Диаграмма растяжения металла: прочность, текучесть, удлинение
Содержание
Открываешь сертификат на металл — и видишь колонку цифр: σв, σт или σ0,2, δ5, ψ. За всеми ними стоит одно испытание: образец тянут на машине, пока он не порвётся, а прибор рисует кривую. Если понимать эту кривую, сертификат читается за минуту: видно, насколько металл прочный, когда он начнёт гнуться необратимо и сколько он выдержит пластической деформации до трещины. Ниже — разбор кривой по шагам, что такое удлинение и сужение и почему их нельзя сравнивать «в лоб», как соотносятся российские и европейские буквы, примеры для стали, меди и алюминия и что из всего этого нужно конструктору и снабженцу.
Где берутся цифры из сертификата
Испытание проводят по ГОСТ 1497-2023 — эта редакция стандарта действует с середины 2024 года и пришла на смену документу 1984 года. Она охватывает чёрные и цветные металлы толщиной или диаметром от трёх миллиметров; для тонкой проволоки, труб, листа и ленты есть свои стандарты испытаний. Образец — круглый или плоский — с нанесёнными метками растягивают с постоянной скоростью при комнатной температуре. Машина фиксирует силу и удлинение, а затем по ним строят график «напряжение — деформация».
Кривая шаг за шагом
Шаг 1. Упругость. Сначала кривая идёт прямой линией: сила и удлинение растут пропорционально. Если в этот момент разгрузить образец, он вернётся к прежней длине. Наклон прямой — это модуль упругости, а напряжение, до которого линия остаётся прямой, называют пределом пропорциональности.
Шаг 2. Текучесть. Дальше металл начинает деформироваться необратимо. У мягкой углеродистой стали это хорошо видно: на кривой появляется горизонтальная «полка», где образец удлиняется почти без роста силы. Это физический предел текучести. У меди, алюминия и многих легированных сталей полки нет, кривая плавно изгибается, и тогда договорились брать точку, где остаточное удлинение составило 0,2 %, — условный предел текучести σ0,2.
Шаг 3. Упрочнение. После текучести, чтобы тянуть дальше, силу снова приходится увеличивать: металл при пластической деформации наклёпывается и становится прочнее. Образец удлиняется равномерно по всей длине.
Шаг 4. Вершина и шейка. В какой-то момент сила достигает максимума. Напряжение в этой точке — временное сопротивление, его же называют пределом прочности. После вершины на образце появляется местное утонение — шейка.
Шаг 5. Разрыв. Вся деформация собирается в шейке, сечение там быстро уменьшается, кривая идёт вниз, и образец рвётся. По обломкам измеряют, насколько он удлинился и насколько сузился в месте разрыва.
Удлинение и сужение — два взгляда на пластичность
Обе цифры отвечают на вопрос «насколько металл способен тянуться, не разрушаясь», но меряют разное.
Удлинение — на сколько процентов выросла расчётная длина образца к моменту разрыва. Подвох в том, что заметная часть этого прироста приходится на шейку, а шейка у короткого и длинного образца примерно одинаковая. На коротком образце её доля в общей длине больше, поэтому и процент выходит выше. Отсюда индексы: в российских документах δ5 — на коротком образце, δ10 — на длинном. Стандарт на испытания прямо требует указывать, на какой длине измерено удлинение.
Сужение ψ — на сколько процентов уменьшилась площадь сечения в месте разрыва. Оно почти не зависит от длины образца и хорошо показывает, как металл поведёт себя при местной сильной деформации: в зоне гиба, при высадке головки болта, при вытяжке.
Пример из реального стандарта: для мягкой холоднотянутой медной трубы ГОСТ 617-2006 требует удлинения не меньше 38 % на коротком образце и не меньше 35 % на длинном. Металл один, требования два.
Как читать буквы в сертификатах
| Что это | У нас обычно пишут | В зарубежных документах |
|---|---|---|
| Предел прочности | σв | Rm |
| Предел текучести по «полке» | σт | ReH и ReL — верхний и нижний |
| Предел текучести при 0,2 % остаточной деформации | σ0,2 | Rp0,2 |
| Удлинение после разрыва | δ5, δ10 | A, A11,3, A50mm, A80mm |
| Сужение после разрыва | ψ | Z |
Напряжения в сертификатах дают в МПа, что то же самое, что Н/мм². В старых документах встречаются кгс/мм²: чтобы получить МПа, их умножают на 9,8. В импортных сертификатах на тонкий лист удлинение часто измерено на образце фиксированной длины 50 или 80 мм — такое число напрямую сопоставлять с нашим δ5 нельзя.
