005 года) представлена различными марками, такими как Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, каждая из которых имеет установленный минимальный предел текучести.
Проверка сплава на предел текучести
Проверка сплава на предел текучести осуществляется перед началом производства путем проведения испытаний, в рамках которых образцы подвергаются воздействию разнообразных нагрузок до полной утраты исходных характеристик.
Металл подвергается следующим видам воздействия:
- Статистическим нагрузкам.
- Проверке на выносливость и усталость.
- Растягиванию.
- Изгибанию и скручиванию.
- Изгибанию с растяжением.
Для проведения испытаний применяется специальное оборудование, создающее условия, близкие к тем, которые будут представлены в процессе эксплуатации изделий.
Образец цилиндрической формы (сечение 20 мм, длина 10 мм) выбирается для исследования, на который оказывается растягивающая нагрузка. Заготовка большей длины вырезается для захвата, на которой выделяется расчетный отрезок в 10 мм. Путем постепенного увеличения силы воздействия фиксируется удлинение, а полученные данные отмечаются на диаграмме условного растяжения.
При небольшой силе воздействия происходит пропорциональное удлинение расчетного отрезка до достижения предела пропорциональности при увеличении напряжения.
Далее удлинение становится непропорциональным и достигает порога, после чего образец не может восстановить исходную длину. На последующем этапе изменение длины происходит без увеличения силы воздействия и достигается предел текучести. Например, для прута Ст3 этот предел достигается при нагрузке 240 МПа.
Материалы, способные к самостоятельной деформации в течение продолжительного времени при постоянной силе воздействия, принято называть идеально пластичными.
Иногда возникают ситуации, когда точно определить площадку текучести затруднительно. В таких случаях используется понятие «условный предел текучести», который предполагает деформацию или остаточное изменение около 0,2%. Эта величина может изменяться в зависимости от уровня пластичности конкретного металла.
С уменьшением пластичности остаточное изменение уменьшается. «Уплотняющимся сплавам», таким как медь, латунь, алюминий и низкоуглеродистые стали, свойственна слабо выраженная деформация.
Исследования показывают, что в металле, который начал «течь», происходят существенные искажения кристаллической решетки с образованием линий сдвига слоев.
После самопроизвольного растяжения металл достигает следующего состояния и снова начинает сопротивляться деформации. Затем материал достигает предела прочности, формируется слабая область, где образец начинает сужаться. Происходит быстрое уменьшение площади поперечного сечения, сопровождаемое снижением силы воздействия и напряжения, что в итоге приводит к разрыву образца.
Наиболее прочные сплавы выдерживают напряжение до 1 716 МПа. Предел текучести высокопрочной стали Ст3 варьируется от 392 до 490 МПа.
Предел текучести, являясь ключевой характеристикой стальных сплавов, становится основополагающим фактором в производстве стальных деталей для современной промышленности. Требования к высокой прочности изделий поднимают планку для специалистов, которые заботятся о правильном расчете основных параметров будущих конструкций.
В этом контексте лазерная резка металла выступает как важное звено в процессе производства, позволяя создавать детали с высокой точностью и минимальным воздействием на структурные характеристики материала. Использование лазерной технологии обеспечивает не только эффективное формирование изделий, но и сохранение высоких механических свойств металла, включая предел текучести, что в свою очередь содействует производству деталей с требуемыми параметрами прочности.
Предел текучести стали: на что влияет
Различные марки стали широко применяются в большинстве областей современной промышленности. Стальные сплавы имеют высокие эксплуатационные характеристики, которые делают их востребованным материалом в строительстве, в машино- и станкостроении, в производстве самых разных механизмов, инструментов, медицинского оборудования и т. д.
На стадии проектирования специалистам необходимо принимать в расчет целый ряд важных характеристик металла, одной из которых является предел его текучести.
Конструктору-проектировщику необходимо подбирать сплав, исходя из его механических свойств. Предел текучести стали – это напряжение, при котором деформации нарастают без увеличения прилагаемой нагрузки. Соответственно, чем меньше это значение, тем хуже прочностные характеристики металла и ниже нагрузки, при которых допустима эксплуатация изделий.
