스테인레스강의 항복 강도와 인장 강도: 두 가지 모두 설계에 중요한 이유 - 지식

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항복 강도는 스테인리스강 부품이 영구적으로 변형되기 시작하는 응력을 나타냅니다. 인장 강도는 파손되기 전에 견딜 수 있는 최대 응력을 나타냅니다. 설계 코드는 항복 강도를 사용하여 안전한 작동 한계를 설정하고 인장 강도를 사용하여 최종 실패 한계 -를 설정합니다. 두 가지 질문에 답하기 때문에 둘 다 중요합니다.

어닐링된 304 및 316은 ASTM A240에 따라 약 205MPa(30ksi)의 최소 항복 강도와 약 515MPa(75ksi)의 최소 인장 강도를 가지며, 항복-대-인장(Y/T) 비율은 0.40 - '굽히기 시작'과 '파단' 사이의 넓은 여유를 제공합니다.

듀플렉스 2205는 항복 강도(최소 450MPa/65ksi)를 거의 3배로 늘리는 동시에 인장 강도를 약 620MPa(90ksi)까지만 높이므로 Y/T 비율을 대략 0.73 - 더 높은 원시 강도로 밀어넣지만 파손 전 플라스틱 마진은 더 좁아집니다.

스테인리스강은 날카로운 항복점을 나타내지 않기 때문에 ASTM과 ASME 모두 응력- 변형률 곡선에서 시각적으로 식별 가능한 무릎 대신 0.2% 오프셋(내력) 방법을 사용하여 항복 강도를 정의합니다.

ASME 섹션 II 파트 D는 허용 응력을 인장 강도를 3.5 또는 2{1}}항복 강도의 2/3로 나눈 값으로 설정합니다.

항복 강도는 재료가 탄성(완전히 회복 가능한) 변형에서 소성(영구) 변형으로 전환되는 응력입니다. 인장 강도는 재료가 목이 부러지고 파손되기 전에 재료가 도달하는 최대 응력입니다. 항복 강도는 스테인리스 부품이 구부러지기 시작하고 구부러진 상태를 유지하는 시기를 알려줍니다. 인장 강도는 -이 파손되기 전에 견딜 수 있는 절대 하중을 말하며 안전한 설계에는 하나가 아닌 두 숫자가 모두 필요합니다.

Yield Strength vs Tensile Strength in Stainless Steel

표준 인장 시험 중에 스테인리스강 시편을 직선으로 당기면서 하중과 신장률을 기록하고 공학적 응력-변형률 곡선으로 변환합니다. 첫 번째, 해당 곡선의 직선 부분-에서는 응력과 변형률이 정비례하고(훅의 법칙) 하중이 제거되면 시편이 원래 모양으로 돌아갑니다. - 이것이 탄성 영역입니다. 곡선이 직선에서 멀어지면 변형의 일부가 영구적이 되고 재료는 소성 영역에 들어갑니다. 해당 전환 시 응력이 항복 강도입니다.

하중이 항복을 넘어서 계속 진행됨에 따라 재료 가공이 -최대 인장 강도(UTS)라고도 하는 인장 강도의 정점에 도달할 때까지 경화되기 때문에(가공 경화율에 대한 EETA의 기술 문서에서 다루는 것과 동일한 메커니즘) 엔지니어링 응력이 계속 증가합니다. 이 피크를 넘어서면 시편이 국부적으로 넥킹을 시작하고, 넥킹 영역의 실제 응력이 계속 상승하고 부품이 파손되더라도 실제로 지지할 수 있는 하중은 떨어집니다. 즉, 항복강도는 안전하고 회복 가능한 사용의 경계입니다. 인장 강도는 구조적 생존의 경계입니다.

