Ударная вязкость KCU и KCV (KCU, KCV, Дж/см²) — работа, затраченная на разрушение надрезанного образца ударом; показывает, склонна ли сталь к хрупкому разрушению, особенно на холоде.
Суть
Растяжение по ГОСТ 1497 показывает, как сталь ведёт себя при медленной нагрузке. Ударная вязкость отвечает на другой вопрос: сколько энергии металл поглотит, если нагрузка приложена резко, а в детали уже есть концентратор напряжений — надрез, риска, сварной дефект. Именно такое сочетание провоцирует хрупкое разрушение, при котором трещина проходит без заметной пластической деформации.
Испытание проводят на маятниковом копре по ГОСТ 9454: образец с надрезом ставят на две опоры и ломают ударом маятника, а по высоте его подъёма после удара считают работу разрушения K. Ударная вязкость — эта работа, отнесённая к площади сечения образца в месте надреза:
KC = K / F, Дж/см² (ранее — кгс·м/см²; 1 кгс·м/см² = 9,81 Дж/см²)
Третья буква в обозначении — тип надреза: KCU — U-образный, радиусом 1 мм; KCV — V-образный, радиусом 0,25 мм; KCT — с заранее выращенной усталостной трещиной. Чем острее концентратор, тем жёстче испытание, поэтому у одной и той же стали KCV всегда ниже KCU. Верхний индекс указывает температуру испытания: KCU⁻⁴⁰ — при −40 °C, KCV⁺²⁰ — при комнатной. Сравнивать можно только величины с одинаковым надрезом и температурой.
От чего зависит
Ударная вязкость — самая чувствительная к структуре и температуре характеристика стали. У сталей с объёмно-центрированной решёткой (феррит, перлит) она резко падает при охлаждении: на кривой «KC — температура» есть переходная зона, а её середину называют порогом хладноломкости. Аустенитные нержавеющие стали такого порога не имеют и остаются вязкими при криогенных температурах.
- Углерод. Каждая доля процента C поднимает прочность и одновременно снижает вязкость и повышает порог хладноломкости — поэтому для хладостойких труб берут стали с C не выше 0,12–0,20 %.
- Раскисление и примеси. Спокойная сталь (сп) вязче кипящей; сера и фосфор резко охрупчивают металл, за счёт чего вводят ограничения S ≤ 0,035–0,040 % и P ≤ 0,035 %.
- Размер зерна. Измельчение зерна — единственный способ поднять и прочность, и вязкость одновременно; на этом основаны нормализация и микролегирование ванадием и ниобием.
- Термообработка и деформация. Закалка с высоким отпуском даёт вязкий сорбит; наклёп и деформационное старение снижают KC — поэтому в стандартах есть отдельная норма «после механического старения».
- Направление вырезки. Поперечные образцы дают меньшие значения из-за строчечности неметаллических включений; в паспорте оговаривают, вдоль или поперёк прокатки вырезан образец.
Ключевые числа
| Стандартный образец (ГОСТ 9454) | 10 × 10 × 55 мм, надрез глубиной 2 мм, расстояние между опорами 40 мм |
|---|---|
| Надрез U / V / T | R = 1 мм / R = 0,25 мм, угол 45° / усталостная трещина |
| Единицы | Дж/см²; 1 кгс·м/см² = 9,81 Дж/см² (30 Дж/см² ≈ 3 кгс·м/см²) |
| Сталь 09Г2С, лист 10–20 мм (ГОСТ 19281) | KCU⁻⁴⁰ ≥ 34 Дж/см², KCU⁻⁷⁰ ≥ 29 Дж/см² |
| Сталь 09Г2С, лист 5–10 мм (ГОСТ 19281) | KCU⁻⁴⁰ ≥ 39 Дж/см² |
| Аустенитные стали 12Х18Н10Т и подобные | KCU при +20 °C обычно 200–300 Дж/см² (в справочных данных, в стандартах на прокат не нормируется), порог хладноломкости отсутствует |
| Европейская запись (EN 10025, ISO 148-1) | Работа KV в Дж на образец: S355J2 — KV ≥ 27 Дж при −20 °C |
Где встречается в трубах
Для трубы ударная вязкость определяет, где и при какой температуре её можно применять: обычная сталь 20 или Ст3 нормируется при +20 °C, а «северное» и «хладостойкое» исполнение — по KCU или KCV при −40 и −60 °C. Магистральные и промысловые трубопроводы дополнительно проверяют на стойкость к протяжённому разрушению — там важна не только величина KCV, но и доля вязкой составляющей в изломе.
- Как категории поставки задают температуру испытания — в статье хладостойкость и категории по температуре.
- Трубы из 09Г2С и 17Г1С — типовой выбор, когда в задании стоит норма KCU или KCV при отрицательных температурах.
- Бесшовные трубы по ГОСТ 8732-78 из стали 20 — базовый вариант для работы при +20 °C; ударная вязкость для них оговаривается по согласованию.
- Как термообработка возвращает вязкость после прокатки и сварки — в статье термообработка труб.
- Что именно проверяют на образцах из трубы и как читать паспорт — контроль качества труб.
Связанные термины
- Хладостойкость и категории по температуреСпособность стали не переходить в хрупкое состояние на морозе; задаётся ударной вязкостью при отрицательных температурах и категорией поставки.
- Относительное удлинениеМера пластичности: на сколько процентов образец вытянулся к моменту разрыва; чем выше — тем безопаснее сталь ведёт себя под перегрузкой.
- Феррит, перлит, аустенит, мартенситСтруктурные составляющие стали: мягкий феррит, прочный слоистый перлит, высокотемпературный аустенит и твёрдый закалочный мартенсит.
- НормализацияНагрев выше критической точки и охлаждение на воздухе: измельчает зерно, выравнивает структуру, повышает ударную вязкость — штатная ТО горячедеформированных труб.