Granica plastyczności a wytrzymałość na rozciąganie stali nierdzewnej: dlaczego jedno i drugie ma znaczenie dla projektu

Jaka jest różnica między granicą plastyczności a wytrzymałością na rozciąganie stali nierdzewnej?

Podczas standardowej próby rozciągania próbkę stali nierdzewnej rozciąga się po linii prostej, rejestrując obciążenie i wydłużenie i przekształcając je w inżynierską krzywą naprężenia-odkształcenia. W pierwszej,-prostej części tej krzywej, naprężenie i odkształcenie są wprost proporcjonalne (prawo Hooke'a), a próbka powraca do swojego pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia - jest to obszar sprężysty. Gdy krzywa odgina się od tej linii prostej, część odkształcenia staje się trwała, a materiał wchodzi w obszar plastyczny. Naprężenie w tym przejściu to granica plastyczności.

W miarę jak obciążenie przekracza granicę plastyczności, naprężenia konstrukcyjne stale rosną, ponieważ obróbka materiału-utwardza ​​się (ten sam mechanizm jest opisany w artykule technicznym EETA na temat szybkości utwardzania przez zgniot), aż osiągnie szczytową - wytrzymałość na rozciąganie, zwaną także najwyższą wytrzymałością na rozciąganie (UTS). Powyżej tego szczytu próbka zaczyna lokalnie się przewężać, obciążenie, jakie może wytrzymać, w rzeczywistości spada, mimo że rzeczywiste naprężenie w obszarze przewężenia stale rośnie, a część pęka. W skrócie: granica plastyczności jest granicą bezpiecznego, możliwego do odzyskania wykorzystania; wytrzymałość na rozciąganie jest granicą przetrwania konstrukcji.

Dlaczego w stali nierdzewnej stosuje się metodę przesunięcia 0,2% zamiast widocznej granicy plastyczności?

Stal węglowa zazwyczaj wykazuje górną i dolną granicę plastyczności - widoczny spadek obciążenia tuż przy przejściu sprężystym-plastycznym - z powodu krótkotrwałych dyslokacji unieruchamiających atomy śródmiąższowe. Austenityczna stal nierdzewna nie wykazuje takiego zachowania w ten sam sposób, a jej krzywa przekraczająca granicę sprężystości wygina się płynnie, a nie gwałtownie załamuje. Aby uzyskać stałą, powtarzalną liczbę do celów projektowych i specyfikacji, norma ASTM A370 (określana przez ASTM A240) wymaga metody przesunięcia 0,2% dla stali nierdzewnej: trwałe odkształcenie plastyczne wynoszące 0,2% definiuje się jako praktyczny początek uplastycznienia, mimo że technicznie rzecz biorąc, przed tym punktem występuje pewne wcześniejsze, mniejsze odkształcenie plastyczne.

Konwencja ta ma znaczenie dla sposobu czytania raportu z testów młyna. „Granica plastyczności” wydrukowana na 304 lub 316 MTR to zawsze wartość przesunięcia 0,2%, chyba że wyraźnie określono inne przesunięcie, i jest ona bezpośrednio porównywalna dla różnych gatunków, wytopów i walcarek tylko dlatego, że każdy z nich używa tej samej definicji 0,2%.

Jak porównują się plastyczność i wytrzymałość na rozciąganie w przypadku rodzin stali nierdzewnej?

Minimalne wartości zgodnie z ASTM A240 dla blachy/arkusza w stanie wyżarzonym i opublikowane dane techniczne walcowni dla-obrobionej cieplnie stali 410. Rzeczywiste właściwości różnią się w zależności od ciepła, postaci produktu i grubości; sprawdzić w oparciu o konkretny raport z testów w walcowni (MTR) przed wykorzystaniem w projektowaniu lub zamówieniu.

Dlaczego stosunek plastyczności-do-rozciągania jest lepszym wskaźnikiem projektu niż każda inna wartość?