오스테나이트계 스테인리스강은 저-탄소강이 - 응력을 받는- 변형률 곡선이 FCC 결정 구조와 높은 작업-경화율-로 인해 점진적으로 구부러지는 날카롭고 시각적으로 분명한 항복점을 나타내지 않습니다. 따라서 ASTM과 ASME는 대신 0.2% 오프셋(내력) 구조를 사용하여 항복 강도를 정의합니다. 즉, 탄성 기울기에 평행한 선을 그리고 0.2% 변형률만큼 오프셋한 다음 곡선이 교차하는 응력을 읽습니다. 실제 곡선.

탄소강은 일반적으로 격자간 원자가 일시적으로 고정하는 전위로 인해 탄성-소성 전이-에서 바로 상부 및 하부 항복점 -하중의 눈에 띄는 감소를 나타냅니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 이러한 거동을 동일하게 나타내지 않으며, 탄성한계를 넘어서는 곡선이 급격하게 꼬이기보다는 부드럽게 휘어집니다. 설계 및 사양 목적을 위해 일관되고 재현 가능한 수치를 얻으려면 ASTM A370(ASTM A240 참조)에서는 스테인레스강에 대해 0.2% 오프셋 방법을 요구합니다. 0.2%의 영구 소성 변형은 기술적으로 해당 지점 이전에 더 일찍, 더 적은 양의 소성 변형이 발생하더라도 실질적인 항복 시작으로 정의됩니다.

이 규칙은 밀 테스트 보고서를 읽는 방법에 중요합니다. 304 또는 316 MTR에 인쇄된 "항복 강도"는 다른 오프셋이 명시적으로 명시되지 않는 한 항상 0.2% 오프셋 값이며, 등급, 히트 및 밀이 모두 동일한 0.2% 정의를 사용하기 때문에 직접 비교할 수 있습니다.

오스테나이트 등급(304, 316)은 항복 강도가 가장 낮지만 인장 강도가 편안하고 둘 사이의 간격이 넓습니다. 듀플렉스 2205는 인장 강도의 상대적 이득이 훨씬 적으면서 오스테나이트 등급의 항복 강도를 대략 두 배 또는 세 배로 늘립니다. 마르텐사이트 410은 어닐링된 상태에서 오스테나이트와 유사하게 시작되지만 -냉간 가공으로만 강화할 수 있는 모든 등급보다 훨씬 높은 항복 및 인장 값으로 열처리될 수 있습니다.
등급	가족	최소 항복 강도(0.2% 오프셋)	최소 인장강도	최소 연장	대략. Y/T 비율
304 (어닐링)	오스테나이트계	205MPa(30ksi)	515MPa(75ksi)	40%	~0.40
316 (어닐링)	오스테나이트계	205MPa(30ksi)	515MPa(75ksi)	40%	~0.40
316L(어닐링)	오스테나이트계(저-탄소)	170MPa(25ksi)	485MPa(70ksi)	40%	~0.35
2205 (어닐링)	듀플렉스	450MPa(65ksi)	620MPa(90ksi)	25%	~0.73
410 (어닐링)	마르텐사이트	205MPa(30ksi)	450MPa(65ksi)	20%	~0.46
410 (담금질 및 템퍼링)	마르텐사이트(열-처리)	성질이 급격하게 상승합니다.	760 – 1,515MPa(110 – 220ksi), 온도-에 따라 다름	힘이 증가하면 떨어집니다.	더 높은 - 일반적으로 0.7+

어닐링된 상태의 판/시트에 대한 ASTM A240 및 열처리된 410에 대해 공개된 공장 기술 데이터에 따른 최소값-. 실제 특성은 열, 제품 형태 및 두께에 따라 다릅니다. 설계 또는 조달에 사용하기 전에 특정 밀 테스트 보고서(MTR)와 비교하여 확인하십시오.

