СОДЕРЖАНИЕ
Механические свойства стали играют большую роль в определении сферы применения той или иной марки. Корректный расчет предела прочности и грамотное использование ведут к длительной и безопасной эксплуатации изделий.
Основными механическими свойствами стали являются твердость, пластичность, ударная вязкость. Они связаны с химическим составом стали и теми воздействиями, которые применяли по отношению к изделию: закалка, отжиг, отпуск. Подробнее о механических свойствах стали читайте в нашем материале.
Прочность стали
Безопасность и надежность металлических конструкций в большой степени зависят от такого механического свойства стали, как прочность. Раньше при поломке изделий считали, что новое должно обладать большей толщиной. Позже научным путем было выявлено, что прочность определяется качественным составом сплава.
Предел прочности металла – это пороговая величина напряжения, выше которого начинается его разрушение. Рассматривая непосредственно физический процесс, можно говорить об усилии растяжения, необходимом для разрыва стержневидного образца конкретного сечения. Однако не совсем корректно употреблять это распространенное понятие – «предел прочности».
Проверить сопротивление разрыву можно с помощью прочностных испытаний – тестов, для проведения которых применяются особые испытательные стенды. Тестируемое изделие одним концом фиксируется на стенде, а другим прикрепляется к гидравлическому или электромеханическому приводу для создания постепенно растущего усилия.
Его действие направлено на разрыв, изгиб или скручивание изделия. Умная электронная система контроля занимается отслеживанием усилия растяжения, относительного удлинения и прочих изменений.
Эти тестирования имеют большое значение, поэтому они проводятся на специально изготовленных станках в условиях, как можно более соответствующим производственному процессу. С их помощью можно достоверно оценить поведение металла в процессе эксплуатации изделий.
Испытания также позволяют с высокой точностью выявить такое важное механическое свойство стали, как прочность, то есть какую нагрузку она способна выдержать до полного разрушения. К примеру, при высокой хрупкости материала поврежденных мест может быть сразу несколько.
Читайте также: «Свариваемость сталей»
Другими словами, под пределом прочности понимают максимальное механическое усилие, которое способно выдержать изделие до начала разрушения. В данном случае нельзя говорить о влиянии химических веществ, а вот негативные воздействия природных условий, показатели внешней среды могут стать причиной улучшения или ухудшения механических свойств стали.
Инженеру нельзя оперировать предельными значениями при составлении проекта, так как внешние факторы, период эксплуатации и прочие обстоятельства могут привести к появлению погрешностей.
Содержание некоторых примесей в составе сплава приводит к снижению прочности – следует исключить их добавление при прокате или отливке металла. При наличии других прочность увеличивается, поэтому их, наоборот, необходимо использовать при получении сплавов.
Твердость сталей
Твердостью называют способность материала сопротивляться различным деформациям его поверхности при контакте с более твердыми объектами. В лабораториях и на заводах-изготовителях проводятся исследования, позволяющие определить твердость, ведь она является одним из основных механических свойств стали.
Для измерения твердости в поверхность металлического объекта вдавливают наконечник шарообразной, конической или пирамидальной формы, изготовленный из материала с высокой сопротивляемостью деформации (из твердой закаленной стали, алмаза).
Под воздействием довольно большой нагрузки при вдавливании происходит пластическая деформация поверхностных слоев материала, которые располагаются под наконечником или рядом с ним. При снятии нагрузки наконечник оставляет след.
Углерод в значительной степени влияет на конечные свойства металла. Повышение концентрации углерода (до 1 %) приводит к увеличению прочности и твердости стали, но в то же время способствует снижению пластичности и ударной вязкости и повышению порога ломкости при низких температурах. Высокая концентрация углерода вызывает изменение структуры сплава.
Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»
В состоянии равновесия в структуре стали присутствуют феррит и цементит, причем с повышением содержания цементита соразмерно растет концентрация углерода. Понимание механических свойств цементита и феррита позволяет рассуждать о том, какие изменения произойдут в механических свойствах стали при увеличении или уменьшении концентрации углерода.
При насыщении стали углеродом происходит повышение содержания хрупкого и твердого цементита, что приводит к увеличению хрупкости и твердости материала, потере им пластичности и снижению ударной вязкости. Повышению прочности сплава способствует увеличение концентрации углерода до предельного значения в 1 %. При дальнейшем повышении концентрации углерода будет возрастать содержание цементита, а прочность сплава начинает снижаться.
