Механические свойства стали

Механические свойства определяют, в каких областях производства может использоваться сталь. Большая прочность вместе со способностью изменять форму дают возможность применять металл в десятках сфер — от изготовления медицинских инструментов до аэрокосмической промышленности.

Чтобы определить конкретные механические показатели, задействуют разные методы, учитывающие свойства стали и ее сплавов.

Состав материала

Металл в основном состоит из железа и углерода (около 2,14 %). Классификация стальных сплавов выполняется с учетом их химических свойств.

В производственных процессах применяются следующие виды стали:

• Легированная. Кроме железа и углерода, присутствуют легирующие компоненты (азот, хром, кремний, ниобий, вольфрам и др.). От их соотношения зависят механические характеристики, цена, качество изделий, сферы использования. Потребителям доступны цементуемые, улучшаемые, жаропрочные стали. По структуре сырье бывает эвтектоидного, доэвтектоидного, заэвтектоидного и ледебуритного видов.
• Углеродистая. Помимо основных компонентов, металл содержит марганец, фосфор, серу, кремний. От объема углерода зависит тип сырья — низко-, средне- и высокоуглеродное. Такой материал применяется в десятках сфер, включая инструмент, используемый под стабильно большими нагрузками.

По марке металла можно установить химические, механические характеристики и сферы применения. При изготовлении стали в нее добавляют дополнительные компоненты. В зависимости от их доли принято выделять следующие виды сплавов:

• Стандартного качества. Материал отвечает требованиям ГОСТов 14637 и 380-94. Маркируется наименованием Ст. В составе присутствует до 0,6 % углерода. Имеет невысокую стоимость.
• Качественная сталь (углеродистая, легированная). Соответствует нормативам ГОСТа 1577. При маркировке отображается специфика состава, объем углерода. Сочетает хорошую пластичность, устойчивость к механическим воздействиям. Легко сваривается, но стоит дороже металла обыкновенного качества.

Физические свойства

• Теплопроводность — способность металла передавать тепловую энергию между более нагретым сегментом и менее нагретым.
• Плотность — рассчитывается как масса материала на единицу объема. Большая плотность стальных конструкций дает возможность широко применять их в сфере строительства.
• Электропроводность — способность стали пропускать ток.

Технологические характеристики

• Жидкотекучесть — проникновение расплавленного материала в узкие пазы, зазоры, возможность заполнять пустое пространство.
• Ковкость — способность менять форму без разрушения под воздействием нагрузки, создаваемой давлением.
• Свариваемость — свойство металла формировать неразъемные соединения, которые отвечают требованиям по эксплуатации и конструктивным особенностям изделий.
• Обработка резанием — возможность стали поддаваться воздействию режущего инструмента.

Химические свойства

• Жаростойкость — сохранение металлом механических характеристик при воздействии повышенной температуры.
• Окисляемость — способность материала вступать в реакцию с кислородом. Увеличивается в процессе нагревания. На поверхности сплавов с небольшим объемом углерода под влиянием воды, повышенной влажности появляется ржавчина.
• Коррозионная устойчивость — избегание вступления в химические реакции и способность исключать окисление.
• Жаропрочность — возможность сохранять прочностные характеристики в условиях высокой температуры.

Механические характеристики по нормативам ГОСТ

Механические характеристики, определяемые согласно нормативам ГОСТа, включают следующие параметры.

Прочность

Показатель отражает устойчивость стали к разрушению под воздействием высоких нагрузок. Его точные значения устанавливаются количественными методами, среди которых:

• Предел текучести — уровень механического напряжения, когда материал начинает растягиваться без дополнительного воздействия.
• Предел прочности — максимальное напряжение, превышение которого приводит к разрушению сплава.

Важно: при небольшой деформации стальной стержень сохраняет упругость и после снятия нагрузки возвращается к исходной длине. Если напряжение превышает предел текучести, возникает пластическая деформация. В таком случае стержень необратимо вытягивается и теряет первоначальные параметры.

Определить предельное напряжение, при котором происходит разрыв, помогает испытание на растяжение. Этот показатель указывает на максимальную прочность стали.

Вязкость

Позволяет металлу выдерживать динамические нагрузки без разрушения. Определяется количественным методом как отношение энергии, необходимой для разрушения образца, к площади его поперечного сечения. Часто рассматривается как ключевой фактор, влияющий на сопротивление стали хрупкому разрушению.

Металл может разрушаться пластично или хрупко. Различие между этими процессами наглядно демонстрируют ферритные стали. Материалы с объемно-центрированной кристаллической решеткой обладают особой характеристикой — при понижении температуры становятся хрупкими, а при нагревании разрушаются пластично. Температурная граница, разделяющая эти состояния, называется вязко-хрупким переходом.

