Свойства стали. Прочность, гибкость, особенности и сферы применения

Свойства стали: что они значат в повседневной жизни и технике

Каждый уголок нашей планеты нельзя представить без стального проката. Именно механические свойства стали делают употребление этого соединения железа настолько важным для человека.

Прочность

Этот характерный момент должен учитываться в любом случае, но особенно велико его значение, когда заходит речь про строительные конструкции:

• балки;
• арматуру;
• болты;
• шпильки.

Механические свойства стали также нельзя недооценивать, когда речь заходит про:

• автомобили;
• мотоциклы;
• речной, морской транспорт;
• летательные аппараты;
• железнодорожный подвижной состав;
• рельсы;
• элементы находящихся под давлением машин, механизмов.

Но сама прочностная характеристика стали внутренне неоднородна. Чаще под ней подразумевают предельную прочность – то есть величину нагрузки, при превышении которой металл неминуемо разрушится. Также среди механических свойств нельзя игнорировать сопротивляемость расширению и сжатию, то есть сохранение прочности при увеличенной нагрузке. Наконец, актуальна и твёрдость, или возможность выдержать вредоносные воздействия – истирание, удары.

Составной частью прочности выступает также предел текучести металла. Когда эта нагрузка превышена, разворачивается пластическая деформация – геометрические контуры стали искажаются необратимо, и без дополнительных усилий они уже не станут прежними. Чтобы нарастить прочность, используется ряд приёмов:

• нормализация;
• холодная прокатка;
• отпуск.

На этот показатель влияет зернистость соединений, содержание карбидов. Увеличение концентрации углерода в стали, добавление легирующих компонентов сразу сделает её прочнее. Оборотной стороной улучшения свойств станет сокращение пластичности.

Гибкость

Это – иное название пластичности. Такому параметру уделяют максимум внимания, когда выбирают металлопрокат, подверженный деформациям при обычном использовании. Причисление гибкости к основным свойствам обусловлено её прямым влиянием не только на уровень надёжности, но и на технологические перспективы. Недостаточно пластичная сталь малопригодна для получения:

• арматуры;
• труб;
• деталей автотранспорта;
• компонентов машин, механизмов.

Поэтому технологи неизменно подбирают конкретные марки стали для налаживания выпуска предметов, отвечающих конструкционным требованиям. Соответствующие указания прямо дают в чертежах.

Устойчивость металла

Её тоже относят к основным критериям качества. Однако устойчивость бывает довольно разной, и надо заранее оговаривать, какой её вид подразумевают. Смотрите на 3 фундаментальные характеристики:

• коррозионную сопротивляемость;
• уровень механической стабильности;
• надёжность на фоне температурной нестабильности.

Последний момент особенно актуален для труб, которые проложены на открытом воздухе либо в необогреваемых комнатах. Основные свойства, влияющие на химическую стабильность, связаны с составом вещества. Приоритетное значение имеют добавки:

• хрома;
• молибдена;
• никеля (улучшающего аустенитное качество).

Однако на защитных свойствах негативно отражается:

• солевая среда;
• повышенная кислотность;
• увеличение температуры;
• присутствие кислорода – первостепенного врага любых металлов.

Если поверхность основательно отполировать, она будет собирать меньше вредных примесей, окажется менее подвержена абразивным воздействиям. Поэтому в характеристиках любой партии металлопроката неизменно указывают этот параметр. Для снижения восприимчивости стали к коррозии могут использовать:

• гальваническое покрытие;
• катодную защиту;
• лакокрасочное покрытие;
• фосфатный слой.

В число основных признаков добротного продукта попадает и ударная вязкость. Если она низкая, столкновения, сильные нагрузки могут преждевременно разрушить конструкцию. Эта черта металла препятствует повреждениям даже при сильном охлаждении, увеличенном риске хрупких разрушений. Показатель измеряют отдельно для острых надрезов и трещин (обозначения – KS/KV и KCU/KCT). Среди факторов, какими регулируют ударную вязкость, особо выделяют мелкодисперсную структуру. Чем мельче зёрна, тем ровнее распределение нагрузки, тем ниже риск механического повреждения.

Инженерам, продумывающим, как делать сталь, приходится решать противоречивую задачу. Термообработка, улучшая прочность, делая сплав твёрже, негативно отражаются на ударной вязкости. Только подобранная комбинация технологических процессов гарантирует баланс основных механических свойств.

