Udbyttestyrke vs trækstyrke i rustfrit stål: hvorfor begge dele er vigtige for design

Hvad er forskellen mellem udbyttestyrke og trækstyrke i rustfrit stål?

Under en standardtrækprøve trækkes en prøve af rustfrit stål i en lige linje, mens belastning og forlængelse registreres og omdannes til en teknisk spændings-tøjningskurve. I den første lige-linjedel af den kurve er spænding og belastning direkte proportionale (Hookes lov), og prøven vender tilbage til sin oprindelige form, hvis belastningen fjernes - dette er det elastiske område. Når kurven bøjer væk fra den lige linje, bliver noget af deformationen permanent, og materialet er kommet ind i plastområdet. Spændingen ved den overgang er flydespændingen.

Efterhånden som belastningen fortsætter forbi udbyttet, bliver konstruktionsspændingen ved med at stige, fordi materialearbejdet-hærder (den samme mekanisme, der er beskrevet i EETA's tekniske artikel om arbejdshærdningshastighed), indtil det når en top - trækstyrken, også kaldet ultimativ trækstyrke (UTS). Ud over denne top begynder prøven at halse lokalt, den belastning, den kan understøtte, falder faktisk, selvom den sande belastning i det nakkede område bliver ved med at stige, og delen brækker. Kort sagt: Flydestyrken er grænsen for sikker, genvindelig brug; trækstyrke er grænsen for strukturel overlevelse.

Hvorfor bruger rustfrit stål 0,2% offset-metoden i stedet for et synligt flydepunkt?

Kulstofstål viser typisk et øvre og nedre flydepunkt - et synligt fald i belastning lige ved den elastiske-plastiske overgang - på grund af interstitielle atomer, der kortvarigt fastholder dislokationer. Austenitisk rustfrit stål udviser ikke denne adfærd på samme måde, og dets kurve forbi den elastiske grænse bøjes jævnt i stedet for at knække skarpt. For at få et ensartet, reproducerbart tal til design- og specifikationsformål, kræver ASTM A370 (refereret af ASTM A240) 0,2 % offset-metoden for rustfrit stål: en permanent plastisk belastning på 0,2 % defineres som den praktiske begyndelse af eftergivelse, selvom en tidligere, mindre mængde plastikbelastning teknisk set opstår før dette punkt.

Denne konvention har betydning for, hvordan du læser en mølletestrapport. "Udbyttestyrken" trykt på en 304 eller 316 MTR er altid offsetværdien på 0,2 %, medmindre en anden offset udtrykkeligt er angivet, og den er direkte sammenlignelig på tværs af kvaliteter, varme og møller, fordi hver enkelt af dem bruger den samme 0,2 % definition.

Hvordan sammenlignes udbytte og trækstyrke på tværs af familier af rustfrit stål?

Minimumværdier pr. ASTM A240 for plade/plade i udglødet tilstand og offentliggjorte mølletekniske data for varme-behandlet 410. Faktiske egenskaber varierer efter varme, produktform og tykkelse; verificere mod den specifikke mølletestrapport (MTR) før brug i design eller indkøb.

Hvorfor er udbyttet-til-trækforhold en bedre designindikator end begge tal alene?

To materialer kan have samme trækstyrke og opføre sig helt forskelligt under brug, hvis deres flydespændinger er forskellige. Et lavt Y/T-forhold betyder et stort plastikområde: materialet strækkes synligt, omfordeler lokal spænding og advarer, før det i sidste ende svigter, hvilket er en af ​​grundene til, at udglødet austenitisk rustfrit stål fungerer godt i applikationer, hvor overbelastningshændelser, seismisk aktivitet eller stødbelastning er et designproblem. Et højt Y/T-forhold betyder, at materialet bærer mere af sin styrke tæt på overfladen - nyttigt til at maksimere belastnings-bæreevne pr. vægtenhed eller tværsnit, men med mindre indbygget- duktil reserve, hvis delen nogensinde skubbes ud over sin flydegrænse.