Dwa materiały mogą mieć tę samą wytrzymałość na rozciąganie i zachowywać się zupełnie inaczej w eksploatacji, jeśli ich granica plastyczności jest różna. Niski stosunek Y/T oznacza duży obszar plastyczności: materiał wyraźnie się rozciąga, redystrybuuje lokalne naprężenia i ostrzega, zanim ostatecznie ulegnie uszkodzeniu, co jest jednym z powodów, dla których wyżarzana austenityczna stal nierdzewna dobrze sprawdza się w zastosowaniach, w których występują przeciążenia, aktywność sejsmiczna lub obciążenia udarowe. Wysoki stosunek Y/T oznacza, że ​​materiał przenosi większą wytrzymałość blisko powierzchni -, co jest przydatne do maksymalizacji-nośności na jednostkę ciężaru lub-przekroju, ale z mniejszą-wbudowaną rezerwą plastyczności, jeśli część zostanie kiedykolwiek wypchnięta poza granicę plastyczności.

Właśnie dlatego duplex 2205 jest zalecany do zastosowań-wrażliwych na wagę lub-wysokociśnieniowych (platformy wiertnicze, rurociągi odsalające), gdzie jego wyższa granica plastyczności pozwala na stosowanie cieńszych sekcji ścian przy tym samym ciśnieniu projektowym, podczas gdy standardowe gatunki austenityczne pozostają domyślnym wyborem do ogólnych zastosowań produkcyjnych, gdzie ciągliwość, spawalność i szeroki margines bezpieczeństwa liczą się bardziej niż minimalizacja grubości przekroju.

W jaki sposób przepisy projektowe, takie jak ASME i ASTM, faktycznie wykorzystują granicę plastyczności w funkcji wytrzymałości na rozciąganie?

Zarówno ASME Sekcja VIII (zbiorniki ciśnieniowe), jak i ASME B31.3 (rurociągi technologiczne) tworzą swoje tabele dopuszczalnych naprężeń w oparciu o tę samą logikę: wytrzymałość na rozciąganie reguluje współczynnik bezpieczeństwa przed rozerwaniem, a granica plastyczności reguluje współczynnik bezpieczeństwa przed niedopuszczalnym trwałym odkształceniem. W przypadku większości stali węglowych i stali nisko-stopowych dopuszczalne naprężenie jest ograniczone w pobliżu dwóch-trzecich granicy plastyczności. Austenityczną stal nierdzewną i podobne stopy niklu traktuje się inaczej, ponieważ ich charakterystyka naprężenia-odkształcenia jest bardzo ciągliwa: obowiązkowy dodatek ASME dotyczący ustalania wartości naprężeń w sekcji II wyraźnie dopuszcza alternatywne, wyższe dopuszczalne naprężenie - do 90% granicy plastyczności w temperaturze - dla tych materiałów, o ile wynikające z tego nieco większe odkształcenie pod obciążeniem obliczeniowym samo w sobie nie stanowi problemu w zastosowaniu.

W praktyce oznacza to, że element ciśnieniowy typu 304 lub 316 można często zaprojektować z wyższym ułamkiem jego granicy plastyczności niż równoważny element ze stali węglowej, co częściowo kompensuje niższą bezwzględną granicę plastyczności stali nierdzewnej w porównaniu z gatunkami martenzytycznymi typu duplex lub-poddawanymi obróbce cieplnej. Oznacza to również, że dopuszczalna wartość naprężenia wydrukowana w tabeli kodów ASME nigdy nie jest samą „granicą plastyczności” ani „wytrzymałością na rozciąganie” - jest to zdefiniowana przez normę-kombinacja obu, przefiltrowana przez współczynnik bezpieczeństwa, który różni się w zależności od rodziny materiałów.

Czy obróbka na zimno zmienia zależność między plastycznością a wytrzymałością na rozciąganie?