Определять угол изгиба могут, выгибая подготовленный образец вокруг оправки с заданными параметрами. Если разрушение наступает раньше, в протокол заносят фактический уровень свойств стали. Теоретические расчёты такого показателя возможны, но их требуется поверять реальными замерами. На этой механической характеристики отражаются:

• толщина металлоконструкций;
• вещества, входящие в состав;
• метод изготовления (холодная прокатка повышает пластичность, горячая – сокращает её).

Относительное удлинение стали имеет повышенное значение для протяжённых металлоконструкций – мостов, труб, рельсов. Однако и относительно короткие предметы из металла (метизы, крепёжные конструкции) тоже нужно проверять. Металлургические комбинаты обязаны указывать эти сведения в официальной документации на каждую отгружаемую партию.

Вязкость стали выражает её готовность принять моментальную ударную нагрузку. Её упоминают в числе свойств, которые влияют на применимость железа для:

• вооружения и военной техники;
• строительных конструкций;
• транспортных средств;
• энергооборудования.

Проверку таких механических проявлений выполняют на маятнике. Альтернативой выступает расчёт ударной вязкости. Но и такие вычисления основывают на опытных данных – разрушении пробного образца в контролируемых условиях.

Описание свойств сталей не обходится, конечно, без указания на их твёрдость. Широко пользуются характеристикой по шкале Бринелля, которая имеет только одно ограничение – не годится для предметов с тонкими стенками. В промышленности более распространена, однако, шкала Роквелла. Она существует в трёх вариантах, один из которых (HRA) позволяет точно классифицировать состояние особо твёрдой стали (включая закалённую). Метод HRC рекомендуют для определения механических свойств сталей умеренной или малой твёрдости. Если надо проверять, насколько твёрдой окажется мелкая или тонкая продукция, нужен метод Виккерса. Он превосходит технологию измерения по Бринеллю, поскольку точнее показывает свойства стали в локальной области.

Усталость стали – тоже многоплановое понятие. Нельзя считать, что это простая механическая деградация по принципу «накопилось напряжение – происходит разлом». Существует предел выносливости – то напряжение, при котором разрушение невозможно, даже если количество циклов воздействия стремится к бесконечности. Говоря, какие ещё параметры выделяют, нужно указать кривую усталости (иллюстрирующую влияние напряжения и числа остаточных циклов до возникновения дефекта) и сами циклы нагружения (создающие остаточное напряжение).

То, в какой степени происходит износ, зависит от ряда факторов:

• геометрия (любой острый выступ, впадина, неровность – точка, где концентрируется напряжение);
• наличие или отсутствие микротрещин;
• особенности нагрузки (асимметричные циклы вредят конструкции больше, чем симметричные).

Чем протяжённее поверхность стали, чем больше изготовленный предмет, тем выше риск столкнуться с дефектами. Поэтому дизайнеры, проектировщики, архитекторы, должны учитывать эти моменты, точно балансировать разнородные характеристики.

Основные химические свойства

Содержание легирующих веществ прямо влияет, как уже указано, на стойкость к коррозии. По этому критерию выделяют ржавеющие и нержавеющие виды стали. Даже самые стойкие типы металла при этом могут быть повреждены насыщенными кислотами, щелочами – это обстоятельство нельзя игнорировать, хотя отдельные марки более надёжны в агрессивной среде. Ещё надо учитывать:

• окисление (поверхностный окислившийся слой ухудшает внешний вид, но мешает дальнейшему распространению коррозии в глубокие слои металла);
• биосовместимость (эти характеристики актуальны при использовании в медицинской, ветеринарной сфере);
• жаростойкость (определяет пригодность стали для двигателей, нагревательных приборов, других подвергающихся сильном нагреву узлов и аппаратов);
• свариваемость (она тоже прямо зависит от состава образцов).

Биологические свойства стали могут ухудшиться при добавлении легирующих компонентов. Никель является выраженным аллергеном, раздражает слизистые. Хром менее опасен, но его присутствие в стали тоже должно быть ограничено. Чем однороднее распределены элементы, тем выше способность приживаться в организме без последствий. Хирурги, стоматологи чаще выбирают сталь 316L, которую отличает приличный баланс прочностных и биологических параметров. Повысить биосовместимость позволит высокое содержание карбида вольфрама в поверхностном слое.

Говоря про основные характеристики, нельзя обойти стороной пригодность для сварочных работ. Кроме углерода, на неё прямо влияет и марганец. Его повышенное содержание (в пределах 0,8%) стабилизирует свариваемость. Но более интенсивное легирование стали приводит уже к высокому риску холодных трещин. Незначительное (до 0,03%) вхождение кремния не влияет на результат. Однако при содержании 0,8–1,5% и выше появляются оксиды кремния, которые плохо плавятся, мешают выработке гармоничного шва.

