Временное сопротивление (предел прочности) (σв (Rm), МПа) — максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения; именно эта величина зашифрована в классе прочности «К».
Суть
При испытании на растяжение нагрузка на образец растёт, проходит предел текучести и продолжает расти, пока металл упрочняется. В какой-то момент усилие достигает максимума: на образце появляется «шейка», сечение локально сужается, и дальше он рвётся уже при падающей нагрузке. Это максимальное усилие, отнесённое к исходной площади сечения, и есть временное сопротивление.
σв = Pmax / F0, где Pmax — наибольшая нагрузка, Н; F0 — начальная площадь сечения образца, мм²
Слово «временное» — историческое: величина условна, так как отнесена к исходному, а не к реальному сечению в момент разрыва. В обиходе её называют пределом прочности, в ISO и EN — Rm, в англоязычной документации — tensile strength. Все эти обозначения относятся к одному свойству, измеряемому по ГОСТ 1497.
В паре с пределом текучести σв описывает «запас» стали: разница между σт и σв — это резерв пластического упрочнения до разрушения. Отношение σт/σв у трубных сталей обычно лежит в пределах 0,6–0,9; чем оно ближе к единице, тем меньше металл предупреждает о перегрузке деформацией, поэтому стандарты на трубы для магистральных трубопроводов это отношение ограничивают.
От чего зависит
- Углерод. Главный фактор для углеродистых сталей: у стали 10 σв ≥ 330 МПа, у стали 20 — ≥ 410 МПа, у стали 45 — ≥ 600 МПа (ГОСТ 1050, нормализованное состояние).
- Легирование и зерно. Марганец, кремний, ванадий, ниобий поднимают σв при умеренном углероде — так низколегированные стали 09Г2С и 17Г1С получают 470–510 МПа при хорошей свариваемости.
- Термообработка. Нормализация даёт базовые значения; закалка с отпуском поднимает σв заметно выше — так получают группы API N80Q, P110 у труб нефтяного сортамента; для классов К60 и выше у труб большого диаметра тот же прирост даёт контролируемая прокатка низколегированной стали.
- Наклёп. Холодная деформация повышает σв и σт, сближая их и снижая удлинение; после отжига значения возвращаются к исходным.
- Твёрдость. Для углеродистых и низколегированных сталей σв и твёрдость по Бринеллю связаны приближённо: σв ≈ 3,4·HB (МПа) — по этой оценке прочность прикидывают без разрушения образца.
Как читать в документах
В сертификате и паспорте качества σв приводят в МПа или Н/мм² (это одно и то же), в старых ГОСТах и в обозначении класса прочности «К» — в кгс/мм²: К52 означает σв не менее 52 кгс/мм², то есть около 510 МПа. Для стали в стандартах на прокат σв нормируют как минимум (сталь 20: ≥ 410 МПа) либо как диапазон (Ст3сп: 370–480 МПа), поскольку излишне прочная сталь обыкновенного качества хуже гнётся и сваривается.
Ключевые числа
| Ст3сп (ГОСТ 380 / ГОСТ 535), толщина до 20 мм | 370–480 МПа |
|---|---|
| Сталь 10 (ГОСТ 1050), нормализованная | ≥ 330 МПа |
| Сталь 20 (ГОСТ 1050), нормализованная | ≥ 410 МПа |
| Сталь 45 (ГОСТ 1050), нормализованная | ≥ 600 МПа |
| Сталь 09Г2С (ГОСТ 19281), до 10 мм | ≥ 490 МПа (10–20 мм: ≥ 470 МПа) |
| Сталь 17Г1С (ГОСТ 19281) | ≥ 510 МПа |
| Класс прочности К52 (ГОСТ 20295) | ≥ 510 МПа (52 кгс/мм²) |
| Класс прочности К60 (ГОСТ 20295) | ≥ 588 МПа (60 кгс/мм²) |
| Метод определения | Растяжение по ГОСТ 1497; σв = Pmax / F0; 1 кгс/мм² ≈ 9,81 МПа |
Где встречается в трубах
Для труб временное сопротивление — вторая после предела текучести нормируемая характеристика: по ней назначают класс прочности, проверяют партию при приёмке и ограничивают допускаемое напряжение (в нормах на трубопроводы — доля от σв наряду с долей от σт). Значение σв для каждой плавки указано в паспорте качества.
- Классы К и группы API — шкалы прочности, см. группы прочности; для сравнения с σт — предел текучести.
- Бесшовные трубы из стали 20 по ГОСТ 8732-78 и электросварные из Ст3сп по ГОСТ 10704-91 — базовые σв около 410 и 370 МПа (в ГОСТ 8731 и ГОСТ 10705 нормы записаны в кгс/мм²: 42 и 38, то есть 412 и 372 МПа).
- Трубы из 09Г2С и 17Г1С — там, где нужны 470–510 МПа при низких температурах и хорошей сварке.
- Как σв входит в проверку стенки — в статье расчёт трубы на давление; какие испытания подтверждают σв при приёмке — в контроле качества труб.
- Нормативные значения по маркам — в библиотеке стандартов.
Связанные термины
- Предел текучестиНапряжение, при котором сталь начинает деформироваться необратимо; главная расчётная характеристика для трубопроводов и конструкций.
- Относительное удлинениеМера пластичности: на сколько процентов образец вытянулся к моменту разрыва; чем выше — тем безопаснее сталь ведёт себя под перегрузкой.
- Группы и классы прочности (К, API)Классы прочности маркируют сталь трубы по её механике: российский «К» — временное сопротивление в кгс/мм², API (J55, N80, L80) — предел текучести в ksi.
- Твёрдость: HB, HRC, HVСопротивление металла вдавливанию; методы Бринелля, Роквелла и Виккерса дают разные шкалы, но все они косвенно связаны с прочностью.