Механические свойства стали - характеристики металла, ключевые показатели и обозначения в металлургии

Механические характеристики стали существенно влияют на её применение в различных отраслях. Важность таких свойств, как высокая прочность и эластичность, позволяет использовать этот материал в самых разнообразных сферах — от производства хирургических инструментов до космической промышленности. Для оценки этих качеств используются разнообразные методы тестирования. Это делает сталь и её сплавы не только универсальными, но и предпочтительными для многих технических и инженерных задач.

Сталь, являясь основой многих отраслей промышленности, отличается своей прочностью и долговечностью. Главная особенность стали — это её способность противостоять воздействиям внешней среды и механическим нагрузкам. Основные механические свойства стали зависят от её марки и состава, где первостепенную роль играют такие компоненты, как углерод, а также добавки вроде ванадия и меди, которые повышают её прочность и коррозионную стойкость.

Марки стали обозначаются цифрами и буквами, где первые цифры часто указывают на процентное содержание углерода в сотых долях процента. Например, марка стали 1045 означает, что содержание углерода составляет приблизительно 0,45%. В зависимости от марки, сталь может быть низколегированной или инструментальной, что указывает на наличие различных примесей, улучшающих её характеристики.

Такие механические свойства сталей, как предельная прочность, ударная вязкость и электропроводность, могут варьироваться в зависимости от способа обработки металла, такого как закалка или отжиг. Закалка, например, происходит путём нагрева стали до высоких температур и последующего быстрого охлаждения, что увеличивает её твердость. Отжиг, наоборот, снижает внутренние напряжения и делает сталь более пластичной.

Рассматривая разделение по сечениям, стальные изделия могут иметь различные формы и размеры, что связано с технологиями производства и назначением продукции. Информация о механических свойствах, таких как сопротивление сжатию или вдавливанию, необходима при выборе стали для конкретных инженерных решений.

Состав

Сталь является сплавом, состоящим из железа и углерода, доля которого может достигать 2,14%. А также может включать другие элементы, такие как легирующие добавки, улучшающие антикоррозийные свойства и влияющие на основные характеристики материала. Эти составляющие определяют классификацию сталей.

В металлургии выделяют два принципиальных класса сталей:

• углеродистые стали: этот класс металла включает элементы, такие как марганец, сера, кремний и фосфор, и классифицируется на основе уровня содержания углерода на высоко-, низко- и среднелегированные сорта. Эти стали характеризуются их универсальностью и применяются в производстве разнообразных инструментов — от ножей до сверл — которые должны выдерживать значительные нагрузки;
• легированные стали: в эту категорию входят стали, состоящие из углерода и железа, а также дополненные такими легирующими элементами, как цирконий, бор, вольфрам, титан, азот и ниобий. Эти добавки значительно улучшают качество стали и её физические, механические и химические характеристики. Легированные стали могут быть адаптированы для различных условий использования, включая жаропрочные и улучшаемые сорта, и классифицируются на ледебуритные, доэвтектоидные, заэвтектоидные и эвтектоидные по их структуре.

Классификация и маркировка сталей регламентированы ГОСТами. Существует два основных вида сталей по качеству:

• обыкновенные стали: имеют углеродное содержание не более 0,6%, маркируются как «Ст» и соответствуют ГОСТам 380-94 и 14637. Эти стали доступны по цене, но их применение ограничено из-за относительно низкой прочности;
• качественные стали: производятся согласно ГОСТ 1577, включают в себя углеродистые и легированные виды, и маркируются с учетом их состава и содержания углерода. Эти стали более дорогостоящие, но предлагают высокую механическую стойкость и пластичность, что делает их подходящими для изготовления разнообразных изделий методом расплавления и отливки.

Прочность

Безопасность и надежность металлоконструкций в значительной степени зависят от прочности стали, которая ранее ассоциировалась просто с увеличением толщины изделий. Однако, современные научные исследования показали, что основной фактор прочности — это качество состава сплава. Прочность определяется как максимальная величина напряжения, при которой материал начинает разрушаться. Это значение традиционно измеряется в процессе прочностных испытаний, в ходе которых образец материала подвергается воздействию растягивающих, изгибающих или крутящих нагрузок с использованием специализированных тестовых стендов.

Такие испытания проводятся на специально оборудованных станках, где один конец изделия закрепляется, а другой подсоединяется к механизму (например, гидравлическому или электромеханическому приводу), создающему постепенно увеличивающуюся нагрузку. Современные системы электронного контроля позволяют точно отслеживать параметры усилия, удлинения и других изменений в материале.

Результаты таких тестов критически важны, так как они обеспечивают надежные данные о поведении металла при различных условиях эксплуатации. Они также помогают определить, какое максимальное механическое усилие способен выдержать материал до начала его разрушения.