Сварочные характеристики резко идут вниз в присутствии серы и фосфора. Такие компоненты должны быть строго ограничены, иначе варить металлоконструкции станет почти невозможно.

Технологические аспекты

Обрабатываемость резанием и механические свойства стали связаны очевидным образом. Эта характеристика определяет, насколько удобно применять:

• свёрла;
• фрезы;
• станочные резцы.

Автоматные стали (маркируемые буквой А) больше других подходят для резания. Наличие серы, свинца, фосфора облегчает прорезание заготовок. Однако эти особенности состава могут ухудшить иные свойства стали. При этом механические свойства стали, улучшаемые легированием, одновременно снижают эффективность обработки резанием. Негативно отражается на этом моменте и термообработка во время производства. Парадокс в том, что непосредственно перед обработкой стали её прогрев может улучшить прохождение резца или фрезы.

Среди технологических свойств трудно переоценить значение ковкости. Она влияет на проведение не только ковки, но и штамповки, волочения, прокатки стали. Ковкость – это совокупность трёх иных свойств:

• удлинение (процентный индекс изменения длины при нагрузке);
• сужение (насколько меняется сечение при растягивающем усилии);
• угол изгиба (насколько можно изогнуть образец, не вызвав растрескивания).

Прокаливаемость стали – это её готовность закаливаться на заданную глубину. Легированный прокат можно остужать медленнее, поэтому он чаще используется для закалки. Толстые заготовки труднее прокалить, потому что они требуют ускоренного остывания при низкой теплопроводности. Говоря о свойствах, нельзя также упустить из вида сплошную прокаливаемость. Она подразумевает выработку однородного по всему объёму металлического товара. Его характеристики останутся неизменяемы даже при сложных условиях наружной среды.

Влияние углерода

Значение этого элемента, даже если он введён в небольшом количестве, невозможно переоценить. Сталь по мере роста его концентрации становится твёрже, прочнее. Но повышенное содержание C неизбежно ухудшает ряд основных параметров проката – пластичность и вязкость. Поэтому углеродистые стали могут оказаться хрупкими, подверженными усталостному износу. Наращивать прочность приходится осторожно, чтобы металлом можно было пользоваться без риска преждевременного выхода из строя.

В каких ещё моментах доля углерода оказывает большое влияние? Это:

• сопротивление электрическому току;
• теплопроводность стали;
• магнитная проницаемость;
• индуктивность;
• хладноломкость.

Углеродистая сталь хуже пропускает электрические импульсы, через неё медленнее проходит тепло. Для создания изоляционных оболочек это полезно, однако основные характеристики станут ниже. Особенно плохо обстоят дела со свариваемостью. Присутствие углерода создаёт риск возникновения трещин. Также оно:

• снижает пластичность обработанных участков;
• заставляет тщательнее готовиться к сварке;
• может негативно отразиться на антикоррозийных свойствах, если распределение компонентов в основной массе предмета и в шве отличается.

Поскольку сварка высокоуглеродистой стали необходима, используют особые приёмы, позволяющие сгладить негативные эффекты. Например, путём применения электродов, строго заданного темпа охлаждения. Широко распространено и введение в сварочную область газов с защитными свойствами.

Резать и штамповать сталь высокоуглеродистых категорий проблематично, из них трудно сделать даже простую деталь. Чтобы не бороться с этими механическими свойствами, подавляющую часть стальных изделий делают без использования проблемного сырья. Малое содержание углерода позволяет легко применять заготовки в строительстве, машиностроении. Стоит учесть, что малоуглеродистые стали всё же довольно крепки. Для массового применения их механических свойств хватает. Трудности возникают только в том случае, когда сталь будет подвергаться крайне интенсивному воздействию.

Углеродистый тип считают более подходящим для эксплуатации в коррозионно-активной среде. Однако это качество не следует переоценивать. Даже малоуглеродистые стали могут уверенно противостоять химической деградации благодаря:

• оцинковке;
• электрохимической защите;
• нанесению красок и лаков.

Учитывая базовые характеристики, вполне предсказуемо, что такую сталь регулярно заказывают:

• автомобильные заводы;
• предприятия по выпуску строительного крепежа;
• компании, производящие бытовую технику, электроинструмент.

Углеродистыми признают соединения железа, в которых доля C колеблется от 0,04 до 2,14%. Присутствие других компонентов является ограниченным (до 1% максимум). Уровень антикоррозионных свойств может снижаться в присутствии влаги, едких веществ.