При проектировании элементов конструкций и деталей для различных сооружений и механизмов инженерам необходимо исключить возможность серьезных изменений и разрушения. В ходе создания проекта обязательно учитывается, какой предел текучести стали допустим для деталей данного агрегата, так как от этого зависит, помимо эксплуатационных качеств, безопасность людей.
Предел текучести конструкционной стали позволяет судить о допустимых нагрузках для конкретных материалов и изготовленных из них деталей механизмов или элементов конструкций. Проще говоря, это максимальная нагрузка для:
- зданий;
- сооружений;
- деталей и узлов механизмов.
Изначально этот параметр определяли эмпирическим путем. Только в XIX веке учеными были заложены основы сопромата – науки о прочности и надежности деталей механизмов и конструкций.
Развитие ядерной физики в начале прошлого столетия сделало возможным определение расчетного предела текучести стали. В работах, опубликованных в 1924 году, Яков Френкель смог определить значение напряжения, которого достаточно для деформирования простых тел, используя в качестве исходной величины прочность связей между атомами. Такие вычисления в начале XX века были крайне сложными, но начало было положено.
Значение предела текучести ученый рассчитал по формуле:
ττ = G / 2π, где
G – модуль сдвига, определяющий устойчивость межатомных связей,
ττ – обозначение предела текучести стали при кручении.
По мере развития науки повысившаяся точность расчетов позволила существенно расширить область применения металлоконструкций и механизмов в строительстве и многих других сферах.
Практическое значение предела текучести стали
Специалисты уделяют стальным сплавам особое внимание, разрабатывая методики расчета прочностных показателей и определяя предельно допустимые нагрузки на детали из разных типов стали, так как сегодня это самый востребованный в промышленности и строительстве материал.
Детали и элементы из стали при эксплуатации часто испытывают на себе серьезные нагрузки, в том числе и комбинированные. Изделия подвергаются растяжению, сжатию, изгибанию и сдвигу. Нагрузка может быть статической, динамической или циклической, когда максимум напряжения снова и снова достигается через определенные промежутки времени. Задача специалиста в том, чтобы сделать будущую конструкцию или механизм максимально долговечным, надежным и безопасным.
Типы стали с высоким пределом текучести востребованы по экономическим соображениям, так как дают возможность снизить металлоемкость и массу изделий, сохраняя при этом высокое качество и соответствие нормам ГОСТа, ТУ и другим стандартам.
Расчетное сопротивление стали по пределу текучести – ключевой показатель, характеризующий устойчивость деталей к деформированию и разрушению под действием различных нагрузок.
Влияние различных добавок на предел текучести стали
Влияние содержания углерода на свойства стали
В соответствии с принципом аддитивности можно проследить зависимость предела текучести стали от процентной доли содержащегося в ней углерода. Увеличивая концентрацию этого элемента до 1,2 %, можно добиться также повышения прочности, твердости и пороговой хладоемкости.
При увеличении процентной доли углерода выше 1,2 % углеродистая сталь демонстрирует существенное ухудшение таких характеристик, как свариваемость и предельная пластичность. Лучше всего поддаются сварке низкоуглеродистые типы стали.
Азот и кислород в сплаве
Оба этих элемента, стоящих в начале периодической таблицы, относят к вредным примесям. Они ухудшают качество сплава, отрицательно сказываясь на его вязкости и пластичности, снижая сопротивление хрупкому разрушению. Доля кислорода в составе выше 0,03 % ускоряет старение стали, а примесь азота способствует повышению ее ломкости. Однако в отдельных случаях азот может улучшать прочностные характеристики за счет снижения предела текучести.
Добавки марганца и кремния
Марганец в качестве легирующей добавки используют, чтобы раскислить сплав и нивелировать вредное воздействие серы. Благодаря близости свойств этого металла и железа его добавление в состав стальных сплавов само по себе не оказывает какого-либо заметного влияния на их характеристики. Обычно в стали содержится порядка 0,8 % этого элемента.