Причина в том, доэвтектоидные стали насыщены углеродом в форме цементита, являющегося структурным компонентом такого соединения, как перлит. Причем цементит в составе перлита представлен отдельными, не связанными друг с другом пластинками – это объясняет более высокие показатели твердости и прочности перлита, чем чистого феррита. Рост концентрации углерода приводит к увеличению содержания перлита в составе доэвтектоидных сталей, что объясняет их высокую прочность.
Заэвтектоидные стали отличаются структурным содержанием вторичного цементита, обволакивающего зерна перлита хрупкой сеткой. Толщина и непрерывность сетки будет тем больше, чем выше окажется концентрация углерода в сплаве. При этом сталь будет более хрупкой и менее прочной.
Для феррита характерны пластичность и низкая прочность, для цементита – хрупкость и твердость. Вследствие этого с ростом содержания углерода происходит увеличение прочности и твердости стали, она становится менее пластичной и вязкой. Изменения в механических свойствах заэвтектоидных сталей обусловлены влиянием вторичного цементита, который обволакивает зерна перлита хрупким каркасом.
Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»
Нагрузки приводят к тому, что каркас начинает раньше времени разрушаться, из-за этого стали с концентрацией углерода более 1 % теряют свою прочность. Высокое содержание углерода приводит к тому, что хрупкий каркас вторичного цементита становится сплошным. Под влиянием углерода сталь меняет свои технологические характеристики, в частности способность поддаваться резанию, свариванию, давлению.
Так как при повышении концентрации углерода снижаются прочность и теплопроводность, сталь начинает хуже поддаваться резанию. Также с ростом концентрации углерода материал теряет свою технологическую пластичность – он утрачивает способность к холодной и горячей деформации.
Сложная холодная штамповка стали проводится в отношении материалов с ограничением уровня углерода до 0,1 %. Из-за углерода материал хуже поддается свариванию. Стали со средним и высоким содержанием углерода в процессе сварочных работ необходимо подогревать и медленно охлаждать. Важно правильно организовать технологический процесс, чтобы исключить вероятность появления трещин при горячей и холодной обработке.
Пластичность стали
Степень пластичности стали определяется природой материала, характером напряженного состояния при деформации, а также температурой и скоростью, при которых происходит ее деформация.
Сталь теряет свою пластичность при насыщении ее водородом соразмерно его количеству. При попадании в сталь водород скапливается в поверхностном слое и негативным образом влияет на механические свойства. Согласно результатам множественных исследований достаточно провести десорбцию водорода в условиях комнатной или более высокой температуры, после чего восстанавливаются характеристики механических свойств сталей.
Сталь обладает тем лучшей пластичностью, чем в большем количестве в ней сконцентрирован углерод или смесь углерода и азота. Продолжительные испытания приводят к снижению пластичности материала с течением времени.
Изменение скорости деформации не влияет на степень пластичности в исходном состоянии стали. При насыщении стали 38ХС водородом до 20 см3/100 г вслед за изменением скорости деформации начинают меняться ее пластические свойства (S, W): при увеличении скорости пластичность материала сильно возрастает.
Резкое увеличение пластичности стали происходит при ее переводе в спокойное состояние. Температура деформации оказывает значительное влияние на пластичность материала в любом состоянии. При температуре 800 °C феррито-карбидная сталь характеризуется предельными значениями пластичности.
Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»
Увеличение рассматриваемого показателя способствует снижению внутренних напряжений. Углеродистая и легированная сталь меняет свою пластичность в зависимости от концентрации углерода. Этим объясняется возможность более быстрого нагрева сталей с небольшой концентрацией углерода в отличие от высокоуглеродистых типов.
В холодном состоянии сталь обладает низкой пластичностью. Термически обработанная сталь 50ХФА имеет предельную хладноломкость ниже -100 °C. При температурах от 200 °C до 300 °C сталь теряет свою пластичность. При температурах от 500 °C до 550 °C пластичность начинает медленно повышаться, достигая 30 % для стали 6525-m и 80 % для стали 70-f.
Пластичность – одно из основных механических свойств стали, по которому оценивается возможность ее использования при высокотемпературном режиме в течение долгого времени. То, какой пластичностью характеризуется сталь в условиях длительного разрыва, определяет ее способность к деформациям с учетом заданных условий, а также возможность перераспределять напряжения.
Для изделия, эксплуатируемого при высокотемпературном режиме, большое значение имеет наличие запаса пластичности, который позволит исключить бездеформационное разрушение.