Det er netop derfor, duplex 2205 er specificeret til vægt-følsomme eller høje-højtryksanvendelser (offshore platforme, afsaltningsrør), hvor dens højere flydespænding tillader tyndere vægsektioner til det samme designtryk, mens standard austenitiske kvaliteter forbliver standardvalget for generel fremstilling, hvor duktilitet, svejsningsevne er større end en bred svejsningssektion og en bred svejsesektion.

Hvordan bruger designkoder som ASME og ASTM faktisk udbytte vs trækstyrke?

Både ASME Sektion VIII (trykbeholdere) og ASME B31.3 (procesrør) bygger deres tilladte spændingstabeller ud fra den samme underliggende logik: Trækstyrke styrer en sikkerhedsfaktor mod brud, og flydestyrke styrer en sikkerhedsfaktor mod uacceptabel permanent deformation. For de fleste kulstof- og lav-legerede ståltyper er tilladt spænding begrænset til næsten to-tredjedele af flydespændingen. Austenitisk rustfrit stål og lignende nikkellegeringer behandles forskelligt, fordi deres spændings-deformationsadfærd er så duktil: ASME's obligatoriske appendiks om etablering af spændingsværdier i sektion II tillader specifikt en alternativ, højere tilladt spænding - op til 90 % af flydespændingen ved temperatur - for disse materialer, da selve deformationsproblemet er lidt længere, da selve deformationen er lidt længere ansøgning.

I praksis betyder dette, at en 304- eller 316-trykkomponent ofte kan designes til en højere brøkdel af dens flydespænding, end en tilsvarende kulstofstålkomponent ville være, hvilket delvist opvejer rustfrit ståls lavere absolutte flydespænding sammenlignet med duplex eller varme-behandlede martensitiske kvaliteter. Det betyder også, at den tilladte spændingsværdi, der er trykt i en ASME-kodetabel, aldrig blot er "flydestyrke" eller "trækstyrke" i sig selv - det er en kode-defineret kombination af begge, filtreret gennem en sikkerhedsfaktor, der adskiller sig efter materialefamilie.

Ændrer koldt arbejde forholdet mellem udbytte og trækstyrke?

Som en detaljeret artikel om arbejdshærdningshastigheden for austenitisk rustfrit stål, har kvaliteter som 301 og 304 en høj belastnings-hærdningseksponent (n-værdi), hvilket betyder, at strømningsspændingen stiger stejlt med plastisk belastning. Fordi flydespænding måles meget tidligt i den kurve, og trækstyrke måles ved toppen, hæver den tidlige, stejle del af kurven flydestyrken proportionalt mere, end den øger den allerede-høje trækstyrke. En kold-valset fuld-hård 301 kan f.eks. nå en flydespænding, der nærmer sig dens trækstyrke, hvilket betyder, at der er meget lidt ekstra belastning til rådighed mellem "begynder at deformere" og "fejler" - en direkte, praktisk konsekvens af den samme TRIP og forskydning-hærdende mekanismer, der gør{12 det hårde{12 stål til at arbejde{12} på stedet}.

Dette er en nøgleårsag til, at hærdet rustfri strimmel (1/4 hård, 1/2 hård, fuld hård i henhold til ASTM A666) er specificeret ved temperament snarere end efter kvalitet alene: de mekaniske egenskaber, og specifikt udbyttet-til-trækforholdet, ændres væsentligt inden for en enkelt grad, afhængigt af hvor meget koldt arbejde, der allerede er blevet brugt før delen.

Hvilken ejendom skal drive materialevalg til en given applikation?

Trykbeholdere, rør og strukturelle komponenter

For komponenter under vedvarende eller cykliske driftsbelastninger er - rør, flanger, fartøjsskaller, strukturelle beslag - flydestyrken den primære designdriver, fordi permanent deformation, uanset hvor lille den er, repræsenterer en funktionsfejl, selvom delen ikke er sprængt. Den gældende designkode (ASME Sektion VIII, ASME B31.3 eller tilsvarende) anvender derefter sin egen sikkerhedsfaktorlogik, der henviser til trækstyrke som en sekundær kontrol mod brud.