Кремний добавляют для раскисления сплава в концентрации не более 0,4 %. Дальнейшее повышение процентной доли этого элемента отрицательно сказывается на свариваемости. В конструкционных марках стали по этой причине содержание кремния не превышает 0,25 %. В остальном добавление этого компонента не меняет ключевых свойств металла.
Примеси серы и фосфора
Сера является исключительно вредной примесью и отрицательно воздействует на многие физические свойства и технические характеристики материалов. Предельно допустимое содержание этого элемента в стальных сплавах в виде хрупких сульфитов – 0,06 %.
Присутствие серы в составе стали ведет к снижению таких показателей, как предел текучести, пластичность, ударная вязкость, устойчивость к износу и коррозии.
Воздействие фосфора двояко: он влияет на ряд физико-химических характеристик. Добавление этого элемента повышает предел текучести, но при этом параллельно снижает ударную вязкость и пластичность. Допустимая процентная доля этой примеси колеблется от 0,025 до 0,044 %. Негативное воздействие фосфора усиливается при повышении углеродистости сплава.
Легирующие добавки в составе сплавов
Легирующие элементы (специальные добавки) используются для приведения его характеристик к требуемым значениям. Улучшенный таким способом металл принято называть легированным. Для достижения оптимального эффекта такие дополнения вводятся комбинированно с соблюдением нужных пропорций.
Для легирования используют хром, никель, ванадий, молибден и другие элементы. Их добавление дает возможность повысить предел текучести, прочность, ударную вязкость, устойчивость к коррозии и ряд других механических и физико-химических характеристик.
Значение предела текучести стали по ГОСТу
Предел текучести (σТ) для различных марок стали регламентируют соответствующие ГОСТы. Все значения указаны в МПа и с примечанием «не менее». Ниже приводятся примеры для наиболее широко применяемых типов.
ГОСТ 1050 от 1988 года для качественных углеродистых конструкционных видов стали содержит значения предела текучести сплава при температуре +20 °С (образцы, диаметр или толщина которых не превышает 80 мм):
- сталь 20 (Ст20, 20) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 245 МПа;
- сталь 30 (Ст30, 30) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 295 МПа;
- сталь 45 (Ст45, 45) при T = +20 °С, прокат, нормализованная – не менее 355 МПа.
Если сталь изготавливается по согласованию с заказчиком, то ГОСТ предусматривает другие нормы. В частности, нормативный предел текучести стали для образцов, прошедших термообработку, должен быть:
Сталь 30 (Ст30, закалка и отпуск)
- прокат размером до 16 мм – не менее 400 МПа;
- прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 355 МПа;
- прокат размером от 40 до 100 мм – не менее295 МПа.
Сталь 45 (Ст45, закалка и отпуск)
- прокат размером до 16 мм – не менее 490 МПа;
- прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 430 МПа;
- прокат размером от 40 до 100 мм – не менее 375 МПа.
Указанные для Ст30 параметры относятся к прокату до 63 мм (ГОСТ 4543 от 1971 года).
Сталь 40Х (СТ40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543 от 1971 года): для проката размером 25 мм (закалка и отпуск)– предел текучести не менее 785 МПа.
Сталь 09Г2С (лист, конструкционная низколегированная для сварных конструкций, кремнемарганцовистая, ГОСТ 5520 от 1979 года) – предел текучести не менее 265 – 345 МПа. При высокой температуре предел текучести стали составляет: +250 °С – 225 МПа; +300 °С –196 МПа; +350 °С – 176 МПа; +400 °С – 157 МПа.
Сталь 3 (углеродистая обыкновенного качества, ГОСТ 380 от 2005 года) выпускается под марками: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, каждая имеет регламентированный минимальный предел текучести.
Проверка сплава на предел текучести
Перед началом производства свойства сплавов изучают, проводя испытания, в ходе которых образцы подвергают воздействию различных нагрузок до полной утраты изначальных характеристик.
