Механические свойства металла: предел текучести, временное сопротивление, удлинение, сужение и твёрдость

Откуда берутся цифры

Механические свойства не вычисляют по марке — их измеряют на образцах. Для прочности и пластичности это статическое испытание на растяжение: образец тянут до разрыва, записывают усилие и удлинение, а потом пересчитывают их в напряжения и проценты.

Методику задаёт ГОСТ 1497-2023 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». Он введён с 01.07.2024 взамен ГОСТ 1497-84, в основу положен ISO 6892-1:2019, но стандарт ему не идентичен. Область — чёрные и цветные металлы толщиной или диаметром от 3,0 мм при температуре от 10 до 35 °C (п. 1.1). Проволоку, трубы и тонкий прокат до 3 мм испытывают по ГОСТ 10446, ГОСТ 10006 и ГОСТ 11701 (п. 1.2).

Нормы — какие значения должны получиться — задаёт не ГОСТ 1497, а стандарт на продукцию: технические условия на прокат, поковку, крепёж. ГОСТ 1497-2023 отвечает только на вопрос «как измерить».

Характеристики прочности

Все они — напряжения, то есть усилие, делённое на начальную площадь сечения образца. Единица — Н/мм², она же МПа.

Физический предел текучести есть не у всех металлов: на диаграмме у них видна площадка, когда образец тянется почти без роста усилия. Верхний предел — максимум перед первым падением усилия, нижний — наименьшее напряжение на площадке без учёта начальных переходных эффектов. Если площадки нет, определяют условный предел текучести — напряжение, при котором остаточное удлинение достигло 0,2 %. Нормативные документы могут задать другой допуск: стандарт допускает от 0,005 до 1 %, а условные пределы с допуском 0,005–0,05 % допускается называть пределами упругости (примечание к п. 3.19.3).

В стандартах на прокат и в марочниках встречаются старые обозначения: σв — временное сопротивление, σт — предел текучести. Так записана, например, таблица 3 ГОСТ 5949-2018 на нержавеющую сталь. Буквы ISO в приложении А ГОСТ 1497-2023 — Rm, ReH, ReL, Rp — обозначают те же величины; сравнивать можно, если совпадают метод и вид предела текучести.

Перевод единиц — по примечанию к п. 3.19: 1 кгс/мм² = 9,80665 Н/мм², 1 МПа = 1 Н/мм². Старые 60 кгс/мм² — это 60 × 9,80665 = 588 МПа.

Пластичность: удлинение и сужение

Относительное удлинение после разрыва — приращение расчётной длины образца после разрыва, отнесённое к начальной расчётной длине (п. 3.8.1). Обозначение обязательно дополняют индексом длины образца: стандарт применяет пропорциональные цилиндрические образцы с расчётной длиной l0 = 5d0 и l0 = 10d0 (приложение Б). Отсюда δ5 и δ10: на коротком образце удлинение после разрыва больше, потому что доля шейки в расчётной длине выше, поэтому сравнивать их нельзя.

Относительное сужение — разность начальной и минимальной площади сечения после разрыва, отнесённая к начальной площади (п. 3.17). По ISO оно обозначено Z, в стандартах на прокат — ψ.

Если образец разорвался близко к метке — в пределах трети расчётной длины — и удлинение не выходит на норму, стандарт допускает пересчитать его, отнеся место разрыва к середине (п. 7.6.3).

Пример: протокол испытания образца

Цилиндрический образец d0 = 10 мм, l0 = 50 мм (пять диаметров). Наибольшее усилие перед разрушением — 47 100 Н, длина после разрыва — 61 мм, диаметр шейки — 6,0 мм.

• Площадь сечения: F0 = π · 10² / 4 = 78,54 мм². По таблице 2 ГОСТ 1497-2023 площадь от 20 до 100 мм² округляют до 0,1 — получаем 78,5 мм².
• Временное сопротивление: 47 100 / 78,5 = 600,0 → 600 Н/мм²; пределы и временное сопротивление округляют до целого (таблица 5).
• Удлинение: (61 − 50) / 50 · 100 = 22,0 → δ5 = 22,0 %; выше 10 % удлинение округляют до 0,5 %.
• Сужение: Fк = π · 6,0² / 4 = 28,27 мм², (78,5 − 28,27) / 78,5 · 100 = 64,0 → ψ = 64 %, округление до 1 %.

