Ударная вязкость стали: KCU, KCV и категории проката

Сталь, которая уверенно держит расчётную нагрузку летом, зимой может лопнуть от удара или резкого рывка почти без пластической деформации — так разрушались мосты, резервуары и корпуса судов, пока не научились нормировать ударную вязкость. Сегодня эта характеристика решает, какую марку и категорию проката можно ставить в конструкцию для северного климата, крановую балку или сосуд под давлением. Разберём, что такое ударная вязкость, как её испытывают по ГОСТ 9454-78, чем отличаются KCU, KCV и KV, что означают категории в ГОСТ 27772-2021 и ГОСТ 19281-2014 и как правильно заказать прокат с нужной гарантией.

Что такое ударная вязкость

Ударная вязкость — способность металла поглощать энергию при ударном нагружении образца с надрезом. Её находят как отношение работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте надреза:

KC = K / S₀, где K — работа удара, Дж; S₀ — начальная площадь сечения под надрезом, см². Единица — Дж/см².

Испытание на растяжение показывает, как металл ведёт себя при медленном нагружении гладкого образца. Удар, надрез и холод — три фактора, которые по отдельности и особенно вместе переводят сталь в хрупкое состояние. Ударная вязкость оценивает именно этот риск: чем она выше при заданной температуре, тем больше энергии металл поглощает, прежде чем трещина пробежит через сечение.

Как проводят испытание по ГОСТ 9454-78

Стандартный образец — брусок 10 × 10 × 55 мм с надрезом посередине одной грани. Его кладут на две опоры маятникового копра надрезом от маятника и разрушают одним ударом. По высоте подъёма маятника после удара определяют работу, потраченную на излом. Испытания ведут при комнатной, пониженной или повышенной температуре: образцы заранее охлаждают или нагревают и выдерживают в ванне, а затем быстро переносят на опоры.

Обозначение	Вид концентратора	Где применяется
KCU	U-образный надрез с радиусом в вершине 1 мм	традиционные нормы для проката и машиностроительных сталей
KCV	V-образный надрез с радиусом 0,25 мм и углом 45°	строительный прокат, сосуды, трубы, сварные конструкции, международные стандарты
KCT	надрез с наведённой усталостной трещиной	особо ответственные изделия, исследование сопротивления распространению трещины

Температуру испытания указывают в обозначении верхним индексом: KCU⁻⁴⁰ — ударная вязкость на образце с U-образным надрезом при минус 40 °C, KCV⁺²⁰ — на образце с V-образным надрезом при плюс 20 °C. В документах и текстах без верхних индексов пишут KCU-40 или KCV+20. Результат партии — среднее по испытанным образцам, а стандарты на прокат допускают снижение на одном образце при условии, что среднее не ниже нормы.

KCU, KCV и KV: в чём разница

Острый V-образный надрез концентрирует напряжения сильнее, чем закруглённый U-образный, поэтому KCV у одной и той же стали всегда ниже KCU, а порог перехода в хрупкое состояние по KCV — выше. Точной формулы пересчёта KCU в KCV нет: соотношение зависит от марки, структуры и температуры. Именно поэтому в современных стандартах на строительный прокат основная гарантия — по KCV.

Европейские и международные стандарты (ISO 148-1, EN 10025) указывают не удельную величину, а саму работу удара KV в джоулях. Для стандартного образца 10 × 10 мм с надрезом глубиной 2 мм площадь под надрезом — 0,8 см², поэтому KCV = KV / 0,8. Классическое требование 27 Дж соответствует примерно 34 Дж/см², 40 Дж — 50 Дж/см².

Подгруппа по EN 10025-2	Требование KV	Пересчёт в KCV на стандартном образце
JR (например, S235JR, S355JR)	27 Дж при +20 °C	около 34 Дж/см² при +20 °C
J0	27 Дж при 0 °C	около 34 Дж/см² при 0 °C
J2	27 Дж при −20 °C	около 34 Дж/см² при −20 °C
K2	40 Дж при −20 °C	около 50 Дж/см² при −20 °C

Эта таблица помогает при замене импортной стали: по ударной вязкости S355J2 соответствует требованию KCV при −20 °C не менее 34 Дж/см², а прочностные и химические требования сверяют отдельно. Подбор российских аналогов разобран в статье об аналогах марок стали.