- статистическим нагрузкам;
- проверке на выносливость и усталость;
- растягиванию;
- изгибанию и скручиванию;
- изгибанию с растяжением.
Для испытания образцов пользуются специальным оборудованием, создавая близкие или аналогичные таковым условия при последующей эксплуатации изделий.
Для исследования берется образец цилиндрической формы (сечение 20 мм, длина 10 мм), на который воздействует растягивающая нагрузка. Для захвата вырезается заготовка большей длины, на ней отмечается расчетный отрезок в 10 мм. Увеличивая силу воздействия, фиксируют удлинение, отмечая данные на графике – диаграмме условного растяжения.
При малой силе воздействия происходит пропорциональное удлинение расчетного отрезка, пока по мере увеличения напряжения не будет достигнут предел пропорциональности.
Далее удлинение становится непропорциональным и достигает порога, пройдя который образец не может вернуться к изначальной длине. На следующем этапе изменение длины идет без увеличения силы, воздействующей на него, – достигается предел текучести. К примеру, для прута Ст3 это состояние возникает при нагрузке 240 МПа.
Материалы, самостоятельно деформирующиеся в течение длительного периода времени при неизменной силе воздействия, принято называть идеально пластическими.
Случается, что нет возможности четко определить площадку текучести. В таких случаях пользуются определением «условный предел текучести», который подразумевает деформацию или остаточное изменение около 0,2 %. Эта величина может варьировать в зависимости от того, насколько пластичен конкретный металл.
Чем ниже пластичность, тем меньше остаточное изменение. Слабо выраженная деформация свойственна «уплотняющимся сплавам» – меди, латуни, алюминию, низкоуглеродистым типам стали.
В ходе исследований и испытаний выяснилось, что в металле, который начал «течь», имеют место существенные искажения кристаллической решетки с формированием линий сдвига слоев.
После самопроизвольного растяжения металл достигает следующего состояния и вновь начинает сопротивляться деформированию. Далее материал проходит предел прочности, образуется слабая область, где образец начинает сужаться.
Рекомендуем статьи
- Арматурная сталь: характеристики, виды, сферы применения
- Мартенситная сталь: характеристики, сферы применения
- Катодное покрытие: виды получения и сферы использования
Происходит быстрое уменьшение площади поперечного сечения, сопровождаемое одновременным падением величины силы воздействия и напряжения с последующим разрывом образца.
Наиболее прочные сплавы выдерживают напряжение до 1 716 МПа. Предел текучести высокопрочной стали Ст3 колеблется от 392 до 490 МПа.
Предел текучести – одна из ключевых характеристик стальных сплавов. Современная промышленность требует большого количества деталей из стали, обладающих высокой прочностью. Поэтому специалисты обязаны уметь правильно рассчитывать главные параметры будущих изделий и применять расчетные данные на практике.
Автор статьи
Руководитель отдела продаж
Сталь линейки Strenx® 700
Линейкой Strenx® 700 представлены марки конструкционной стали с минимальным пределом текучести от 650 до 700 МПа , в зависимости от толщины.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Широкий ассортимент несущих конструкций
ТИП ПРОДУКЦИИ
Тонко- и толстолистовой прокат, рулоны, штрипсы
ДИАПАЗОН ТОЛЩИНЫ
0,7-160 мм
Широкий ассортимент высокопрочной стали для конструкций с высокими требованиями по прочности
STRENX ® 700 E
К типичным сферам применения относятся несущие конструкции, отвечающие особым требованиям.
Ударная вязкость: 27 Дж при -40°C
Толщина листа: 4-160 мм
Стандарт: EN 10025-6 S690QL, определение ударной вязкости при -40°C
Форма выпуска: толстолистовой прокат
STRENX ® 700MC D
К типичным сферам применения относятся несущие конструкции, отвечающие особым требованиям.
