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.