Пластичность

Эта характеристика определяет способность металла изменять форму под воздействием внешней нагрузки и сохранять ее после снятия усилия. Для количественной оценки пластичности измеряют удлинение при растяжении и угол изгиба. Если материал разрушается при испытании на изгиб, но выдерживает значительное пластическое деформирование, он считается пластичным. В противном случае металл классифицируется как хрупкий.

Высокая пластичность выявляется при испытаниях на растяжение и сжатие. В первом случае оценивается относительное удлинение — процентное увеличение длины образца после разрушения относительно исходной величины. При сжатии пластичность выражается уменьшением площади поперечного сечения по сравнению с первоначальными параметрами.

Маркировка материала

В машиностроительном производстве используется конструкционная (легированная, углеродистая) и нержавеющая сталь, которая высоко ценится за превосходные механические характеристики.

В маркировке конструкционных сталей по ГОСТ 4543 начальные цифры указывают на средний объем углерода. Каждая буква обозначает определенную добавку:

• Т — титан;
• C — кремний;
• Х — хром;
• Ю — алюминий;
• М — молибден;
• Ф — ванадий;
• В — вольфрам;
• Г — марганец.

За буквой в маркировке расположены цифры, указывающие на приблизительный объем легирующего компонента. Отсутствие цифровых обозначений информирует, что его доля менее 1,5 %. Если на конце прописана А, это знак высокого качества металла. Если стоит Ш, значит, сталь наивысшего качества.

Механические характеристики нержавеющих высоколегированных марок по ГОСТ 5632 определяются присутствием в составе следующих добавок:

• Т — титан;
• C — кремний;
• Д — медь;
• Х — хром;
• Н — никель;
• А — азот;
• Ю — алюминий;
• М — молибден;
• Ц — цирконий;
• Ф — ванадий;
• Б — ниобий;
• Р — бор;
• Е — селен;
• В — вольфрам;
• Г — марганец.

За буквами в маркировке расположены две цифры, указывающие на долю легирующего компонента в конкретном сплаве.

Ключевые механические характеристики металла маркируются следующим образом:

• G — модуль сдвига (касательной упругости). Рассматривается как коэффициент пропорциональности между поперечной силой и относительным сдвигом.
• Е — модуль упругости, выступает в качестве коэффициента пропорциональности между интенсивностью осевого внутреннего усилия и относительным удлинением.
• μ — коэффициент Пуассона, выступает в качестве абсолютного показателя отношения поперечной/продольной деформации в упругом сегменте.
• σв — предел прочности (временное сопротивление), механическая характеристика стали, именуемая как прочность на разрыв.
• σт — условный предел текучести, определенный показатель напряжения, при котором после прекращения нагрузки уровень остаточной деформации составляет порядка 0,2 %.
• δ — показатель относительного удлинения, определяется как соотношение абсолютного остаточного удлинения образцового изделия после разрыва к первоначальной расчетной длине.
• HRC/HV/HB — показатели, информирующие о степени твердости стали.

Механические характеристики некоторых марок стали (после термообработки)

Как углерод влияет на механические характеристики стали

Механические свойства углеродистых сталей зависят прежде всего от содержания углерода. С его увеличением растет доля цементита, а количество феррита снижается. Это приводит к повышению твердости и прочности при одновременном уменьшении пластичности.

При содержании углерода около 1 % прочность увеличивается, но дальнейшее отклонение от этого уровня снижает ее. Это связано с формированием сетки вторичного цементита на границах зерен заэвтектоидных марок, что негативно отражается на прочности.

Рост доли углерода увеличивает содержание цементита — сверхтвердого, но хрупкого компонента. Его твердость (800 HB) почти в десять раз превышает феррит. Поэтому с увеличением углерода сталь становится тверже и прочнее, но теряет пластичность и хуже сопротивляется ударным нагрузкам.

При содержании углерода 0,8 % перлит полностью замещает структуру, что усиливает прочность и твердость. Дальнейшее повышение приводит к образованию вторичного цементита на границах перлитных зерен, что не увеличивает твердость, но снижает прочность из-за избыточной хрупкости.

Содержание углерода влияет не только на механические, но и на физические свойства стали. При его увеличении уменьшается теплопроводность, плотность и магнитная проницаемость, но возрастает коэрцитивная сила и сопротивление электрическому току.

Повышенная хладноломкость — еще одно последствие увеличения углерода. При содержании 0,4 % металл становится хрупким уже при 0 °С и теряет надежность. В железоуглеродистых сталях углерод связан в цементите, а в чугунах присутствует в свободной форме в виде графита.

Стали с высоким содержанием углерода сложнее поддаются обработке: они хуже режутся, склонны к деформациям (особенно в холодном состоянии) и плохо свариваются.

Маркировка стали указывает на ее свойства. Например, жаропрочные марки предназначены для эксплуатации при высоких температурах, а коррозионно-стойкие — для работы в агрессивных средах. Свариваемость также зависит от состава, что учитывается при выборе материала.