Ударная вязкость: 27 Дж при -20°C
Толщина горячекатаного рулона: 2-10 мм
Стандарт: EN 10149-2 S700MC, определение ударной вязкости при -20°C
Форма выпуска: листы, рулоны и штрипсы
STRENX ® 700MC E
К типичным сферам применения относятся несущие конструкции с повышенными требованиями, которые используются в условиях низких температур.
Ударная вязкость: 27 Дж при -40°C
Толщина горячекатаного рулона: 2-10 мм
Стандарт: EN 10149-2 S700MC, определение ударной вязкости при -40°C
Форма выпуска: листы, рулоны и штрипсы
STRENX ® 700 F
Для несущих конструкций с повышенными требованиями, используемых в экстремальных условиях при низких температурах.
Ударная вязкость: 27 Дж при -60°C
Толщина листа: 4-130 мм
Стандарт: EN 10025-6 S690QL1, определение ударной вязкости при -60°C
Форма выпуска: толстолистовой прокат
STRENX ® 700MC PLUS
Высокопрочная конструкционная сталь с высокими показателями пригодности к холодному формованию и ударной вязкости, предназначена к применению в условиях с особыми требованиями.
Ударная вязкость: 40 Дж при -60°C
Горячекатаный рулонный прокат 3-12 мм
Стандарт: EN 10149-2 S700MC, определение ударной вязкости при -60°C
Форма выпуска: листовой прокат
STRENX ® 700 OME
Отвечающая высоким требованиям конструкционная сталь, разработанная для изготовления несущих конструкций, которые применяются в таких областях, как шельфовая добыча нефти и судостроение.
Ударная вязкость: 27 Дж при -40°C
Толщина листа: 4-130 мм
Стандарт: EN 10025-6 S690QL, определение ударной вязкости при -40°C
Форма выпуска: толстолистовой прокат
STRENX ® P700
К типичным сферам применения относится изготовление несущих конструкций, подверженных воздействию давления и высоких температур.
Толщина листа: 4-100 мм
Стандарт: EN 10 028-6 P690Q, P690QH, P690QL1 и P690QL2
Форма выпуска: толстолистовой прокат
STRENX ® 700 CR W
Благодаря тому, что минимальный предел текучести холоднокатаной погодоустойчивой стали Strenx ® 700 CR W составляет 700 МПа, конструкции из неё отличаются повышенной прочностью и лёгкостью.
Холоднокатаный рулон: 0,7 – 2,1 мм
Стандарт: спецификация SSAB
Форма поставки: листы, рулоны и штрипсы
STRENX ® 700 HR W
Для транспортного, подъёмного оборудования и несущих конструкций, подверженных атмосферным воздействиям.
Ударная вязкость: 40 Дж при -20°C
Толщина: 3,0 – 6,1 мм
Стандарт: EN 10149-2 S700MC
Форма поставки: горячекатаный рулонный прокат
Strenx® 700 – новые возможности для повышения продуктивности
В качестве нового стандарта для проектирования конструкций из высокопрочной стали принят предел текучести 700 МПа и более. Изделия, изготовленные из стали с меньшим пределом текучести, вероятно, не прослужат на протяжении всего возможного срока эксплуатации.
Переход к использованию стали с высоким пределом текучести открывает возможности для новых конструкций с увеличенной грузоподъёмностью. Это даёт возможность применять более тонкую сталь в конструкциях с более высокими напряжениями, что обуславливает ряд преимуществ:
• в зависимости от стадии проектирования, уменьшение веса конструкции может составить до 40%, наряду с увеличением усталостной долговечности;
• в случае сварного соединения компонентов можно значительно сократить время сварки и количество сварочных материалов.