Jak wynika ze szczegółowego artykułu na temat szybkości utwardzania przez zgniot austenitycznej stali nierdzewnej, gatunki takie jak 301 i 304 mają wysoki wykładnik utwardzania-odkształcenia (wartość n-), co oznacza, że ​​naprężenie płynięcia gwałtownie rośnie wraz z odkształceniem plastycznym. Ponieważ granicę plastyczności mierzy się na bardzo wczesnym etapie tej krzywej, a wytrzymałość na rozciąganie mierzy się w szczycie, wczesna, stroma część krzywej zwiększa granicę plastyczności proporcjonalnie bardziej niż i tak już-wysoką wytrzymałość na rozciąganie. Na przykład-walcowany na zimno, pełny-twardy materiał 301 może osiągnąć granicę plastyczności bliską jego wytrzymałości na rozciąganie, co oznacza, że ​​pomiędzy „zaczynem odkształcania” a „zanikiem” występuje bardzo niewiele dodatkowego obciążenia, - co jest bezpośrednią, praktyczną konsekwencją tych samych mechanizmów TRIP i{11}dylokacji, które sprawiają, że stal nierdzewna jest-w ogóle odporna na hartowanie.

Jest to kluczowy powód, dla którego hartowane taśmy ze stali nierdzewnej (1/4 twardości, 1/2 twardości, całkowicie twarde zgodnie z normą ASTM A666) są określane raczej na podstawie stanu, a nie samego gatunku: właściwości mechaniczne, a w szczególności stosunek plastyczności do-rozciągania, zmieniają się zasadniczo w obrębie jednego gatunku, w zależności od tego, ile pracy na zimno wykonano już przed oddaniem części do użytku.

Która właściwość powinna decydować o wyborze materiału dla danego zastosowania?

Zbiorniki ciśnieniowe, rurociągi i elementy konstrukcyjne

W przypadku komponentów poddawanych ciągłym lub cyklicznym obciążeniom użytkowym - rury, kołnierze, płaszcze zbiorników, wsporniki konstrukcyjne - granica plastyczności jest głównym czynnikiem wpływającym na projekt, ponieważ trwałe odkształcenie, niezależnie od tego, jak małe, oznacza awarię funkcjonalną, nawet jeśli część nie pękła. Obowiązujące przepisy projektowe (ASME sekcja VIII, ASME B31.3 lub równoważne) stosują następnie własną logikę współczynnika bezpieczeństwa, odnosząc się do wytrzymałości na rozciąganie jako dodatkowej kontroli pod kątem pęknięcia.

Zastosowania związane z uderzeniami, przeciążeniami i{0}}absorbującymi energię

W przypadku komponentów, które mogą być narażone na sporadyczne przeciążenia, uderzenia lub zdarzenia sejsmiczne - mechanizmy zatrzaskowe, poręcze, niektóre komponenty samochodowe i transportowe - obszar pod całą krzywą naprężenia-odkształcenia aż do pęknięcia (połączenie wytrzymałości i wydłużenia) ma większe znaczenie niż sama granica plastyczności, ponieważ materiał o szerokim marginesie Y/T pochłania więcej energii, zanim pęknie. W tym przypadku gatunek austenityczny wyżarzany wyżarzany o niskim-Y/T-często ma lepsze właściwości niż alternatywa o wyższej- plastyczności, ale o niższej-ciągliwości, mimo że jego granica plastyczności wygląda na mniejszą w arkuszu danych.

Łączniki i połączenia śrubowe

Łączenie śrubami powoduje zastosowanie obu właściwości w inny sposób: obciążenie próbne (ściśle powiązane z granicą plastyczności) określa, jakie napięcie wstępne łącznik może bezpiecznie utrzymać bez trwałego rozciągania, podczas gdy wytrzymałość na rozciąganie, testowana przy wyższym współczynniku bezpieczeństwa zgodnie z wymaganiami normy ASME dla materiału łączącego, określa ostateczną odporność na uszkodzenie łącznika. Wybieranie gatunku i materiału elementu złącznego wyłącznie na podstawie wytrzymałości na rozciąganie, bez sprawdzania-naprężenia wstępnego w oparciu o plastyczność, jest częstym błędem w specyfikacji.