Påvirkning, overbelastning og energi-absorberende applikationer

For komponenter, der kan opleve lejlighedsvise overbelastning, stød eller seismiske hændelser, er - fangemekanismer, autoværn, visse bil- og transportkomponenter - området under hele spændingen-belastningskurven op til brud (en kombination af styrke og forlængelse) af større betydning end udbyttestyrke alene, fordi et materiale med en bred Y/T-margin absorberer mere. Det er her, at en austenitisk kvalitet med lavt-Y/T-forhold ofte klarer sig bedre end et alternativ med højere-udbytte, men lavere-duktilitet, selvom dets udbyttestyrketal ser mindre ud på et dataark.

Befæstelser og bolteforbindelser

Boltning anvender begge egenskaber på en anden måde: Sikkerhedsbelastning (nært relateret til flydespænding) styrer, hvor meget forspænding en fastener sikkert kan holde uden permanent strækning, mens trækstyrke, testet under en højere sikkerhedsfaktor i henhold til ASME-kodens krav til boltemateriale, styrer den ultimative kapacitet mod fastgørelsesfejl. At vælge fastgørelseselementkvalitet og materiale alene ud fra trækstyrke uden at kontrollere udbyttebaseret-forbelastningskapacitet er en almindelig specifikationsfejl.

Ofte stillede spørgsmål

Q: Er en højere flydespænding altid bedre i rustfrit stål?

A: Ikke automatisk. En højere flydespænding tillader en tyndere sektion eller lettere komponent til den samme belastning, men den kommer normalt med et højere Y/T-forhold og mindre duktil margin før brud. Det rigtige valg afhænger af, om applikationsværdierne maksimal styrke pr. vægtenhed (begunstiger duplex eller kold-bearbejdede kvaliteter) eller maksimal duktil reserve og tilgivelse under overbelastning (begunstiger udglødede austenitiske kvaliteter).

Q: Hvorfor har 304 og 316 næsten identiske flyde- og trækstyrke?

A: Begge er austenitiske kvaliteter med en lignende flade-centreret kubisk mikrostruktur og lignende kulstof- og nitrogenindholdsområder, så ASTM A240 angiver i det væsentlige de samme minimale mekaniske egenskaber for begge i den udglødede tilstand - 205 MPa (30 ksi) minimumsudbytte og 515 MPa (75 ksi) minimum trækstyrke. Deres virkelige forskel er korrosionsbestandighed, drevet af molybdænet i 316, ikke baseline styrke.

Q: Hvorfor er duplex 2205's flydespænding så meget højere end 304's, med mindre forskel i trækstyrke?

A: Duplex 2205's omkring 50/50 austenit-ferritmikrostruktur og nitrogenlegering øger den spænding, der er nødvendig for at starte plastisk deformation, hvilket næsten udelukkende viser sig som en højere flydespænding. Trækstyrke, som kun opnås efter betydelig belastningshærdning og indsnævring, stiger med en mindre relativ mængde, hvorfor 2205's Y/T-forhold (ca. 0,73) er meget højere end 304's (ca. 0,40).

Spørgsmål: Bestemmer flydestyrke eller trækstyrke vægtykkelsen af ​​et trykrør?

A: Hverken alene - den styrende designkode (såsom ASME B31.3) beregner en tilladt spænding, der er den laveste af en brøkdel af trækstyrke (delt med en sikkerhedsfaktor på 3,5) og en brøkdel af flydespænding (typisk to-tredjedele, eller op til 90 %, alt sammen rustfrit under en specifik nikkelkode). Vægtykkelsen dimensioneres derefter til den tilladte spænding, ikke til nogen af ​​råmaterialeegenskaberne direkte.

Q: Kan varmebehandling øge flydespændingen for 304 eller 316 rustfrit stål, som det gør for 410?

A: Nej. 304 og 316 er austenitiske kvaliteter, der kun styrkes ved koldt arbejde, ikke ved varmebehandling - udglødning blødgør dem i stedet for at hærde dem. Martensitiske kvaliteter som 410 kan derimod bratkøles og hærdes for at nå udbytte- og trækstyrker langt over deres udglødede værdier, hvorfor 410's Y/T-forhold og absolutte styrke kan variere så meget afhængigt af temperament.