Типичные преимущества модернизации со сменой материала
Для изготовления облегчённых компонентов шасси часто используется сталь Strenx ® 700MC. В результате перехода с 350-й марки стали на сталь Strenx ® 700MC вес несущих деталей шасси уменьшается приблизительно на 30%, а в некоторых случаях, в зависимости от конструкции, на 50%. По своим характеристикам сталь Strenx ® 700MC не уступает марке S700MC согласно требованиям стандарта EN 10149-2.
| Традиционная конструкция (а) | Облегчённая конструкция (б) | Облегчённая конструкция (в) | |
|---|---|---|---|
| Марка стали | S355 | Strenx ® 700MC | Strenx ® 700MC |
| Вес, m (кг/м) | 42 | 27 | 30 |
| Максимальный изгибающий момент, M (кНм) | 286 | 306 | 369 |
| Момент инерции, I (м 4 ) | 140E-06 | 93E-06 | 140E-06 |
| Момент сопротивления сечения, W [м 3 ] | 72E-05 | 46E-05 | 58E-05 |
| Уменьшение веса, WR (%) | — | 36 | 30 |
ОПЫТ НАШИХ ПАРТНЁРОВ
Долговечность крана обеспечивается инновационной конструкцией
Проектируя кран, зачастую приходится искать баланс между весом и долговечностью. С помощью стали Strenx ® 700MC Plus компания Kesla смогла спроектировать облегчённый кран без ущерба для его долговечности. Этот материал обладает высокой вязкостью при температурах вплоть до -60°C, что делает кран надёжным и безопасным даже в суровых сибирских условиях.
Предсказуемые характеристики в производстве
Сварка
Для стали Strenx ® 700 подходят все традиционные методы сварки. На сегодняшний день наиболее распространена дуговая сварка полуавтоматом, поскольку этот метод легко автоматизировать для обеспечения высокой производительности.
Механическая обработка
Для механической обработки стали Strenx ® 700 обычно не требуется специальное оборудование. При сверлении, зенковании, нарезании резьбы, токарной обработке и фрезеровании рекомендуется использовать стабильное оборудование с высокоскоростными стальными и твердосплавными инструментами.
Высокопрочные стали: ликбез для потребителя
Всем известно, что атомы в металлах расположены не в произвольном порядке, а образуют некую упорядоченную структуру – кристаллическую решетку. Однако попытка теоретически оценить прочность такой решетки приводит к парадоксальному результату: рассчитанное значение в тысячи раз превосходит реальную прочность металлов. Разгадка проста: в мире не существует ничего идеального, в том числе и идеальных кристаллических решеток. Именно присутствие дефектов в структуре металлов ограничивает и определяет их прочность.
Дефекты в металлах образуются в ходе затвердевания и механической обработки, в процессе термической обработки. Более того, учеными установлено, что полностью избавиться от присутствия дефектов в кристаллических решетках твердых тел в принципе невозможно: это противоречило бы принципам термодинамики.
Однако всесторонние научные исследования свойств металлов позволяют установить закономерности развития дефектной структуры, их связи со свойствами материалов, что в конечном итоге приводит к созданию новых сплавов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Также этому процессу способствует постоянное повышение требований к конструкционным материалам. В частности, ужесточение условий работы машин и механизмов, стремление повысить их производительность и продлить срок службы, привело к появлению и развитию нового класса материалов – высокопрочных сталей. Немало этому способствовало развитие авиации, космонавтики и ракетостроения – областей, где соотношение массы конструкции и полезной грузоподъемности играет решающую роль.
В западной и отечественной литературе приняты различные подходы к определению понятия «высокопрочные стали». В американской литературе высокопрочными (high-strength steel) называют стали, имеющие предел текучести от 260 до 560 МПа. При таком разделении, в группу high-strength попадают все стали кроме мягких малоуглеродистых. Стали, имеющие предел текучести 560 МПа и выше относят к сверхвысокопрочным (ultra high-strength steel). Встречаются и более детализированные классификации, включающие три или четыре группы сталей. В отечественной литературе высокопрочными принято называть стали, имеющие предел прочности выше 1300-1500 МПа.
Важными характеристиками высокопрочных сталей помимо высоких значений предела прочности и предела текучести, являются трещиностойкость и сохранение на приемлемом уровне пластичности. Большое внимание уделяется также такой их характеристике как свариваемость.
К высокопрочным сталям следует отнести следующие виды:
- Среднелегированные низкоотпущенные стали;
- Мартенситно-стареющие стали;
- ПНП-стали (TRIP steel, TRIPassisted steel).
