Предел текучести металла

Предел текучести металла — одна из основных механических характеристик, определяемых при испытании на растяжение. Она показывает уровень напряжения, при котором в материале начинается необратимая пластическая деформация. До достижения этой области металлический образец при разгружении в основном возвращается к исходным размерам. После перехода к пластическому деформированию часть удлинения сохраняется. Поэтому предел текучести используют при выборе материалов, расчете конструкций, входном и производственном контроле. У одних металлов переход от упругой к пластической деформации выражен отчетливо, у других происходит плавно. Поэтому различают физический предел текучести и условный предел текучести, наиболее распространенным вариантом которого является Rp0,2. В России порядок определения этих характеристик при статических испытаниях металлов на растяжение устанавливает ГОСТ 1497-2023 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».

Что показывает предел текучести

При растяжении образца напряжение сначала вызывает преимущественно упругую деформацию. Если нагрузку снять на этой стадии, образец практически восстанавливает исходную длину. При дальнейшем нагружении начинается пластическая деформация. После разгрузки часть изменения длины сохраняется. Предел текучести характеризует переход материала к такому состоянию. Эту характеристику используют при сравнении марок металлов и сплавов, входном и производственном контроле, оценке результатов термической обработки и расчете допустимых рабочих напряжений. Предел текучести не следует путать с пределом прочности. Первый характеризует начало пластического поведения материала, второй связан с максимальным напряжением, достигнутым при испытании.

Физический предел текучести

Физический предел текучести определяют у материалов, для которых переход к пластической деформации отчетливо проявляется на диаграмме растяжения. На таком участке образец может продолжать удлиняться при сравнительно небольшом изменении нагрузки. В зависимости от формы диаграммы различают верхний и нижний пределы текучести. Верхний соответствует максимальному напряжению перед выраженным пластическим течением, нижний — минимальному напряжению в области текучести после первоначального максимума. Если такую область надежно выделить нельзя, применяют условный способ определения.

Что такое условный предел текучести Rp0,2

У многих металлов выраженной площадки текучести нет. Диаграмма плавно отклоняется от начального линейного участка, поэтому точку начала пластической деформации невозможно определить однозначно. В этом случае используют условный предел текучести. Наиболее распространенный показатель — Rp0,2. Он соответствует напряжению, при котором достигается установленная величина пластической деформации 0,2 %. Rp0,2 не означает, что металл внезапно начинает «течь» именно в этой точке. Это стандартизованный критерий, позволяющий одинаковым способом оценивать материалы без отчетливо выраженного физического предела текучести.

Как определяют Rp0,2 по диаграмме растяжения

Для определения Rp0,2 строят диаграмму «напряжение–деформация» и точно измеряют удлинение рабочей части образца. На диаграмме выделяют начальный упругий участок. Затем проводят линию, параллельную этому участку, но смещенную по оси деформации на 0,2 %. Точка пересечения этой линии с кривой растяжения соответствует условному пределу текучести Rp0,2.

Для достоверного определения Rp0,2 необходимо измерять деформацию непосредственно на расчетной длине образца. Перемещение траверсы испытательной машины не является полной заменой этому измерению, поскольку включает деформации элементов силовой цепи, захватов и конструкции машины. Поэтому применяют экстензометр, который устанавливают на рабочую часть образца и регистрируют изменение его расчетной длины в процессе растяжения. Экстензометр особенно важен при определении условного и физического предела текучести, малых относительных деформаций и модуля упругости. Его выбирают с учетом базы измерения, размеров образца, диапазона деформации и требований методики.

Как проводится испытание

Предел текучести определяют в ходе испытания металла на растяжение. Подготовленный образец закрепляют в захватах универсальной испытательной машины. Его продольная ось должна совпадать с направлением приложения нагрузки. При необходимости на рабочую часть устанавливают экстензометр. После настройки методики образец нагружают с установленной скоростью. Машина регистрирует силу, экстензометр — деформацию. На основании исходного поперечного сечения рассчитывают напряжение и строят зависимость «напряжение–деформация». По форме диаграммы определяют физический предел текучести либо рассчитывают условное значение Rp0,2. Скорость испытания, подготовка образца и способ измерения деформации должны соответствовать нормативному документу.

Что влияет на результат

На значение предела текучести влияют не только свойства материала, но и условия проведения испытания. Основные факторы — несоосность образца, проскальзывание в захватах, ошибка измерения поперечного сечения, недостаточная точность измерения деформации, неверно заданная скорость нагружения и дефекты рабочей части образца. При сравнении разных серий образцов условия подготовки и испытания должны быть сопоставимыми. В противном случае часть различий может быть связана не с материалом, а с методикой испытания.

Какое оборудование требуется

Для определения предела текучести необходим испытательный комплекс, включающий:

• универсальную испытательную машину;
• датчик силы;
• подходящие захваты;
• экстензометр;
• программное обеспечение для регистрации и обработки результатов.

Для таких задач ООО «Эталон-Профит» выпускает универсальные испытательные машины серий РКМ, РКМ SVO, X-PRO и НИМ. Конкретную модель выбирают по диапазону силы, размерам образцов, рабочему пространству, скоростям и применяемой оснастке. Захваты должны надежно удерживать образец без проскальзывания и обеспечивать его правильное положение относительно оси нагружения. При определении Rp0,2 особое значение имеет выбор экстензометра, поскольку точность измерения малых деформаций напрямую влияет на достоверность результата.

Автоматическая обработка результатов

Современное программное обеспечение позволяет регистрировать данные датчика силы и экстензометра, строить диаграмму «напряжение–деформация» и автоматически рассчитывать механические характеристики. Для испытательных машин ООО «Эталон-Профит» применяется программное обеспечение Prof IT. В программе можно задавать алгоритм испытания, сохранять результаты серий образцов, выполнять расчеты и формировать протоколы. Автоматизация удобна при серийном контроле, но не заменяет правильную подготовку образца и настройку испытательного комплекса.

Физический предел или Rp0,2 — что использовать

Выбор характеристики зависит от поведения материала и требований нормативного документа. Если на диаграмме отчетливо проявляется область текучести и методика предусматривает определение физического предела, используют соответствующую характеристику. Если выраженной площадки текучести нет, применяют условный критерий, например Rp0,2.

Физический и условный пределы текучести — не два названия одного показателя, а разные способы характеристики перехода металла к пластическому деформированию. Поэтому при испытании следует использовать именно тот показатель и способ его определения, который установлен стандартом или техническими требованиями на конкретный материал.