Пластичность показывает, какую пластическую деформацию сталь способна выдержать до разрушения. Вязкость связана с сопротивлением разрушению и затрачиваемой энергией; точный смысл показателя задаёт метод испытания. Хрупкость характеризует разрушение с ограниченной пластической деформацией в рассматриваемых условиях. Сталь с высоким удлинением при комнатной температуре может разрушиться хрупко в холодной детали, у надреза или при сильном стеснении деформации в вершине трещины.
Какое свойство измеряет испытание
Предел прочности и предел текучести характеризуют уровни напряжения. По отдельности они не дают полного описания пластичности или сопротивления существующей трещине.
| Измерение | Результат и единицы | Границы интерпретации |
|---|---|---|
| Относительное удлинение после разрыва | A, % | Остаточное удлинение на заданной начальной расчётной длине; включает вклад локальной шейки. |
| Относительное сужение | Z или RA, % | Уменьшение площади в месте разрыва; зависит от образца и метода измерения. |
| Работа под диаграммой растяжения | Энергия на начальный объём, обычно МДж/м³ | Зависит от измеренной зависимости напряжения от деформации и условий испытания. |
| Испытание Шарпи с V-образным надрезом | Поглощённая энергия, Дж | Разрушение образца с надрезом маятником при заданной температуре. |
| Вязкость разрушения при плоской деформации | KIc, МПа√м | Достоверное испытание образца с усталостной предтрещиной при преимущественно линейно-упругом поведении и высоком стеснении. |
| Упругопластическая оценка разрушения | JIc, кДж/м²; CTOD, мм | Сопротивление началу или развитию трещины с отдельными условиями достоверности для каждого параметра. |
Прокрутите таблицу, чтобы увидеть все столбцы →
Как читать показатели пластичности при растяжении
При определении удлинения после разрыва части образца совмещают по требованиям метода и сравнивают конечную расчётную длину Lᵤ с начальной L₀. Относительное сужение получают из начальной площади S₀ и минимальной площади Sᵤ после разрушения:
A = 100 × (Lᵤ − L₀) / L₀
Z = 100 × (S₀ − Sᵤ) / S₀
В расчётном примере L₀ = 50 мм и Lᵤ = 62,5 мм дают A = 25%. При S₀ = 80 мм² и Sᵤ = 40 мм² получаем Z = 50%. Эти проценты отражают разные изменения геометрии, поэтому совпадения значений не требуется.
Равномерное удлинение относится к моменту максимальной силы; с этой стадии заметно развивается диффузная шейка. Термин не означает одинаковую деформацию в каждой точке расчётного участка. Удлинение после разрыва включает вклад шейки. Показание экстензометра в момент разрыва может содержать упругую составляющую: перед сравнением с длиной после разгрузки проверьте обозначение и метод. При большей расчётной длине локальное удлинение распределяется на больший начальный отрезок, что может уменьшать процент у сопоставимых образцов. Для сравнения согласуйте расчётную длину, сечение, ориентацию и температуру. ASTM E8 и E8M задают разные соглашения о расчётной длине для большинства круглых образцов; перевод дюймов в миллиметры эту разницу не устраняет.
Штампуемость листа также зависит от пути деформирования, качества кромок, геометрии гибки и местного сопротивления разрушению. Одного удлинения при растяжении недостаточно для определения минимального радиуса гибки или безопасного предела формования.
Работа при растяжении и энергия Шарпи
Площадь под инженерной диаграммой напряжение–деформация до разрушения выражает работу на начальный объём расчётного участка при согласованных определениях напряжения и деформации. Деформацию подставляют долей единицы: интегрирование напряжения в МПа даёт МДж/м³. Интегрирование по оси в процентах без деления на 100 приводит к стократной ошибке. После образования шейки результат остаётся показателем работы для образца в целом; внутри шейки деформация резко неоднородна. Произведение предела прочности на удлинение также не равно площади под действительной кривой.
В испытании Шарпи измеряют энергию, поглощённую при ударе по образцу с надрезом. Распространённый полноразмерный образец имеет размеры 55 × 10 × 10 мм и V-образный надрез глубиной 2 мм; маятник ударяет по противоположной надрезу стороне. Энергия в джоулях зависит от размеров образца, геометрии надреза и бойка, ориентации и температуры. ASTM E23 и ISO 148-1 описывают методы испытания; критерии приёмки устанавливают применимые требования к продукции или конструкции.