Среднелегированные низкоотпущенные стали
Высокие значения прочности в среднеуглеродистых легированных сталях достигаются путем применения закалки при 880-900°С и последующего низкого отпуска при 220-300°С. Данный вид сталей содержит 0,25-0,4% углерода. С повышением содержания углерода, увеличивается максимальный предел прочности, однако при достижении концентрации 0,45%, вязкий характер разрушения сменяется хрупким.
Легирование стали в небольших пределах практически не влияет на предел прочности, однако, оказывает влияние на переход вязкого характера разрушения в хрупкий, сдвигая этот переход в сторону более высокого содержания углерода. Легированием малоуглеродистой и среднеуглеродистой стали можно добиться более высокой пластичности и вязкости, уменьшения чувствительности к надрезу, а легированием высокоуглеродистых сталей – достичь увеличения прочности при хрупком изломе, а иногда и перехода хрупкого излома в пластичный.
Введение в состав стали никеля, хрома и молибдена увеличивает сопротивление хрупкому разрушению, позволяет использовать сталь с более высоким содержанием углерода. Добавление кремния позволяет уменьшить содержание углерода при сохранении прочности. В свою очередь, уменьшение концентрации углерода положительно сказывается на свариваемости.
Содержание серы и фосфора в высокопрочных сталях не должно превышать 0,03-0,035%. Фосфор даже в малых количествах существенно увеличивает чувствительность высокопрочных сталей к надрезу. Сера очень вредно влияет на свариваемость и прочность сварных соединений.
Наиболее широко применяемые стали этого класса: 30ХГСА, 35ХГСА, 30ХГСНА, 30ХГСНМА, 40ХН2СВА (ЭИ643), ВЛ-1.
Сталь 30ХГСА применяется для изготовления валов, осей, зубчатых колес, фланцев и других улучшаемых деталей, работающих при температуре до 200°С, ответственных сварных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках, крепежных деталей, работающих при низких температурах. Предел прочности после закалки и низкого отпуска составляет 1500 МПа. Сталь ограниченно свариваемая, после сварки необходима термообработка.
Сталь 35ХГСА имеет более высокую прочность (1900 МПа после отпуска при 200°С) за счет повышенного содержания углерода. Применяется в изготовлении фланцев, кулачков, пальцев, валиков, рычагов, осей, деталей сварных конструкций сложной конфигурации, работающих в условиях знакопеременных нагрузок.
Из стали ЭИ643 изготавливают крупные изделия: валы, диски, редукторные шестерни, а также крепежные детали. Стали 30ХГСА, ЭИ643, ВЛ-1 применяются при изготовлении сварных конструкций в самолетостроении.
Дополнительное повышение прочности может быть достигнуто за счет термомеханической обработки. Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с частичным выделением углерода из мартенсита при деформации.
Мартенситно-стареющие стали
Высокий уровень прочности, достигаемый в этих сталях, обусловлен процессами старения в безуглеродистом (содержание углерода не превышает 0,03%) мартенсите, который в исходном, несостаренном состоянии обладает высокой пластичностью и относительно малой прочностью. Упрочнение обеспечивается старением мартенсита при температуре 450-550°С и обусловлено процессами образования высокодисперсных интерметаллидных фаз типа NiTi, Ni3Ti, Fe2Mo и др.
Мартенситно-стареющие стали обладают хорошими технологическими свойствами. В закаленном состоянии мартенсит этих сталей пластичен и может подвергаться деформации, обработке режущим инструментом и т.д. После отпуска они обладают высокой конструкционной прочностью в широком интервале температур (от криогенных до 400°С), благодаря чему используются в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д.
Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т. Закалка и старение при 480-520°С позволяет достигать значений предела прочности 1900-2100 МПа. Кроме стали Н18К9М5Т, используются менее легированные стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ.
Оптимальное сочетание прочности, пластичности и вязкости имеют сложнолегированные стали, содержащие 9-18% Ni, 7-9% Co, 4-6% Mo, 0,5-1% Ti. Для их получения используют индукционные печи, вакуумно-дуговую и электрошлаковую плавку.