항복-대-인장(Y/T) 비율 - 항복 강도를 인장 강도로 나눈 값-은 재료가 변형되기 시작하는 지점과 파손되는 지점 사이에 얼마나 많은 예비 강도와 연성이 있는지를 측정합니다. 낮은 Y/T 비율(예: 어닐링된 304의 ~0.40)은 재료가 파손되기 전에 상당한 경고와 마진을 제공한다는 것을 의미하는 반면, 높은 Y/T 비율(예: 듀플렉스 2205의 ~0.73)은 예비력 중 더 많은 부분이 이미 사용 가능한 강도로 변환되어 더 좁은 -를 남기지만 종종 여전히 적절한 - 마진을 파괴할 수 있음을 의미합니다.

Why Is the Yield-to-Tensile Ratio a Better Design Indicator Than Either Number Alone

두 재료는 동일한 인장 강도를 가질 수 있으며 항복 강도가 다를 경우 사용 시 완전히 다르게 동작할 수 있습니다. 낮은 Y/T 비율은 큰 소성 영역을 의미합니다. 재료가 눈에 띄게 늘어나고 국부 응력을 재분배하며 궁극적으로 파손되기 전에 경고를 제공합니다. 이는 어닐링된 오스테나이트계 스테인리스강이 과부하 이벤트, 지진 활동 또는 충격 하중이 설계 문제인 응용 분야에서 잘 작동하는 이유 중 하나입니다. Y/T 비율이 높다는 것은 재료가 표면 가까이에서 더 많은 강도를 전달한다는 것을 의미합니다. - 하중을 최대화하는 데 유용합니다.-중량 또는 단면적 단위당 운반 용량-그러나 부품이 항복점을 넘어설 경우 연성 예비력이 약합니다.-

이것이 바로 듀플렉스 2205가 중량-민감하거나 높은-압력 응용 분야(해양 플랫폼, 담수화 배관)에 지정된 이유입니다. 높은 항복 강도로 인해 동일한 설계 압력에 대해 더 얇은 벽 섹션이 허용되는 반면, 표준 오스테나이트 등급은 섹션 두께를 최소화하는 것보다 연성, 용접성 및 넓은 안전 마진이 더 중요한 일반 제조에 기본 선택으로 남아 있습니다.

ASME 섹션 II, 파트 D는 대부분의 재료에 대한 허용 설계 응력을 인장 강도를 3.5 안전계수 또는 항복 강도의 2/3로 나눈 값으로 설정합니다.

ASME 섹션 VIII(압력 용기)과 ASME B31.3(공정 배관)은 모두 동일한 기본 논리를 바탕으로 허용 응력 테이블을 작성합니다. 즉, 인장 강도는 파열에 대한 안전 계수를 결정하고 항복 강도는 허용할 수 없는 영구 변형에 대한 안전 계수를 결정합니다. 대부분의 탄소강과 저-합금강의 경우 허용 응력은 항복 강도의 2/3 정도까지 제한됩니다. 오스테나이트 스테인리스강 및 유사한 니켈 합금은 응력-변형 거동이 매우 연성이기 때문에 다르게 취급됩니다. 섹션 II의 응력 값 설정에 대한 ASME의 필수 부록은 설계 하중 하에서 결과적으로 약간 더 높은 변형이 그 자체로 응용 분야에 문제가 되지 않는 한 이러한 재료에 대해 온도 -에서 항복 강도의 최대 90%까지 대안적이고 더 높은 허용 응력 -을 허용합니다.

실제로 이는 304 또는 316 압력 구성요소가 동등한 탄소강 구성요소보다 더 높은 항복 강도로 설계될 수 있다는 것을 의미하며, 이중 또는 열처리된 마르텐사이트 등급에 비해 스테인리스강의 낮은 절대 항복 강도를 부분적으로 상쇄합니다-. 이는 또한 ASME 코드 테이블에 인쇄된 허용 응력 값이 그 자체로는 단순히 "항복 강도" 또는 "인장 강도"가 결코 아니라는 것을 의미합니다. - 이는 재료 계열에 따라 다른 안전 계수를 통해 필터링된 두 가지의 코드로 정의된 조합입니다-.