Кроме того, изучение состава сплава позволяет идентифицировать примеси, которые могут ухудшать прочностные характеристики. Некоторые добавки, например, могут значительно снизить прочность, в то время как другие, наоборот, увеличивают её, что делает сплав более подходящим для использования в определенных условиях. В проектной документации инженерам следует учитывать все факторы, влияющие на механические свойства материала, чтобы избежать ошибок и погрешностей в конструкциях.

Твердость

Твердость материала - возможность металла сопротивляться деформации при контакте с более твердыми объектами. Это ключевое механическое свойство стали изучается в лабораториях и производственных условиях с целью определения её использования в различных сферах. Для оценки твердости используется метод, при котором в поверхность металла вдавливается индентор специальной формы — шарообразный, конический или пирамидальный, изготовленный из твердого материала, такого как закаленная сталь или алмаз.

Прочностные характеристики

Во время испытаний металла под действием значительной нагрузки индентор вызывает пластическую деформацию поверхностного слоя стали, оставляя после снятия нагрузки видимый след. Углерод оказывает существенное влияние на твердость и другие свойства металла, увеличивая прочность и твердость при его концентрациях до 1%, однако это также снижает пластичность и ударную вязкость, увеличивая ломкость при низких температурах.

В структуре стали присутствуют феррит и цементит, и с ростом содержания углерода увеличивается и доля цементита, что влияет на механические свойства. При высоком содержании углерода сталь становится более хрупкой за счет формирования вторичного цементита, который образует хрупкую сетку вокруг зерен перлита, делая сталь менее прочной.

Феррит характеризуется пластичностью и низкой прочностью, в то время как цементит — хрупкостью и высокой твердостью. С увеличением углерода сталь становится тверже и менее пластичной, что также сказывается на технологических свойствах, таких как способность к резанию, сварке и обработке давлением.

С ростом концентрации углерода сталь требует более тщательного контроля температурных режимов при сварке и может требовать предварительного подогрева и медленного охлаждения для избежания трещин при термической и механической обработке. Сталь с низким содержанием углерода лучше подходит для холодной штамповки и обладает лучшей свариваемостью.

Пластичность — изменение формы под воздействием внешних нагрузок без разрушения, зависит от состава материала, температурного режима и скорости деформационного процесса.

Водород накапливается на поверхности стали, ухудшая её механические свойства. Он уменьшает пластичность, пропорционально количеству в материале. Однако, ее можно восстановить путем десорбции водорода при комнатной или более высокой температуре.

Сталь с увеличением содержания углерода становится тверже и менее пластичной. При повышении содержания углерода выше 1% сталь становится хрупкой.

Температура играет ключевую роль в пластичности стали. Например, при нагреве до 800 °C феррито-карбидная сталь достигает максимальной пластичности, а при нагреве от 200 °C до 300 °C сталь теряет пластичность, которая начинает восстанавливаться при дальнейшем повышении температуры до 500-550 °C.

Изменения в скорости деформации могут значительно повлиять на пластические свойства.

.

Гетерогенные структуры в стали могут снижать её пластичность из-за неоднородного распределения фаз, что приводит к упругому деформированию и образованию микротрещин при высоких напряжениях.

Пластичность используется при высокотемпературной эксплуатации. Сталь с высокой пластичностью позволяет избежать хрупкости при длительной работе. Важно также обратить внимание на возможность перераспределения внутренних напряжений в процессе эксплуатации.

Изучение пластичности металла, как основного механического свойства стали, включает проведение технологических проб и использование количественных показателей, таких как относительное удлинение и сужение образца после разрыва, что позволяет оценить её пригодность для конкретных применений.

Ударная вязкость

Этот индекс определяет способность материала противостоять изменениям под воздействием динамических сил. Для его измерения применяют устройство под названием маятниковый копер, которое фиксирует энергию, необходимую для достижения износа образца. Свойства материала могут варьироваться в зависимости от добавления легирующих элементов и выбора температурных условий. Исследования показали, что деформации, испытываемые сталью в процессе эксплуатации, схожи с результатами лабораторных испытаний. Ключевым аспектом является использование различных образцов для испытаний и применение методов математической статистики для тщательного анализа полученных данных. В процессе испытаний строительные стали подвергаются проверке на устойчивость к холодному изгибу и растяжению, а также на возможность проведения резки.

