Mez kluzu versus pevnost v tahu u nerezové oceli: Proč na designu záleží na obojím

Jaký je rozdíl mezi mezí kluzu a pevností v tahu u nerezové oceli?

Při standardní tahové zkoušce je vzorek z nerezové oceli tažen po přímce, přičemž se zaznamenává zatížení a prodloužení a převádí se na křivku inženýrského napětí-deformace. V první, přímkové-části této křivky jsou napětí a deformace přímo úměrné (Hookeův zákon) a vzorek se vrátí do svého původního tvaru, pokud je zatížení odstraněno - toto je elastická oblast. Jakmile se křivka ohne od této přímky, část deformace se stane trvalou a materiál vstoupil do plastické oblasti. Napětí při tomto přechodu je mez kluzu.

Vzhledem k tomu, že zatěžování pokračuje i přes mez kluzu, technické napětí stále roste, protože materiál tvrdne -(stejný mechanismus, který je popsán v technickém článku EETA o rychlosti zpevňování), dokud nedosáhne vrcholu - pevnosti v tahu, nazývané také konečná pevnost v tahu (UTS). Za tímto vrcholem se vzorek začne lokálně krčit, zatížení, které může unést, ve skutečnosti klesá, i když skutečné napětí v krčkové oblasti stále stoupá, a část se zlomí. Stručně řečeno: mez kluzu je hranicí bezpečného využití; pevnost v tahu je hranicí přežití konstrukce.

Proč nerezová ocel používá metodu 0,2% offsetu namísto viditelného bodu kluzu?

Uhlíková ocel obvykle vykazuje horní a dolní mez průtažnosti -, což je viditelný pokles zatížení přímo na elastickém -plastickém přechodu - kvůli intersticiálním atomům, které nakrátko připnou dislokace. Austenitická nerezová ocel nevykazuje toto chování stejným způsobem a její křivka za mez pružnosti se ohýbá hladce, spíše než by se ostře zalamovala. Aby bylo možné získat konzistentní, reprodukovatelné číslo pro účely návrhu a specifikace, ASTM A370 (odkaz ASTM A240) vyžaduje metodu ofsetu 0,2 % pro nerezovou ocel: trvalé plastické namáhání 0,2 % je definováno jako praktický počátek poddajnosti, i když před tímto bodem technicky nastává nějaké dřívější, menší množství plastické deformace.

Na této konvenci záleží, jak čtete zprávu o zkoušce mlýna. "Mez kluzu" vytištěná na 304 nebo 316 MTR je vždy hodnota 0,2% offsetu, pokud není výslovně uveden jiný ofset, a je přímo srovnatelná mezi jakostmi, tavbami a mlýny pouze proto, že každý z nich používá stejnou definici 0,2%.

Jak se srovnává mez kluzu a pevnost v tahu mezi rodinami z nerezové oceli?

Minimální hodnoty na ASTM A240 pro desku/plech v žíhaném stavu a publikovaná technická data pro tepelně-zpracování 410. Skutečné vlastnosti se liší podle tepla, tvaru produktu a tloušťky; před použitím při návrhu nebo nákupu ověřte podle zprávy o zkoušce specifické válcovny (MTR).

Proč je poměr mezi výtěžností-k-tahu lepším ukazatelem návrhu než kterékoli číslo samotné?

Dva materiály mohou mít stejnou pevnost v tahu a chovat se zcela odlišně v provozu, pokud se jejich mez kluzu liší. Nízký poměr Y/T znamená velkou plastovou oblast: materiál se viditelně natahuje, přerozděluje místní napětí a dává varování před tím, než nakonec selže, což je jeden z důvodů, proč žíhaná austenitická nerezová ocel funguje dobře v aplikacích, kde jsou přetížení, seismická aktivita nebo nárazové zatížení konstrukčním problémem. Vysoký poměr Y/T znamená, že materiál nese větší část své pevnosti blízko povrchu -, což je užitečné pro maximalizaci zátěže-nosné kapacity na jednotku hmotnosti nebo průřezu-, ale s menší vestavěnou- rezervou tvárnosti, pokud by se součást někdy posunula za hranici kluzu.