Для тонких изделий могут потребоваться уменьшенные образцы. Их энергию и переходное поведение оценивают по соответствующим правилам; простое пересчитывание пропорционально площади сечения способно ввести в заблуждение. В отчёте сохраняют отдельные результаты, требуемое среднее, размеры и температуру. Прямого универсального пересчёта энергии в KIc или JIc нет.
Что добавляет вязкость разрушения
Испытания по механике разрушения используют острую усталостную предтрещину и определяют сопротивление её началу или распространению. KIc применим при выполнении критериев плоской деформации и преимущественно линейно-упругого поведения. Единица МПа√м представляет произведение напряжения на квадратный корень длины. Предварительный результат KQ признают KIc только после необходимых проверок. Соответствующий метод ASTM E399 в своём текущем объёме исключает характеристику разрушения сколом.
При заметной пластичности используют также J-интеграл и раскрытие вершины трещины CTOD. Размерность J соответствует энергии на площадь трещины: 1 кДж/м² = 1 Н/мм. Достоверный JIc характеризует начало устойчивого вязкого подрастания, а J-кривая сопротивления отражает изменение сопротивления с удлинением трещины. CTOD — перемещение, обычно в миллиметрах. ASTM E1820 рассматривает эти измерения, а ASTM E1921 задаёт подход к ферритным сталям, разрушающимся сколом в переходной области.
Для оценки детали дополнительно нужны размер дефекта, геометрия, приложенные и остаточные напряжения, температура и история нагружения. Циклические нагрузки и растрескивание под воздействием среды требуют отдельного анализа. Высокое удлинение само по себе не решает задачу допустимости трещин.
Условия, способствующие хрупкому разрушению
Низкая температура, быстрое нагружение и сильное стеснение деформации у вершины трещины могут способствовать сколу в чувствительных к нему ферритных сталях. Толщина и геометрия трещины меняют стеснение, ограничивая местную пластическую деформацию. Влияют также состав, зеренная структура и предшествующая обработка.
- Измельчение зерна обычно повышает сопротивление сколу в ферритных сталях; укрупнение может его ухудшать.
- Холодная деформация меняет прочность и оставшийся запас пластичности. Термообработка меняет фазы и их распределение; её влияние на вязкость зависит от марки и режима.
- Сварка формирует разные местные свойства металла шва и зоны термического влияния. Сертификат основного листа не характеризует все участки соединения.
- Включения, ликвация и охрупчивающие воздействия могут снижать местное сопротивление разрушению. Состояние испытуемого материала должно соответствовать поставке или состоянию после воздействия условий эксплуатации.
Ферритные стали часто имеют диапазон температур, в котором меняется характер разрушения. Для температуры перехода обязательно указывают критерий, например заданную поглощённую энергию или долю вязкой составляющей излома, и схему испытания. Разные критерии и размеры образцов могут давать разные температуры. Аустенитные нержавеющие стали обычно сохраняют полезную низкотемпературную вязкость без столь выраженного ферритного перехода; марку, состояние изделия и сварные швы всё равно проверяют.
Испытание Шарпи при −20°C само по себе не разрешает эксплуатацию при −20°C. Оценка учитывает правила проектирования, минимальную температуру металла, толщину, напряжения, дефекты, изготовление и нагрузки. Твёрдость также не позволяет установить вязкость универсальным пересчётом.
Что проверить в протоколе
- Установите марку, плавку или партию, толщину, состояние поставки и место отбора. Разделяйте основной металл, металл шва и зону термического влияния.
- Для удлинения запишите стандарт, направление и геометрию образца, начальную расчётную длину и вид результата: равномерное, в момент разрыва или после разрыва.
- Для Шарпи проверьте редакцию стандарта, размеры образца и надреза, ориентацию, конфигурацию бойка, температуру, отдельные результаты и правило приёмки.
- Для вязкости разрушения определите параметр, ориентацию предтрещины, температуру и скорость нагружения, размеры и заключение о достоверности. Сохраняйте предварительное обозначение, если требования не выполнены.
- Сравнивайте результат с конкретными требованиями к изделию и проекту. В США, Великобритании, Австралии и Канаде могут применяться разные стандарты и редакции; название страны само по себе не подтверждает эквивалентность протоколов.
Например, «удлинение 25% на базе 50 мм» и «60 Дж при −20°C» отвечают на разные вопросы. Без остальных условий ни одно значение не задаёт полного ранжирования пластичности, расчётной вязкости разрушения или минимальной температуры эксплуатации. Руководство по выбору класса прочности связывает эти проверки с заказной спецификацией, а сравнение S275 и S355 поясняет особенности этих марок.