Температура оказывает существенное влияние на процесс испытаний, поскольку для каждого типа стали требуется поддерживать специфический температурный режим. Результаты испытаний обычно визуализируются в виде графиков, которые демонстрируют связь между ударной вязкостью и температурой, выделяя критический температурный диапазон, в котором сталь переходит из пластичного состояния в хрупкое. Стали с крупными зернами обычно характеризуются низкими показателями ударной вязкости и повышенной температурой хладноломкости. Легированные стали, в отличие от них, часто обладают высокими значениями ударной вязкости и более низкой температурой хладноломкости. Повышенный наклеп снижает пластичность, уменьшая ударную вязкость и увеличивая хладноломкость. Старение материала ведет к уменьшению его ударной вязкости. Эти параметры помогают оценить текущее состояние материала, его устойчивость к динамическим нагрузкам и чувствительность к внешним воздействиям, а также являются основополагающими при оценке качества стали и выборе материалов для конструкций, подверженных динамическим воздействиям.

Механические свойства

• упругость – это способность материала возвращаться к исходной форме и размерам после снятия нагрузки;
• усталость – характеризует склонность материала к накоплению повреждений от многократных нагрузок, приводящих к образованию трещин;
• чрупкость – показывает тенденцию материала к трещинам под воздействием внешних сил без заметных пластических деформаций.

При выборе материала для конкретного изделия инженеры должны быть уверены, что он способен выдерживать эксплуатационные нагрузки на это изделие – механические и климатические:

• жаропрочность – сохранение механических характеристик при высоких температурах;
• износостойкость – устойчивость поверхностных слоёв стали к интенсивному трению;
• радиационная устойчивость – способность стали противостоять воздействию радиационных излучений.

Они определяют пригодность стали для различных применений и влияют на долговечность и надежность изделий в условиях эксплуатации.

Сталь обладает уникальными химическими характеристиками, которые определяют её поведение в химических процессах и обеспечивают стабильность:

• окисляемость стали – это способность металла реагировать с кислородом, особенно в условиях, когда присутствуют окислители. Контакт с кислородсодержащей средой вызывает образование оксидной пленки на поверхности стали, что может привести к коррозии и ржавлению при взаимодействии с водой. Этот процесс усиливается при увеличении температуры и более выражен у сталей с низким содержанием углерода;
• жаростойкость – это способность стали сохранять свою структуру и химический состав при высоких температурах, избегая окисления, образования окалины и выделения вредных летучих веществ;
• коррозионная устойчивость означает сопротивление химическим реакциям окисления, которые могут быть вызваны атмосферными условиями или химическим воздействием, например, при контакте с водой и кислородом или агрессивными средами. Устойчивость к коррозии улучшается благодаря присутствию в составе таких элементов, как никель, хром, титан, молибден, сера и кремний, которые помогают предотвратить ржавление;
• теплопроводность стали обеспечивает распределение тепла от горячих частей к холодным, что является важным фактором во многих промышленных процессах;
• плотность стали, определяемая как масса металла на единицу объема, делает её особенно подходящей для использования в строительстве, включая арматуру а500с, благодаря высокой массе изделий.

Эти свойства играют ключевую роль в определении сфер использования стали, влияя на её долговечность и эффективность при разнообразных эксплуатационных условиях.

Технологические свойства стали влияют на её возможности обработки различными методами, что важно для промышленного использования:

• обрабатываемость резанием: это свойство позволяет стали легко поддаваться обработке различными режущими инструментами, как ручными, так и станочными. Это крайне важно для производства металлопроката и создания плоских заготовок из металлических листов;
• ковкость: сталь обладает способностью принимать необходимые формы под действием внешних сил без разрушений. Благодаря ковкости сталь можно эффективно обрабатывать методами штамповки, волочения, проката и ковки, что расширяет возможности её использования;
• свариваемость: это свойство критически важно для сварочных работ, поскольку оно позволяет создавать прочные, неразъёмные сварные соединения. Свариваемость стали определяет качество и долговечность сварных швов;
• жидкотекучесть: в состоянии расплава сталь может эффективно заполнять пространства, такие как щели и зазоры, что необходимо для качественного литья.

Эти свойства делают сталь идеальным материалом для широкого спектра промышленных применений, включая машиностроение, строительство и многие другие области.

Обозначение

В сталях используются идентификационные обозначения для ключевых механических свойств, включая:

• G - модуль сдвига или модуль касательной упругости. Этот показатель отражает пропорциональность между касательным напряжением и степенью относительного сдвига;
• E - модуль упругости, который определяет соотношение между нормальным напряжением и относительным удлинением;
• σв - прочность на разрыв, общая характеристика для всех видов стали;
• μ - коэффициент Пуассона, используемый для выражения отношения поперечной деформации к продольной в упругом состоянии;
• δ - относительное удлинение, которое измеряет остаточное удлинение объекта перед разрывом по отношению к его первоначальной длине;
• σт - условный предел текучести, определяющий напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.2% после снятия нагрузки;
• HRC, HB, HV - эти обозначения используются для определения твердости по соответствующим шкалам: Роквелла, Бринелля и Виккерса.

Эти показатели позволяют точно оценить свойства стали, что очень важно для её использования в различных инженерных и конструкционных задачах.