Предел прочности стали: таблица по маркам и ГОСТ

Что такое предел прочности стали

Предел прочности — наибольшее напряжение, которое выдерживает образец стали при растяжении перед разрушением. В российских стандартах эта характеристика называется временным сопротивлением и обозначается σв, в ГОСТ ISO 6892-1 и европейских стандартах — Rm. Считают её просто: наибольшую нагрузку, зафиксированную при испытании, делят на начальную площадь поперечного сечения образца.

σв = F_max / S₀

Здесь F_max — наибольшая нагрузка перед разрывом, Н; S₀ — начальная площадь сечения образца, мм². Предел прочности стали измеряют в мегапаскалях: 1 МПа = 1 Н/мм², поэтому числа в ГОСТ и в справочниках совпадают. В старых стандартах встречаются кгс/мм²: 1 кгс/мм² ≈ 9,81 МПа.

Пример. Стандартный круглый образец диаметром 10 мм имеет сечение 78,5 мм². Если при испытании он выдержал наибольшую нагрузку 47 кН, предел прочности стали — 47 000 / 78,5 ≈ 599 МПа. Для стали 45 после нормализации ГОСТ 1050-2013 требует от 600: такой результат на границе нормы, и материал стоит перепроверить на втором образце.

Предел прочности и предел текучести

Прочность материала описывают не одним показателем. При растяжении образца машина записывает диаграмму «нагрузка — деформация», и по ней определяют несколько механических характеристик. Чаще всего путают две:

У конструкционных сталей предел текучести всегда ниже предела прочности: у стали 20 после нормализации — 245 против 410 МПа, у стали 45 — 355 против 600. После закалки они сближаются: у 40Х по ГОСТ 4543-2016 — 785 против 980. Чем ближе предел текучести к пределу прочности, тем меньше у материала запас пластичности: деталь из такого металла разрушается вскоре после начала деформации. Пластичность показывают ещё два показателя испытания: относительное удлинение δ5 — насколько вытянулся образец к разрыву, и относительное сужение ψ — насколько уменьшилась площадь сечения в шейке.

Предел прочности не говорит о том, насколько деталь прогнётся под нагрузкой: жёсткость задаёт модуль упругости стали, и у всех конструкционных сталей он почти одинаков — около 206 ГПа.

Таблица пределов прочности сталей по маркам

Значения — минимальные нормы стандартов на металлопродукцию: материал с меньшей прочностью ГОСТ не соответствует. Механические свойства зависят от состояния образца, поэтому для каждой группы сталей указано, после какой обработки норма действует.

Для металлопродукции размером свыше 80 мм ГОСТ 1050-2013 допускает снижение показателей пластичности. Легированные стали по ГОСТ 4543-2016 испытывают после закалки и отпуска по режиму стандарта: в состоянии поставки без термообработки прочность у них ниже. Как читать обозначения марок — в статье о марках стали, зарубежные аналоги — в подборщике аналогов марок стали.

Предел прочности сталей Ст3, 20, 45, 40Х, 09Г2С, 12Х18Н10Т

По этим маркам вопросов больше всего: они идут на металлоконструкции, валы, оси, крепёж и корпуса. Значения ниже — по тем же стандартам, но с подробностями, которых нет в общей таблице.

Сталь Ст3

Углеродистая сталь обыкновенного качества по ГОСТ 535-2005 — основная марка для сварных конструкций, швеллера, уголка и круга. Временное сопротивление Ст3сп — 380–490 МПа при толщине до 10 мм и 370–480 МПа при большей толщине; у Ст3пс — 370–480, у кипящей Ст3кп — 360–460. Предел текучести Ст3сп падает с толщиной:

Верхнюю границу временного сопротивления стандарт разрешает превысить на 49 МПа, а по согласованию с потребителем — без ограничения, если остальные показатели в норме. Поэтому для сварной конструкции важнее нижняя граница и предел текучести: по ним и ведут расчёт.

Сталь 20

Качественная низкоуглеродистая сталь по ГОСТ 1050-2013 — для труб, фланцев, крепежа и деталей под цементацию. На нормализованных образцах: предел прочности от 410 МПа, предел текучести — 245, сужение — 55 %. Сталь 20 хорошо сваривается и гнётся, но закалкой её прочность почти не поднимают: для твёрдой поверхности детали из неё цементуют, а для высокой прочности сердцевины используют другие стали.

Сталь 45

Среднеуглеродистая сталь по ГОСТ 1050-2013 — для валов, осей, шестерён и пальцев. После нормализации: предел прочности от 600 МПа, текучести — 355. После закалки с высоким отпуском прочность выше и зависит от сечения — сердцевина толстого прутка прокаливается хуже:

Режим этой обработки — закалка с 820–860 °C и отпуск при 550–600 °C; подробно — в статье об отпуске стали.