Порог хладноломкости

Если испытать одну сталь при разных температурах, ударная вязкость углеродистых и низколегированных сталей при охлаждении сначала снижается плавно, а затем в узком интервале резко падает. Этот интервал называют порогом хладноломкости, или критической температурой хрупкости. Выше него излом волокнистый, матовый, с заметной пластической деформацией, ниже — кристаллический, блестящий, почти без деформации.

Хладноломкость свойственна металлам с объёмно-центрированной кубической решёткой — то есть обычным углеродистым, низколегированным, ферритным и мартенситным сталям. Аустенитные нержавеющие стали вроде 12Х18Н10Т, а также алюминий, медь и никель такого резкого перехода не имеют и сохраняют вязкость при очень низких температурах — поэтому их используют в криогенной технике.

От чего зависит ударная вязкость

• Состав. Углерод, фосфор и азот повышают порог хладноломкости. Никель, марганец в умеренном количестве и микродобавки ниобия, ванадия, титана, которые измельчают зерно, — снижают. О роли элементов — в статье о легировании стали;
• Раскисление. Спокойная сталь (сп) вязче кипящей (кп) того же состава: в кипящей больше газов и неметаллических включений, поэтому для конструкций на морозе кипящую сталь не применяют;
• Размер зерна. Мелкое зерно — главный способ одновременно поднять прочность и вязкость. Его получают нормализацией, контролируемой прокаткой и микролегированием;
• Термообработка. Закалка с высоким отпуском даёт наилучшее сочетание прочности и вязкости. При неправильном режиме отпуска возможна отпускная хрупкость. Режимы разобраны в статье о термообработке;
• Толщина. Толстый прокат обычно имеет более крупное зерно в середине сечения и меньшую вязкость, поэтому нормы в стандартах дифференцированы по толщине;
• Старение и наклёп. После холодной деформации и вылёживания ударная вязкость падает — отсюда отдельное испытание после механического старения;
• Сварка. В зоне термического влияния зерно растёт, и вязкость может оказаться ниже, чем у основного металла. Для ответственных швов её подтверждают испытаниями при аттестации технологии.

Категории проката по ГОСТ 27772-2021

Для строительных стальных конструкций категория в заказе говорит, при какой температуре и на каком образце изготовитель гарантирует ударную вязкость.

Категория	Гарантируемое испытание	Категория с испытанием после механического старения
1	KCU при −20 °C	10
2	KCU при −40 °C	8
3	KCU при −70 °C	9
4	KCV при 0 °C	11
5	KCV при −20 °C	12
6	KCV при −40 °C	13
7	KCV при −60 °C	14

Нормы зависят от класса прочности и толщины. Например, для листового проката толщиной от 4 до 10 мм стандарт требует:

Класс прочности	KCU-20	KCU-40	KCU-70	KCV 0	KCV-20	KCV-40	KCU после старения
С255	29	29	—	34	34	—	29
С345	—	39	34	—	34	34	29

Значения — в Дж/см², не менее. Стандарт также устанавливает, что выполнение обязательной нормы KCV-20 для классов С255–С345 гарантирует соответствие ряду категорий без отдельных испытаний (так называемая универсальная аттестация).

Категории проката повышенной прочности по ГОСТ 19281-2014

Для проката из сталей 09Г2С, 10ХСНД, 17Г1С и других низколегированных марок система похожа, но шагов по температуре больше.

Температура испытания, °C	−20	−30	−40	−50	−60	−70
Категория с KCU	1	2	3	4	5	6
Та же KCU и испытание после механического старения	10	11	12	13	14	15

Категории 7, 8 и 9 означают испытание KCV при 0, −20 и −40 °C, а категории 16–20 — дополнительные сочетания испытаний, в том числе KCV при −5 и −60 °C только для толстолистового проката и гнутых профилей. Отсюда расшифровка привычной записи «09Г2С-12»: ударная вязкость KCU гарантирована при −40 °C и после механического старения.

Для сортового и фасонного проката класса прочности 345 толщиной до 10 мм стандарт требует KCU-40 не менее 39 Дж/см², KCU-70 — не менее 29, KCV-20 — не менее 39 Дж/см², а при толщине от 10 до 20 мм — соответственно 29, 29 и 34 Дж/см². На одном образце допускается снижение KCU на 15 % и KCV на 30 % при условии, что среднее по партии не ниже нормы.