예 - 냉간 가공은 오스테나이트계 스테인레스강의 인장 강도를 높이는 것보다 더 빠르게 항복 강도를 높입니다. 이는 재료가 점진적으로 냉간 압연되어 어닐링된 것에서 쿼터-경질, 하프-경질 및 완전{4}}경질로 냉간 압연됨에 따라 Y/T 비율을 높이며, 두 숫자가 모두 증가하더라도 영구 변형 시작과 파괴 사이의 여백이 좁아집니다.

Does Cold Working Change the Relationship Between Yield and Tensile Strength

오스테나이트계 스테인리스강의 가공 경화율에 대한 자세한 기사에 따르면 301 및 304와 같은 등급은 변형-경화 지수(n-값)가 높으며 이는 소성 변형에 따라 유동 응력이 가파르게 올라간다는 것을 의미합니다. 항복 강도는 해당 곡선의 매우 초기에 측정되고 인장 강도는 최고점에서 측정되기 때문에 곡선의 초기 가파른 부분은 이미-높은 인장 강도를 높이는 것보다 비례적으로 항복 강도를 더 높입니다. 예를 들어 냉간 압연된-완전-경질 301은 인장 강도에 근접하는 항복 강도에 도달할 수 있습니다. 즉, "변형 시작"과 "실패" 사이에 추가 하중이 거의 없다는 것을 의미합니다. 이는 애초에 스테인리스강을 경화 가능하게 만드는 동일한 TRIP 및 전위 -경화 메커니즘의 직접적이고 실제적인 결과입니다.-

이것이 바로 템퍼링된 스테인레스 스트립(ASTM A666에 따른 1/4 경질, 1/2 경질, 완전 경질)이 등급 단독이 아닌 템퍼에 의해 지정되는 주요 이유입니다. 기계적 특성, 특히 항복--인장 관계는 부품이 사용되기 전에 이미 냉간 가공이 얼마나 적용되었는지에 따라 단일 등급 내에서 실질적으로 변경됩니다.

영구 변형이 허용되지 않는 압력 유지 및 구조 구성 요소에 대한 기본 선택 동인으로 항복 강도를 사용합니다.- 파손 없이 충격이나 과부하 에너지를 흡수해야 하는 부품의 경우 중량 인장 강도 및 총 신장률이 더 커집니다. 두 숫자를 분리하여 처리하지 않습니다. - 등급, 성질 및 해당 디자인 코드가 함께 일치합니다.

압력 용기, 배관 및 구조 부품

지속적이거나 주기적 서비스 하중을 받는 구성요소의 경우 - 파이프, 플랜지, 용기 쉘, 구조적 브래킷 - 항복 강도가 주요 설계 동인입니다. 왜냐하면 영구 변형은 작더라도 부품이 파손되지 않았더라도 기능적 결함을 나타내기 때문입니다. 그런 다음 적용 가능한 설계 코드(ASME 섹션 VIII, ASME B31.3 또는 이에 상응하는 것)는 파열에 대한 2차 검사로 인장 강도를 참조하는 자체 안전계수 논리를 적용합니다.

충격, 과부하 및 에너지-흡수 애플리케이션

간헐적으로 과부하, 충격 또는 지진이 발생할 수 있는 구성요소의 경우 - 캐치 메커니즘, 가드레일, 특정 자동차 및 운송 구성요소 - 전체 응력 아래의 면적-파단까지의 변형 곡선(강도와 신장의 조합)이 항복 강도보다 더 중요합니다. 왜냐하면 Y/T 마진이 넓은 재료는 파손되기 전에 더 많은 에너지를 흡수하기 때문입니다. 데이터시트에서 항복 강도 수치가 더 작아 보이더라도 -Y/T- 비율이 낮은 어닐링된 오스테나이트 등급이 수율은 높지만 연성이 낮은- 대체 제품보다 성능이 더 뛰어난 경우가 많습니다.