Предел прочности таких сталей после закалки составляет 1100-1200 МПа. Старение при 480-500°С приводит к повышению прочности до 1900-2100 МПа при сохранении пластичности на уровне 8-12%.
Мартенситно-стареющие стали могут также обладать коррозионной устойчивостью. Примерами являются стали 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921) и 03Х13Н8Д2ТМ (ЭП699). Они свариваются ручной и автоматической аргоннодуговой сваркой. Сварные соединения не склонны к образованию горячих и холодных трещин. Такие стали обладают также высокой эрозионной стойкостью.
Они используются при изготовлении сварных тяжелонагруженных деталей и конструкций для работы в интервале температур от -196 до 400°С при воздействии слабоагрессивных сред, обладают высокой эрозионной стойкостью. К конструкционным мартенситно-стареющим сложнолегированным относятся стали 03Н18К8М5Т-ВД (ЭК21-ВД), 03Н18М2Т2-ВИ, 03Н18К9М5Т-ВД (ЭП637-ВД) и др. Они применяются для изготовления ответственных тяжелонагруженных деталей: крепежных болтов, осей и емкостей высокого давления, сварных корпусов и зубчатых передач двигателей, валов вертолетов.
ПНП-стали (TRIP steel, TRIPassisted steel)
В ПНП-сталях высокие механические свойства достигаются превращением аустенита в мартенсит в процессе деформации (отсюда название ПНП – пластичность, наведенная превращением). Существует две разновидности таких сталей. Первая разновидность – стали с полностью аустенитной первоначальной структурой (TRIP steel). Для них характерно высокое содержание никеля и других аустенито-стабилизирующих добавок, что делает их довольно дорогими. Примерами таких сталей являются стали 30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1. Характерным для этой группы является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости. Широкому применению таких ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей.
Вторая разновидность – многофазные стали. В их состав входит обогащенный углеродом аустенит, который при деформации или приложении механического напряжения трансформируется в мартенсит. Такие стали называют TRIPassisted steel. Они содержат значительно меньшее количество легирующих добавок: 0,2% углерода, 1,5% марганца и 1-2 % кремния, что делает их значительно более дешевыми. Несмотря на присутствие высокоуглеродистого мартенсита (который в нормальном состоянии очень хрупок), стали типа TRIP-assisted имеют не только высокую прочность, но и могут подвергаться деформации при получении изделий сложной формы. Данное свойство открывает широкие перспективы применения, например, в автомобильной промышленности, поэтому стали данного типа интенсивно исследуются во всем мире.
Перспективы получения высокопрочных сталей
Специалисты связывают возможности дальнейшего повышения прочности сталей прежде всего с использованием нанокристаллических материалов (материалов с характерным размером кристаллита меньшим 100 нм) и материалов с высокодисперсными наноразмерными выделениями. Давно известно, что уменьшение размера зерна приводит к увеличению прочности металлов, но при этом происходит и уменьшение пластичности. Однако недавние исследования показали, что формирование в некоторых металлах нанокристаллической структуры может приводить к значительному увеличению прочности при сохранении высокой пластичности.
К перспективным методам формирования нанокристаллических и высокодисперсных структур в сталях относятся: методы интенсивной пластической деформации (равноканальная угловая экструзия, винтовая экструзия, всесторонняя ковка и пр.), квазигидроэкструзия при криогенных температурах, высокоскоростное охлаждение.
Интересные результаты были получены при исследовании низкотемпературного бейнитного превращения в стали, содержащей 2% кремния. Благодаря уменьшению температуры, в процессе превращения существенно замедляется диффузия железа, что позволило получить выделения бейнита размером 20-40 нм. Предел прочности такой стали составил 2400 МПа.
Наука постоянно развивается, и сейчас вряд ли кто-либо может предсказать насколько близко к теоретическому пределу может приблизиться прочность реальных сталей.
Игорь Толмачев