Как ведут себя на холоде разные материалы

Сравнение качественное: конкретные значения зависят от толщины, состояния поставки и плавки, их берут из стандарта и сертификата.

Материал	Поведение при понижении температуры	Где применяют на холоде
Ст3кп (кипящая)	порог хладноломкости высокий, вязкость теряется уже при умеренном морозе	неответственные конструкции в отапливаемых помещениях
Ст3сп, Ст3пс	удовлетворительная вязкость до умеренных минусов при нормировании KCU-20	конструкции средней ответственности
09Г2С, 10ХСНД, С345	марганец, кремний и мелкое зерно сдвигают порог вниз, нормы гарантируют вплоть до −40…−70 °C	металлоконструкции, мосты, резервуары, северные районы
Улучшенные легированные стали 40Х, 40ХН, 30ХГСА	вязкость сильно зависит от режима отпуска	валы, оси, крепёж, детали машин
Аустенитная нержавейка 12Х18Н10Т, AISI 304	резкого перехода нет, вязкость сохраняется до криогенных температур	криогенное оборудование, ёмкости для сжиженных газов
Серый чугун	изначально хрупкий из-за пластинчатого графита, ударные нагрузки плохо переносит	корпусные детали без ударов
Алюминиевые и медные сплавы	порога хладноломкости нет, при охлаждении вязкость и прочность даже растут	криогенная техника, арктическое оборудование

Отдельный случай — износостойкие стали типа Hardox: при высокой твёрдости производитель указывает для них и ударную вязкость при минус 40 °C, поэтому такие стали применяют для ковшей и кузовов, работающих зимой. Подробнее о таких сталях — в разделе износостойких сталей.

Ударная вязкость и сварные соединения

Для сварных конструкций, работающих на морозе, мало заказать основной металл нужной категории — шов и околошовная зона должны держать удар не хуже. Электроды и проволоку выбирают с гарантией ударной вязкости металла шва при нужной температуре: например, электроды типа Э50А с основным покрытием дают более вязкий шов, чем рутиловые. Погонную энергию ограничивают, чтобы в зоне термического влияния не вырастало крупное зерно, а для толстого металла применяют подогрев. Как выбрать электроды под марку стали — в статье о выборе электродов.

Как выбирают ударную вязкость для конструкции

Для строительных стальных конструкций требование задаёт проектировщик по СП 16.13330.2017. Сначала по своду правил определяют группу конструкции — от наиболее ответственных, работающих на динамическую нагрузку (например, подкрановые балки), до вспомогательных. Затем берут расчётную температуру района — температуру наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98 по СП 131.13330 «Строительная климатология». По этим двум параметрам таблица В.1 свода правил даёт требуемое значение KCV и температуру испытания. После этого подбирают класс прочности и категорию проката по ГОСТ 27772 или ГОСТ 19281, которые эту гарантию обеспечивают.

Для деталей машин ударную вязкость задают в стандарте на марку: например, для 40Х по ГОСТ 4543-2016 после закалки и отпуска KCU должна быть не менее 59 Дж/см². В таких случаях важно помнить, что нормы относятся к образцам после термообработки по указанному режиму, а не к прокату в состоянии поставки.

Ударная вязкость разных сталей: качественное сравнение

Конкретные числа зависят от толщины, режима прокатки и термообработки, поэтому для расчётов берут нормы стандарта. Но общее поведение материалов на морозе стоит знать при выборе.

Материал	Поведение при понижении температуры	Типичное применение
Ст3кп	низкая вязкость уже около −20 °C, склонность к старению	неответственные конструкции в отапливаемых помещениях
Ст3сп, С245, С255	вязкость гарантируют обычно до −20 °C	конструкции умеренного климата, внутренние каркасы
09Г2С, С345	сохраняет вязкость до −40…−70 °C в зависимости от категории	северные конструкции, резервуары, мосты, трубопроводы
10ХСНД, 15ХСНД	высокая вязкость на морозе и повышенная стойкость к атмосферной коррозии	мостостроение, ответственные сварные конструкции
Улучшенные 40Х, 40ХН, 30ХГСА	высокая вязкость после закалки и высокого отпуска	валы, оси, шатуны, детали под ударную нагрузку
Аустенитные 12Х18Н10Т, AISI 304, 316	нет резкого порога хладноломкости	криогенное оборудование, ёмкости для сжиженных газов
Серый чугун	хрупкий при любой температуре из-за пластинчатого графита	корпуса и станины без ударных нагрузок

О механических характеристиках, которые нормируются вместе с ударной вязкостью, — в статьях о пределе текучести и о твёрдости стали.