To je přesně důvod, proč je duplex 2205 určen pro hmotnostní -citlivé nebo vysokotlaké aplikace- (příbřežní plošiny, odsolovací potrubí), kde jeho vyšší mez kluzu umožňuje tenčí části stěn pro stejný návrhový tlak, zatímco standardní austenitické třídy zůstávají výchozí volbou pro všeobecnou výrobu, kde na tažnosti, svařitelnosti a široké bezpečnostní rezervě záleží více než na minimalizaci tloušťky sekce.

Jak konstrukční kódy jako ASME a ASTM ve skutečnosti využívají mez kluzu vs. pevnost v tahu?

Jak ASME sekce VIII (tlakové nádoby), tak ASME B31.3 (procesní potrubí) staví své tabulky přípustného napětí ze stejné základní logiky: pevnost v tahu řídí bezpečnostní faktor proti roztržení a mez kluzu řídí bezpečnostní faktor proti nepřijatelné trvalé deformaci. U většiny uhlíkových a -legovaných ocelí je dovolené napětí omezeno na dvě- třetiny meze kluzu. Austenitická nerezová ocel a podobné slitiny niklu jsou zpracovány odlišně, protože jejich deformační-chování je tak tvárné: Povinný dodatek ASME o stanovení hodnot napětí v části II výslovně povoluje alternativní, vyšší dovolené napětí - až do 90 % meze kluzu při teplotě - pro tyto materiály, pokud výsledná mírně vyšší deformace při návrhovém zatížení není sama o sobě problémem.

V praxi to znamená, že tlaková součást 304 nebo 316 může být často navržena na vyšší zlomek její meze kluzu, než by měla ekvivalentní součást z uhlíkové oceli, což částečně kompenzuje nižší absolutní mez kluzu nerezové oceli ve srovnání s duplexními nebo tepelně -zpracovanými martenzitickými třídami. To také znamená, že přípustná hodnota napětí vytištěná v tabulce kódů ASME není nikdy jednoduše „mez kluzu“ nebo „pevnost v tahu“ sama o sobě -, jedná se o kódem- definovanou kombinaci obou, filtrovanou přes bezpečnostní faktor, který se liší podle skupiny materiálů.

Změní práce za studena vztah mezi kluzem a pevností v tahu?

Jak uvádí podrobný článek o rychlosti mechanického zpevnění austenitické nerezové oceli, jakosti jako 301 a 304 mají vysoký exponent -zpevnění (hodnota n{3}}), což znamená, že průtokové napětí prudce stoupá s plastickým pnutím. Protože se mez kluzu v této křivce měří velmi brzy a pevnost v tahu se měří na vrcholu, časná strmá část křivky zvyšuje mez kluzu úměrně více, než zvyšuje již tak -vysokou pevnost v tahu. Například za studena -válcovaný plný-tvrdý 301 může dosáhnout meze kluzu blížící se jeho pevnosti v tahu, což znamená, že mezi "začne se deformovat" a "selháním" je k dispozici velmi malé dodatečné zatížení - přímý, praktický důsledek stejného TRIP a dislokačního-mechanismu kalení, díky kterému je nerezová ocel v první řadě opracovatelná{12}.

To je klíčový důvod, proč je temperovaný nerezový pás (1/4 tvrdý, 1/2 tvrdý podle ASTM A666) specifikován temperováním spíše než samotným jakostním stupněm: mechanické vlastnosti a konkrétně poměr mezi průtažností-k-tahu se v rámci jedné třídy podstatně mění v závislosti na tom, kolik práce za studena již bylo použito před uvedením součásti do provozu.

Která vlastnost by měla řídit výběr materiálu pro danou aplikaci?

Tlakové nádoby, potrubí a konstrukční prvky

Pro součásti pod trvalým nebo cyklickým provozním zatížením - trubka, příruby, pláště nádoby, konstrukční konzoly - je primárním hnacím motorem návrhu, protože trvalá deformace, jakkoli malá, představuje funkční poruchu, i když díl nepraskl. Příslušný návrhový předpis (ASME oddíl VIII, ASME B31.3 nebo ekvivalentní) pak použije svou vlastní logiku součinitele bezpečnosti, která odkazuje na pevnost v tahu jako na sekundární kontrolu proti přetržení.