Często zadawane pytania

P: Czy wyższa granica plastyczności jest zawsze lepsza w przypadku stali nierdzewnej?

O: Nie automatycznie. Wyższa granica plastyczności umożliwia zastosowanie cieńszego przekroju lub lżejszego elementu przy tym samym obciążeniu, ale zwykle wiąże się to z wyższym stosunkiem Y/T i mniejszą plastycznością przed pęknięciem. Właściwy wybór zależy od tego, czy w zastosowaniu ceniona jest maksymalna wytrzymałość na jednostkę masy (preferowane gatunki duplex lub-obrabiane na zimno), czy też maksymalna rezerwa plastyczności i odpuszczalność pod przeciążeniem (preferowane gatunki austenityczne wyżarzane).

P: Dlaczego 304 i 316 mają prawie identyczną granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie?

Odp.: Obydwa są gatunkami austenitycznymi o podobnej mikrostrukturze sześciennej-centrowanej na powierzchni czołowej i podobnych zakresach zawartości węgla i azotu, więc ASTM A240 wyznacza zasadniczo te same minimalne właściwości mechaniczne dla obu w stanie wyżarzonym - 205 MPa (30 ksi) minimalna plastyczność i minimalna wytrzymałość na rozciąganie 515 MPa (75 ksi). Ich prawdziwą różnicą jest odporność na korozję, na którą wpływa molibden w 316, a nie wytrzymałość podstawowa.

P: Dlaczego granica plastyczności duplexu 2205 jest o wiele wyższa niż 304, przy mniejszej różnicy w wytrzymałości na rozciąganie?

Odp.: Mikrostruktura ferrytu-austenitu Duplex 2205 w przybliżeniu 50/50 i domieszka azotu znacznie zwiększają naprężenie potrzebne do zainicjowania odkształcenia plastycznego, co prawie wyłącznie objawia się wyższą granicą plastyczności. Wytrzymałość na rozciąganie, osiągnięta dopiero po znacznym umocnieniu przez odkształcenie i przewężeniu, wzrasta w względnej mniejszej wartości, dlatego stosunek Y/T w przypadku 2205 (około 0,73) jest znacznie wyższy niż w przypadku 304 (około 0,40).

P: Czy granica plastyczności lub wytrzymałość na rozciąganie określa grubość ścianki rury ciśnieniowej?

Odp.: Żadne z - obowiązujących norm projektowych (takich jak ASME B31.3) nie oblicza dopuszczalnego naprężenia stanowiącego niższą część ułamka wytrzymałości na rozciąganie (dzielonej przez współczynnik bezpieczeństwa 3,5) i ułamka granicy plastyczności (zwykle dwie-trzecie lub do 90% w przypadku austenitycznej stali nierdzewnej i stopów niklu zgodnie z przypisem do specjalnego kodeksu). Grubość ścianki jest następnie dopasowywana do dopuszczalnego naprężenia, a nie bezpośrednio do właściwości surowca.

P: Czy obróbka cieplna może zwiększyć granicę plastyczności stali nierdzewnej 304 lub 316 w taki sam sposób, jak w przypadku stali 410?

Odp.: Nie. 304 i 316 to gatunki austenityczne wzmacniane jedynie przez obróbkę na zimno, a nie przez obróbkę cieplną. - wyżarzanie zmiękcza je, a nie utwardza. Z kolei gatunki martenzytyczne, takie jak 410, można hartować i odpuszczać, aby osiągnąć granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie znacznie powyżej wartości wyżarzania, dlatego też stosunek Y/T i wytrzymałość bezwzględna 410 mogą się tak bardzo różnić w zależności od stanu.