Как читать ударную вязкость в сертификате

В документе о качестве указывают тип образца, температуру и результаты — иногда по каждому образцу, иногда только среднее. Проверяйте три вещи: температура испытания не выше требуемой по проекту, тип надреза тот, что указан в заказе (KCU и KCV не взаимозаменяемы), и толщина проката попадает в строку стандарта с нужной нормой. Подробно о структуре сертификата — в статье о сертификате качества на металлопрокат.

Миф: если сталь прошла испытание на растяжение и хорошо работает летом, она так же надёжна зимой. Предел текучести и временное сопротивление при охлаждении почти не падают и даже растут, а ударная вязкость углеродистой стали ниже порога хладноломкости снижается в разы. Конструкция, рассчитанная по прочности, на морозе может разрушиться хрупко от удара, концентратора у сварного шва или резкого рывка. Поэтому для каждого района строительства и типа конструкции нормируют ударную вязкость при отрицательной температуре и заказывают прокат соответствующей категории.

Частые вопросы

В чём измеряется ударная вязкость?

В Дж/см² — это работа удара, отнесённая к площади сечения образца под надрезом. В европейских стандартах вместо неё указывают работу удара KV в джоулях; для стандартного образца KCV = KV / 0,8.

Чем KCU отличается от KCV?

Формой надреза: у KCU он U-образный с радиусом 1 мм, у KCV — острый V-образный с радиусом 0,25 мм. Значения KCV ниже, а сам тест жёстче, поэтому в современных стандартах на строительный прокат основная гарантия — по KCV.

Что означает KCU-40?

Ударную вязкость, определённую на образце с U-образным надрезом при минус 40 °C. Например, норма «KCU-40 не менее 29 Дж/см²» означает, что среднее по испытанным образцам при этой температуре должно быть не меньше 29 Дж/см².

Что значит 09Г2С-12?

Это 09Г2С 12-й категории по ГОСТ 19281-2014: ударная вязкость KCU гарантирована при минус 40 °C, а также после механического старения.

Как перевести джоули в Дж/см²?

Для стандартного образца 10 × 10 мм с надрезом глубиной 2 мм разделите работу удара на 0,8 см². 27 Дж соответствуют около 34 Дж/см², 40 Дж — 50 Дж/см².

У какой стали нет порога хладноломкости?

У аустенитных нержавеющих сталей, например 12Х18Н10Т и AISI 304, а также у алюминия, меди и никеля. Их кристаллическая решётка не даёт резкого перехода в хрупкое состояние, поэтому они сохраняют вязкость при очень низких температурах.

Почему ударная вязкость падает после механического старения?

После холодной деформации — гибки, правки, вальцовки — и последующего вылёживания или небольшого нагрева атомы углерода и азота блокируют подвижность дислокаций, и сталь охрупчивается. Поэтому для конструкций, где металл гнут в холодном состоянии, заказывают категорию с испытанием после механического старения.

Излом: ударная вязкость — работа удара на образце с надрезом, отнесённая к площади сечения, в Дж/см², испытание по ГОСТ 9454-78; KCV на остром надрезе жёстче KCU, а KV в джоулях пересчитывают делением на 0,8 см²; углеродистые и низколегированные стали ниже порога хладноломкости разрушаются хрупко, аустенитные — нет; нужное значение определяют по группе конструкции и расчётной температуре через таблицу В.1 СП 16.13330, а гарантию закладывают категорией проката по ГОСТ 27772-2021 или ГОСТ 19281-2014.

Практика МТМ: на складе в Санкт-Петербурге — листовой, сортовой и фасонный прокат из Ст3 и 09Г2С, двутавровая балка, стальные трубы и нержавеющий прокат для низких температур с документами о качестве. Подберём марку и категорию под требования проекта, порежем и сварим детали. Укажите в заявке класс прочности, категорию по ударной вязкости и толщину — отправить её можно через форму на сайте или по телефону +7 (812) 409-45-58.