패스너 및 볼트 연결

볼트 체결은 두 가지 특성을 다른 방식으로 적용합니다. 즉, 내력(항복 강도와 밀접하게 관련됨)은 패스너가 영구적인 늘어짐 없이 안전하게 유지할 수 있는 예압의 양을 결정하는 반면, 볼트 체결 재료에 대한 ASME 코드 요구 사항에 따라 더 높은 안전 계수로 테스트된 인장 강도는 패스너 파손에 대한 최대 용량을 결정합니다. 항복- 기반 예압 용량을 확인하지 않고 인장 강도만으로 패스너 등급과 재료를 선택하는 것은 일반적인 사양 오류입니다.

Q: 스테인레스강에서는 항복강도가 높을수록 항상 좋은가요?

답: 자동으로 되는 것은 아닙니다. 항복 강도가 높을수록 동일한 하중에 대해 단면이 더 얇거나 부품이 가벼워질 수 있지만 일반적으로 파괴 전 Y/T 비율이 더 높고 연성 마진이 더 적습니다. 올바른 선택은 응용 분야에서 단위 중량당 최대 강도(이중 또는 냉간{2}}가공 등급 선호) 또는 과부하 시 최대 연성 예비력 및 내성(어닐링된 오스테나이트 등급 선호)을 중시하는지 여부에 따라 달라집니다.

Q: 304와 316이 항복강도와 인장강도가 거의 동일한 이유는 무엇입니까?

A: 둘 다 유사한 면-입방 미세 구조와 유사한 탄소 및 질소 함량 범위를 갖는 오스테나이트 등급이므로 ASTM A240은 어닐링 조건 - 205 MPa(30 ksi) 최소 항복 및 515 MPa(75 ksi) 최소 인장에서 기본적으로 동일한 최소 기계적 특성을 설정합니다. 실제 차이점은 기본 강도가 아니라 316의 몰리브덴에 의해 구동되는 내식성입니다.

Q: 듀플렉스 2205의 항복 강도가 304보다 훨씬 높고 인장 강도 차이가 적은 이유는 무엇입니까?

답변: Duplex 2205의 대략 50/50 오스테나이트- 페라이트 미세 구조와 질소 합금은 소성 변형을 시작하는 데 필요한 응력을 크게 높여주며, 이는 거의 전적으로 더 높은 항복 강도로 나타납니다. 상당한 변형 경화 및 네킹 후에만 도달되는 인장 강도는 상대적으로 더 적은 양만큼 증가하므로 2205의 Y/T 비율(약 0.73)이 304(약 0.40)보다 훨씬 높습니다.

Q: 항복강도나 인장강도가 압력관의 벽 두께를 결정합니까?

A: - 지배 설계 코드(예: ASME B31.3)만으로는 인장 강도의 일부(3.5 안전 계수로 나눔)와 항복 강도의 일부(일반적으로 특정 코드 각주에 따라 오스테나이트 스테인리스 및 니켈 합금의 경우 최대 90%인 2-)보다 낮은 허용 응력을 계산하지 않습니다. 그런 다음 벽 두께는 원자재 특성에 직접적으로 영향을 받는 것이 아니라 허용 응력에 따라 크기가 결정됩니다.

질문: 열처리를 하면 410과 마찬가지로 304 또는 316 스테인리스강의 항복 강도를 높일 수 있습니까?

A: 아니요. 304 및 316은 열처리가 아닌 냉간 가공으로만 강화된 오스테나이트 등급입니다. - 어닐링을 하면 경화되기보다는 부드러워집니다. 대조적으로 410과 같은 마르텐사이트 등급은 담금질 및 템퍼링을 통해 어닐링된 값보다 훨씬 높은 항복 강도와 인장 강도에 도달할 수 있습니다. 이것이 바로 410의 Y/T 비율과 절대 강도가 템퍼에 따라 크게 달라질 수 있는 이유입니다.