Низкоуглеродистая сталь:

• пластична;
• неплохо сваривается;
• отличается мягкостью.

Среднеуглеродистые соединения применяют, чтобы делать шестерёнки, машинные валы, прочие виды деталей. Высокоуглеродистая сталь нужна для получения пружин, режущих приспособлений, подшипников.

Как содержание углерода влияет ещё

Если сталь содержит его в значительных объёмах, увеличивается коэрцитивная сила, а магнитность падает. Другие примеры негативных для электротехники свойств сталей:

• падение магнитной проницаемости;
• появление ферритных включений;
• сокращение магнитной индукции.

Однако углеродистые металлургические продукты всё же имеют ограниченное значение для:

• сердечников трансформаторов;
• сердечников роторов или статоров в электромоторе;
• сердечников генераторов.

При этом трансформаторные, линейные и динамные стали одинаково малоуглеродистые.

Добавляя углерод, сократить теплоёмкость почти невозможно. Однако в высоких концентрациях он меняет структуру, и тогда теплоёмкость тоже будет отличаться. Куда сильнее это отражается на свойствах при повышенном нагреве. Так, сталь с 0,1% C вдвое устойчивее на разрыв при 760 градусах, чем с 0,15%. То, сколько углерода ввели, нужно учитывать также при технологической подготовке литья или плавки.

Если содержание углерода высокое, кислотостойкость может падать. Обусловлено это реакцией с хромом (образованием карбидов), что мешает формированию оксидной плёнки. Карбиды собираются вокруг отдельных зерён, и сталь становится неоднородной в плане коррозионной защищённости. Компенсировать это ухудшение свойств можно только усиленным легированием. Повышенной кислотостойкостью обычно обладают нержавеющие стали, наподобие 304L.

Говоря, какими свойствами обладает прокат с углеродистостью, нельзя не отметить, что он имеет высокий предел прочности, мало подвержен вибрациям. Эти характеристики ценны для оснований и рам станков. При среднем уровне содержания углерода достигается баланс прочности и пластичности. Однако даже в незначительных количествах углерод утяжеляет сборку, что критично при выпуске многих деталей. Отчасти компенсацией таких свойств выступает применение комплексных соединений – с добавкой алюминия.

Дополнительные сведения о применении

Если углерод содержится в небольшом объёме, коррозионная стабильность будет достаточна для изготовления автомобильного кузова. Среднеуглеродистая сталь предпочтительна для формирования рам, поскольку они переносят мощные нагрузки. Если углерод добавить ещё, получается приличное сырьё для пружин, остальных узлов подвески. Обычно науглероженные стали покрывают слоем цинка, чтобы снизить риск деградации.

Высокотемпературными свойствами таких соединений объясняется их востребованность при выпуске газовых и электрических плит, духовых шкафов. Так как сталь может быть твёрдой, хорошо держащей остроту, её заказывают изготовители ножей, топоров, пил. Характеристики этого продукта подойдут и при создании кухонной посуды, контактирующей с огнём. Приличная обрабатываемость – ещё один пример свойства стали, необходимого для изготовления кастрюли или сковороды со сложными формами.

Сталь низкоуглеродистого типа берут, чтобы делать:

• болты;
• гайки;
• прочие крепежи, где не нужна повышенная прочность.

Если углерод содержится в большем количестве, можно получить конструкции со средней стойкостью к нагрузкам. Наконец, шпильки, анкеры и иные высоконагруженные крепления должны быть насыщены углеродом максимально. Однако нужно подбирать типы стали с поправкой на коррозионную нагрузку либо применять изолирующие покрытия.

Низкоуглеродистую сталь регулярно заказывают, чтобы прокладывать трубопроводы общего назначения. Её свойств для создания напорных магистралей – нефтепроводов, газопроводов – уже недостаточно. В этих коммуникациях есть место только среднеуглеродистой стали. Когда актуальна особая прочность, износостойкость, выбора нет – только что-то высокоуглеродистое выручит. Отдельно нужно подчеркнуть, что свойства стали – независимо от уровня углеродистости – пригодятся при прокладке труб как на поверхности, так и под землёй. Если же говорить о паропроводах из стали, то на первый план выходит текучесть.

Описанные базовые свойства стали исчерпывающим образом объясняют причины её непреходящей популярности. Даже активное внедрение новейших материалов, каких прежде никто не знал, не уменьшило потребность в металлопрокате. Однако нужно внимательно выбирать марки металла, заказывать его только у проверенных поставщиков, чтобы избегать внезапных осложнений.