Примеры значений
| Материал | Прочность, МПа | Текучесть, МПа | Удлинение, % |
|---|---|---|---|
| Оцинкованная строительная сталь 220 (ГОСТ 14918-2020) | от 300 | от 220 | от 18 до 20 в зависимости от толщины |
| Оцинкованная сталь 350 (ГОСТ 14918-2020) | от 420 | от 350 | от 14 до 16 |
| Мягкая медная труба (ГОСТ 617-2006) | от 200 | — | от 38, короткий образец |
| Твёрдая медная труба (ГОСТ 617-2006) | от 280 | — | не нормируется |
| Литой алюминий АК9 после Т6, кокиль (ГОСТ 1583-93) | от 245 | — | от 1,0 |
Разброс огромный: мягкая медь вытягивается почти на 40 %, а термообработанный литейный алюминий — на 1 %, хотя прочнее неё. Это общее правило: всё, что делает металл прочнее — нагартовка, закалка, легирование, — как правило, отнимает у него пластичность.
Что с этим делать на практике
- Расчёт на прочность ведут от предела текучести: если деталь начала необратимо деформироваться, она уже считается вышедшей из строя. Об этом подробнее в статьях о пределе текучести и о запасе прочности;
- Для гибки, вытяжки, штамповки смотрят на удлинение и сужение: при малых значениях металл трескается на малых радиусах;
- Соотношение текучести и прочности показывает «запас пластики»: чем ближе σт к σв, тем меньше металл успевает тянуться до разрушения;
- При приёмке сверяют цифры сертификата с требованиями стандарта на продукцию и проекта — и обращают внимание, на каком образце измерено удлинение.
Другие характеристики из той же области — в статьях о модуле упругости и об ударной вязкости, а как читать документ на партию целиком — в статье о сертификате на металлопрокат.
Миф: относительное удлинение — постоянное свойство металла, и два значения из разных сертификатов можно сравнивать напрямую. На деле цифра зависит от длины образца, потому что значительная часть удлинения набирается в шейке. Поэтому одна и та же мягкая медная труба по ГОСТ 617-2006 должна показать не меньше 38 % на коротком образце и не меньше 35 % на длинном, а сравнивать можно только значения, полученные на образцах одного типа.
Частые вопросы
Что такое диаграмма растяжения?
График, который строит испытательная машина, пока тянет образец до разрыва: по одной оси — напряжение, по другой — деформация. Из него берут все основные механические характеристики металла.
Чем предел прочности отличается от предела текучести?
Текучесть — момент, когда металл начинает тянуться необратимо. Прочность — наибольшее напряжение, которое он выдержал перед тем, как на образце образовалась шейка и начался разрыв.
Что такое относительное удлинение?
Сколько процентов составил прирост длины образца между метками к моменту разрыва. Это главный показатель пластичности в сертификате.
Что показывает относительное сужение?
Насколько в процентах уменьшилась площадь сечения в шейке. В отличие от удлинения, оно почти не зависит от длины образца.
Что значит δ5 и δ10?
Удлинение, измеренное на коротком и длинном образце. Для одного и того же металла δ5 всегда больше, поэтому сравнивают только значения с одинаковым индексом.
Что такое σ0,2?
Условный предел текучести — напряжение, при котором пластическая, необратимая часть удлинения образца доходит до 0,2 %. Его используют для металлов без явной «полки» текучести: меди, алюминия, многих легированных сталей.
Растяжение: все механические свойства из сертификата получают одним испытанием на растяжение по ГОСТ 1497-2023 — кривая показывает упругость, текучесть, упрочнение, шейку и разрыв; для расчётов берут предел текучести, физический или условный σ0,2, для оценки гибки и штамповки — удлинение δ и сужение ψ; удлинение зависит от длины образца и всегда указывается с индексом, а значения разных металлов различаются в десятки раз — от 1 % у литого алюминия до почти 40 % у мягкой меди.
Практика МТМ: весь металл на нашем складе в Санкт-Петербурге идёт с документами изготовителя на партию, где указаны механические свойства. Поможем разобраться в сертификате и подобрать марку и состояние под гибку, штамповку или нагруженную конструкцию, а также выполним гибку и термообработку. Пришлите задачу или спецификацию — подберём металл и посчитаем стоимость. Через форму на сайте или по телефону +7 (812) 409-45-58.