Сталь 40Х

Хромистая легированная сталь по ГОСТ 4543-2016 — для нагруженных валов, осей, шатунов, болтов. Норма задана на образцах после закалки с 860 °C в масле и отпуска при 500 °C: предел прочности от 980 МПа, текучести — 785, сужение — 45 %, ударная вязкость KCU — 59 Дж/см². Без термообработки 40Х такой прочности не имеет: хром повышает прокаливаемость, и ради этого сталь и выбирают под закалку.

Сталь 09Г2С

Низколегированная сталь повышенной прочности по ГОСТ 19281-2014 — для металлоконструкций, сосудов и деталей, которые работают на холоде. Её поставляют по классам прочности: номер класса — гарантированный предел текучести. Сталь сохраняет ударную вязкость при минусовых температурах, поэтому её используют там, где условия эксплуатации холодные. По приложению А стандарта 09Г2С обеспечивает классы от 265 до 375 в зависимости от вида и толщины проката. Нормы самых ходовых классов:

Поэтому в заказе 09Г2С указывают не только марку, но и класс прочности: «лист 09Г2С класса 345» — гарантия предела текучести 345 МПа и прочности 490 МПа.

Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т

Аустенитная коррозионностойкая сталь по ГОСТ 5949-2018. После закалки с 1020–1100 °C: предел прочности от 510 МПа, условный предел текучести σ0,2 — 196, сужение — 55 %. Предел текучести у неё почти втрое ниже прочности: сталь очень пластична, хорошо гнётся и вытягивается, но под нагрузкой деформируется раньше конструкционных сталей той же прочности. Её выбирают за коррозионную стойкость в агрессивной среде, а не за прочность.

От чего зависит предел прочности стали

Марка задаёт химический состав, но конкретная прочность металла в детали зависит ещё от структуры, обработки, размера и условий эксплуатации. Главные факторы:

• Химический состав и содержание углерода. Чем больше углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. По ГОСТ 1050-2013 предел прочности нормализованной стали растёт от 320 у стали 08 (около 0,08 % углерода) до 680 МПа у стали 60, а пластичность падает почти втрое. Сера и фосфор в составе, наоборот, снижают вязкость, поэтому их содержание ограничивают.
• Структура. Феррит мягкий и пластичный, перлит прочнее, мартенсит после закалки — самый прочный и твёрдый. Мелкое зерно повышает и прочность, и вязкость. Любая обработка, которая влияет на структуру, меняет и механические характеристики металла.
• Легирующие элементы. Хром, никель, марганец, кремний, молибден упрочняют сталь и, что более важно, позволяют закалить её на большую глубину. Поэтому 40Х, 30ХГСА, 40ХН2МА после термообработки дают 980–1080 МПа, а углеродистая сталь 45 — до 850 МПа.
• Термическая обработка. Закалка резко повышает прочность и твёрдость, отпуск после неё обменивает часть прочности на вязкость. Сталь 45: 600 МПа после нормализации и 700–850 МПа после закалки с высоким отпуском. Режимы по маркам — в таблице температур закалки стали.
• Размер сечения. Толстая заготовка медленнее охлаждается при закалке и прокаливается не насквозь, поэтому нормы снижаются с сечением: у той же стали 45 — от 700–850 при диаметре до 16 мм до 630–780 МПа при 40–100 мм. Предел текучести горячекатаной Ст3сп с толщиной падает с 255 до 205.
• Холодная пластическая деформация. Волочение и холодная прокатка упрочняют металл наклёпом. Углеродистая пружинная проволока по ГОСТ 9389-75 диаметром 1 мм имеет временное сопротивление до 2 740 МПа — подробно в статье о пружинной проволоке.
• Температура эксплуатации. При высоких температурах предел прочности углеродистых и низколегированных сталей снижается, поэтому для деталей, которые работают в нагреве, используют жаропрочные стали с нормами при рабочей температуре. На холоде прочность сохраняется, но сталь может стать хрупкой — для таких условий нормируют ударную вязкость при минусовой температуре.
• Дефекты и состояние поверхности. Неметаллические включения, обезуглероженный слой, риски и надрезы снижают фактическую прочность детали: разрушение начинается с них.

Предел прочности чугуна, алюминия и меди в сравнении со сталью

В марке чугуна прочность записана прямо в названии. По ГОСТ 1412-85 серый чугун с пластинчатым графитом выпускают марок СЧ10–СЧ35: число — предел прочности при растяжении в кгс/мм², то есть от 100 до 350 МПа. Чугун с шаровидным графитом по ГОСТ 7293-85 прочнее — марки ВЧ35–ВЧ100, от 350 до 1000 МПа.