Начальную площадь стандарт велит брать как наименьшую из измеренных минимум в трёх местах (п. 6.1.2) — поэтому диаметр образца меряют по длине, а не один раз.

Как читать нормы в сертификате и ТУ

В стандарте на продукцию свойства задаются минимальными значениями и привязаны к состоянию металла. Пример — таблица 3 ГОСТ 5949-2018: нормы на образцах после закалки с 1020–1100 °C с охлаждением на воздухе, в масле или в воде.

Отсюда три правила чтения:

• «Не менее» — это порог приёмки, а не свойство марки. Фактические значения в сертификате партии могут быть выше нормы, но на следующую партию гарантирована только норма.
• Состояние имеет значение. Нормы ГОСТ 5949-2018 даны на образцах после закалки; у металла в другом состоянии или по другому стандарту они другие. Как выбрать между этими марками — в статье «08Х18Н10 или 12Х18Н10Т».
• Прочерк в таблице ГОСТ 5949-2018 означает, что показатель не нормируется и не контролируется.

У крепежа свойства заложены прямо в класс прочности. По таблице 3 ГОСТ ISO 898-1-2014 у класса 8.8 номинальное временное сопротивление 800 МПа, условный предел текучести 640 МПа: первая цифра × 100 — Rm, вторая × 10 — доля предела текучести от Rm. Как от этих чисел перейти к усилию и моменту затяжки — в статье «Момент затяжки болтов».

Твёрдость: как записывают результат

Твёрдость не выводится из испытания на растяжение — её мерят вдавливанием наконечника, и результат без условий испытания неполон.

По Бринеллю (ГОСТ 9012-59) запись состоит из числа твёрдости, символа, диаметра шарика, усилия в кгс и, если выдержка отличается от 10–15 с, времени: «250 HB 5/750» — шарик 5 мм, усилие 750 кгс. Без индексов пишут только при шарике 10 мм, усилии 3000 кгс и выдержке 10–15 с: «185 HB». Символ HBW — твердосплавный шарик, он обязателен для твёрдости выше 450 единиц; стандарт распространяется на металлы твёрдостью до 650 единиц. С 30.09.2026 введён ГОСТ Р 8.1038-2024 на метод Бринелля, он содержит требования ISO 6506-1:2014, поэтому метод и стандарт измерения в договоре и на чертеже указывайте явно.

По Роквеллу (ГОСТ 9013-59) шкала задаёт наконечник и усилие (таблица 1):

Запись — число и шкала: «61,5 HRC». Какой метод выбрать для детали, какая нужна толщина образца и почему шкалы не пересчитываются точно — в статье «Твёрдость HRC, HB, HV».

Ударную вязкость — работу разрушения образца с надрезом — определяют отдельным испытанием на ударный изгиб; в этой статье её не разбираем.

Типичные ошибки

• Сравнивают δ5 и δ10 или удлинение по ISO без индекса длины с δ5 из ГОСТ на прокат.
• Путают условный и физический предел текучести. Для металла без площадки текучести в протоколе — условный предел при допуске 0,2 %, если иной допуск не задан нормативом.
• Берут кгс/мм² за МПа. Разница почти в десять раз: 1 кгс/мм² = 9,80665 МПа.
• Сверяют сертификат с нормой другого состояния. Нормы для закалённых образцов не применимы к металлу в состоянии поставки без термообработки, и наоборот.
• Ищут твёрдость по пределу прочности. Связь эмпирическая и зависит от материала; твёрдость, указанную на чертеже, мерят той шкалой, что указана.

Как связаны марка, свойства и выбор стали под задачу — в статье «Как выбрать сталь под задачу»; аналоги марок по AISI и EN — в конвертере марок стали.