Низкими показателями пластичности характеризуются стали с гетерогенными структурами, в которых жестко выделяются или неравномерно распределяются фазы. Пластическая деформация таких сплавов приводит к упругому деформированию их малопластичных фаз. Рост напряжения вызывает их хрупкое разрушение, сопровождающееся появлением микротрещин, что в результате приводит к полному разрушению.
Также пластическая деформация гетерогенных сталей вызывает неравномерные изменения характеристик и свойств и приводит к развитию высоких остаточных напряжений. Вследствие этого может начаться рекристаллизация обработки, сопровождающаяся возникновением крупных зерен, сформироваться неравномерная структура с различными зернами, уменьшиться пластичность.
Читайте также: «Конструкционная сталь»
Сталь, которую используют для связей, отличается высокой степенью пластичности, почти аналогичной нормализованной стали. Хромированный слой и сердцевина характеризуются практически одинаковой степенью твердости.
В холодном состоянии сталь и прочие сплавы металлов отличаются низкой степенью пластичности. До начала обработки металл следует нагреть до достаточной температуры, чтобы увеличить его пластичность, а также исключить лишние действия, требующиеся для достижения деформации.
Для определения пластичности, являющейся одной из важнейших характеристик механических свойств стали, берут технологические пробы и используют количественные показатели (речь идет об относительном удлинении претерпевшего разрыв образца, его относительном поперечном сужении).
Ударная вязкость стали
Ударной вязкостью стали называют ее способность сопротивляться воздействиям динамических (ударных) нагрузок. Для выявления этого показателя рассчитывают величину работы, затрачиваемой при разрушении образца на специальном приборе, который называется «маятниковый копер».
На это механическое свойство стали влияет ее состав и присутствие легирующих компонентов. Ударная вязкость значительным образом меняет свою величину при изменении температурного режима. Например, СТ3 при температуре +20 °C характеризуется ударной вязкостью от 0,5 до 1 МДж/м2; при температуре -20 °C этот показатель принимает значение в интервале от 0,3 до 0,5 МДж/м2.
Результаты технологических исследований доказали, что сталь подвергается таким же деформациям, которые свойственны стальному образцу при эксплуатации или в процессе последующей обработки. Строительные стали в большинстве случаев испытываются на холодный загиб.
Ударная вязкость имеет маркировку «КС», она рассчитывается как работа, которая необходима для разрушения стали. Температура при проведении испытаний имеет большое значение. Это приводит к необходимости выдерживать определенный температурный режим для каждого типа стали в процессе исследований.
Полученные результаты отображают в виде кривых зависимости искомого показателя от температуры. Также для стали устанавливают диапазон критических температур, при которых она меняет вязкое состояние на хрупкое. Этот диапазон называется порогом хладноломкости.
Читайте также: «Свариваемость сталей»
То, насколько точно были произведены исследуемые образцы и имеют ли они скрытые дефекты структуры материала, также влияет на ударную вязкость. В любом месте изделия может наблюдаться проявление скрытых дефектов. По этой причине для испытаний следует брать много образцов, а для анализа результатов использовать методы математической статистики.
На рассматриваемое механическое свойство стали также влияют:
- структура сплава и размер зерен. Сталь с крупными зернами отличается более низкой ударной вязкостью и высокой температурой хладноломкости;
- химический состав сплава. Для легированных сталей характерны более высокие значения ударной вязкости и пониженная температурная хладноломкость;
- наклеп. Способствует уменьшению пластичности, а следовательно, понижению ударной вязкости и увеличению хладноломкости;
- старение. Тоже приводит к уменьшению ударной вязкости и увеличению хладноломкости;
- термообработка. Ее влияние на значение ударной вязкости весьма значительно.
Ударная вязкость – комплексная характеристика механических свойств сталей, по которой можно судить:
- о состоянии сплава (хрупкий или вязкий);
- о сопротивлении воздействию динамических (ударных) нагрузок;
- о чувствительности к интенсивным напряжениям.
С помощью ударной вязкости проводят сравнительную оценку качественных свойств стали.
Читайте также: «Маркировка стали»
Для конструкционных углеродистых сталей и сплавов характерна большая совокупность механических свойств. Наличие и концентрация примесей наделяет их определенными качествами – прочностью, твердостью, износостойкостью, хрупкостью. Важным преимуществом таких сплавов является относительно невысокая стоимость. Все это объясняет широкое применение стали в качестве одного из ключевых промышленных материалов.