Aplikace pohlcující náraz, přetížení a energii-

U součástí, u kterých může docházet k občasnému přetížení, nárazu nebo seismickým událostem - záchytné mechanismy, svodidla, určité automobilové a dopravní součásti -, oblast pod celou křivkou napětí- až do prasknutí (kombinace pevnosti a prodloužení) je důležitější než samotná mez kluzu, protože materiál s širokým rozpětím Y/T absorbuje více energie, než se zlomí. Zde žíhaná austenitická třída s nízkým poměrem -Y/T{5}} často překonává alternativu s vyšší-výtěžností, ale nižší-tažností, i když její číslo meze kluzu vypadá na datovém listu menší.

Spojovací a šroubové spoje

Šroubování uplatňuje obě vlastnosti odlišným způsobem: zkušební zatížení (úzce související s mezí kluzu) určuje, jaké předpětí může spojovací prvek bezpečně udržet bez trvalého natažení, zatímco pevnost v tahu, testovaná při vyšším bezpečnostním faktoru podle požadavků normy ASME pro šroubový materiál, řídí konečnou kapacitu proti selhání spojovacího prvku. Běžnou chybou specifikace je výběr třídy a materiálu spojovacího prvku pouze na základě pevnosti v tahu, bez kontroly kapacity předpětí na základě meze{1}}.

Často kladené otázky

Otázka: Je vyšší mez kluzu vždy lepší u nerezové oceli?

A: Ne automaticky. Vyšší mez kluzu umožňuje tenčí průřez nebo lehčí součást pro stejné zatížení, ale obvykle přichází s vyšším poměrem Y/T a méně tažným okrajem před zlomením. Správná volba závisí na tom, zda aplikace oceňuje maximální pevnost na jednotku hmotnosti (upřednostňuje duplexní nebo za studena opracované oceli) nebo maximální tvárnou rezervu a propustnost při přetížení (upřednostňuje žíhané austenitické třídy).

Otázka: Proč mají 304 a 316 téměř identické meze kluzu a pevnosti v tahu?

Odpověď: Oba jsou austenitické druhy s podobnou kubickou mikrostrukturou se středem na povrchu -a podobným rozsahem obsahu uhlíku a dusíku, takže ASTM A240 nastavuje v podstatě stejné minimální mechanické vlastnosti pro oba v žíhaném stavu - 205 MPa (30 ksi) minimální výtěžnost a 515 MPa (75 ksi) minimální pevnost v tahu. Jejich skutečným rozdílem je odolnost proti korozi, způsobená molybdenem v 316, nikoli základní pevnost.

Otázka: Proč je mez kluzu duplexu 2205 mnohem vyšší než u 304, s menším rozdílem v pevnosti v tahu?

Odpověď: Mikrostruktura feritu zhruba 50/50 austenitu- a legování dusíkem u Duplex 2205 podstatně zvyšují napětí potřebné k zahájení plastické deformace, což se téměř zcela projevuje jako vyšší mez kluzu. Pevnost v tahu, dosažená až po výrazném deformačním zpevnění a zúžení, vzroste o menší relativní hodnotu, a proto je poměr Y/T u 2205 (asi 0,73) mnohem vyšší než u 304 (asi 0,40).

Otázka: Určuje mez kluzu nebo pevnost v tahu tloušťku stěny tlakové trubky?

Odpověď: Ani jeden sám o sobě - nepočítá přípustné napětí (jako je ASME B31.3), které je nižší z podílu pevnosti v tahu (děleno bezpečnostním faktorem 3,5) a zlomku meze kluzu (obvykle dvě-třetiny nebo až 90 % pro austenitické nerezové a niklové slitiny). Tloušťka stěny je pak dimenzována na přípustné napětí, nikoli přímo na vlastnosti suroviny.

Otázka: Může tepelné zpracování zvýšit mez kluzu nerezové oceli 304 nebo 316 tak, jak to dělá u oceli 410?

Odpověď: Ne. 304 a 316 jsou austenitické třídy zpevněné pouze tvářením za studena, nikoli tepelným zpracováním. - žíhání je spíše změkčuje než zpevňuje. Martenzitické třídy jako 410 lze naproti tomu kalit a popouštět, aby se dosáhlo meze kluzu a pevnosti v tahu vysoko nad jejich žíhanými hodnotami, což je důvod, proč se poměr Y/T a absolutní pevnost 410 mohou tak široce lišit v závislosti na temperaci.