Серый чугун уступает стали не только прочностью при растяжении, но и пластичностью: образец рвётся почти без удлинения и без шейки. Зато он хорошо работает на сжатие, гасит вибрации и легко отливается, поэтому из него делают станины, корпуса и крышки. Высокопрочный чугун по прочности сопоставим с углеродистой сталью, и отливка из него иногда заменяет стальную поковку.

Чистый алюминий и медь по пределу прочности значительно уступают конструкционной стали, а прочные алюминиевые сплавы после термоупрочнения сравнимы с низкоуглеродистой сталью. Зато алюминий почти втрое легче: плотность около 2,7 г/см³ против 7,85 г/см³ у стали. Поэтому материалы для лёгких конструкций сравнивают по удельной прочности — пределу прочности, делённому на плотность: по ней алюминиевые сплавы и титан выигрывают у обычной стали. Медь и её сплавы выбирают за электропроводность и коррозионную стойкость, а не за прочность.

Как определяют предел прочности: испытание на растяжение

Предел прочности не рассчитывают по составу и не измеряют на готовой детали — его определяют испытанием на растяжение по ГОСТ 1497-84 или ГОСТ ISO 6892-1-2020. Порядок такой:

1. Отбор пробы. Заготовку вырезают из металлопродукции, поковки или отливки по правилам стандарта на продукцию; для термообработанных сталей — после обработки по заданному режиму.
2. Изготовление образца. Из пробы вытачивают круглый или вырезают плоский образец: рабочая часть заданного диаметра, головки под захваты машины. Начальную расчётную длину размечают — по ней потом считают удлинение.
3. Растяжение. Образец зажимают в захваты разрывной машины и растягивают с заданной скоростью до разрыва. Оборудование записывает диаграмму, а деформацию на участке упругости измеряет экстензометр.
4. Расчёт. По диаграмме находят нагрузку текучести и наибольшую нагрузку, делят на начальную площадь сечения — получают σт и σв. Обломки складывают и измеряют конечную длину и диаметр шейки — получают показатели пластичности.
5. Протокол. Результаты сравнивают с нормой ГОСТ, ТУ или сертификата и оформляют протоколом испытаний.

Для быстрой оценки прочности без разрушения детали измеряют твёрдость: для сталей твёрдость по Бринеллю и предел прочности связаны приблизительной зависимостью. Таблица соответствия и ограничения пересчёта — в калькуляторе перевода твёрдости HRC, HB и HV. Для протокола и спорных случаев пересчёт не заменяет испытания на растяжение.

Предел прочности в расчёте и приёмке деталей

Конструктор выбирает марку стали по нагрузке, а технолог и ОТК проверяют, что металл ей соответствует. На каждом шаге предел прочности играет свою роль:

• Расчёт на прочность. Максимальное напряжение в детали сравнивают с допускаемым. Допускаемое берут с запасом от предела текучести, если деталь не должна деформироваться, или от предела прочности, если оценивают запас до разрушения. Для хрупких материалов, у которых площадки текучести нет, расчёт ведут от предела прочности. Запас выбирают по условиям эксплуатации конструкции: циклическая и ударная нагрузка требуют большего.
• Выбор марки и обработки. Если расчётное напряжение не укладывается в нормализованную сталь 45, переходят на её закалку с отпуском или на легированную 40Х. Габарит и массу детали при этом можно сохранить.
• Обозначение в чертеже. Марку пишут вместе со стандартом — «Сталь 45 ГОСТ 1050-2013», а требование к прочности, если оно важно, — в технических требованиях: твёрдость после термообработки или временное сопротивление.
• Входной контроль. Сертификат на металл содержит механические свойства, определённые изготовителем. Для ответственных деталей их подтверждают выборочным испытанием образцов из партии: так ловят пересортицу и металл, не прошедший заявленную обработку.

Если деталь проходит закалку и отпуск, прочность после обработки проверяют так же — на образцах-свидетелях из той же плавки, обработанных вместе с деталями.

Испытания на растяжение в технопарке ЗЭМ

Испытательная лаборатория технопарка выполняет физико-механические испытания металлов и сварных соединений и выдаёт протокол с заключением о соответствии ГОСТ или ТУ.

• Разрывные машины усилием от 50 до 1000 кН — растяжение, сжатие, статический изгиб; подробно — на странице механических статических испытаний.
• Предел текучести, предел прочности, удлинение и сужение по ГОСТ 1497-84 и ГОСТ ISO 6892-1-2020; ударная вязкость и твёрдость — в той же лаборатории.
• Образцы изготавливают на станках технопарка, если у заказчика их нет: достаточно передать пробу металла или деталь.

В заявке укажите марку стали и стандарт, вид продукции и размер, состояние (поставка или после термообработки), количество образцов и норму, на соответствие которой нужно заключение.