Ze względu na swoje właściwości materiałowe stal jest prawdopodobnie najważniejszym materiałem inżynieryjnym i budowlanym na świecie. Jej atrakcyjność wynika z rzadkiego połączenia cech: jest wytrzymała, a jednocześnie podatna na obróbkę, trwała, a jednocześnie ekonomiczna, a jej właściwości można dostosowywać w szerokim zakresie poprzez zmianę składu i sposobu przetwarzania. Do najcenniejszych właściwości stali należą doskonała plastyczność i trwałość, dobra wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności oraz dobra przewodność cieplna, natomiast w przypadku gatunków stali nierdzewnej kluczową właściwością jest odporność na korozję.
Właściwości stali dzieli się zazwyczaj na kilka szerokich kategorii. Właściwości mechaniczne opisują, w jaki sposób stal reaguje na przyłożone siły, i obejmują wytrzymałość, plastyczność, twardość oraz odporność na pękanie. Właściwości fizyczne są nieodłączną cechą materiału i obejmują gęstość, przewodność cieplną oraz moduł sprężystości. Właściwości technologiczne, takie jak spawalność, skrawalność i formowalność, opisują, jak łatwo można przetworzyć stal na gotowy element. Niniejszy tekst skupia się na właściwościach mechanicznych i fizycznych, które najczęściej decydują o wyborze materiału.
Wybierając materiał do konkretnego zastosowania, inżynierowie muszą mieć pewność, że wytrzyma on obciążenia i warunki środowiskowe, z jakimi będzie musiał się zmierzyć podczas eksploatacji. Niezbędne jest zatem dokładne zrozumienie i opanowanie właściwości materiału, ponieważ stal o zbyt niskich parametrach może ulec uszkodzeniu podczas eksploatacji, podczas gdy stal o zbyt wysokich parametrach powoduje niepotrzebny wzrost kosztów i masy.
To, co wyróżnia stal, to stopień, w jakim można kształtować jej właściwości mechaniczne. Ten sam skład podstawowy może charakteryzować się miękkością i wysoką plastycznością w jednym stanie, a w innym – wyjątkową twardością i wytrzymałością, w zależności od zastosowanej metody obróbki i obróbki cieplnej. Zabiegi te polegają na zmianie mikrostruktury stali, czyli układu i rodzaju faz wewnętrznych, takich jak ferryt, perlit, bainit i martenzyt. Na przykład zwiększenie zawartości węgla podnosi wytrzymałość i twardość, ale zmniejsza plastyczność i spawalność, podczas gdy obróbki cieplne, takie jak wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie, zmieniają rozmieszczenie mikrostruktury w sposób sprzyjający albo wytrzymałości, albo twardości. Ponieważ zmienne te oddziałują na siebie, konieczne jest przeprowadzenie badań w celu potwierdzenia ostatecznych właściwości stali oraz sprawdzenia, czy spełnia ona odpowiednie normy.
Różne badania pozwalają określić różne właściwości mechaniczne, a każde z nich dostarcza inżynierowi konkretnych informacji na temat zachowania danej stali.
Badanie rozciągania pozwala ocenić, w jaki sposób stal reaguje strukturalnie na przyłożone obciążenia, a wyniki przedstawia się w postaci krzywej naprężenie-odkształcenie. Ta pojedyncza krzywa pozwala określić kilka kluczowych właściwości. Początkowy prosty odcinek odpowiada odkształceniu sprężystemu (odwracalnemu), a jego nachylenie stanowi moduł Younga, będący miarą sztywności. Punkt, w którym materiał zaczyna ulegać trwałym odkształceniom, to granica plastyczności – najczęściej stosowana wartość projektowa, ponieważ większość elementów konstrukcyjnych nie może ulegać odkształceniom plastycznym podczas eksploatacji. Najwyższe naprężenie, jakie stal może wytrzymać, to jej wytrzymałość na rozciąganie, natomiast stopień wydłużenia przed pęknięciem, wyrażony jako wydłużenie procentowe, wskazuje na jej plastyczność.
Stosunek naprężenia do odkształcenia w obszarze sprężystym, czyli moduł Younga, jest jedną z najbardziej charakterystycznych właściwości stali. W przypadku stali mieści się on w przedziale od 190 do 210 GPa, co stanowi około trzykrotność wartości dla aluminium. Ta wysoka sztywność jest głównym powodem, dla którego stal jest wybierana do konstrukcji, w których ugięcie musi być ograniczone, a co ważne, różni się ona bardzo nieznacznie między poszczególnymi gatunkami stali, mimo że ich wytrzymałość może się znacznie różnić.
Twardość określa odporność stali na miejscowe odkształcenia powierzchniowe i jest oceniana poprzez wciskanie twardego indentora w powierzchnię oraz pomiar powstałego wgłębienia. Powszechnie stosowane skale – Brinella, Rockwella i Vickersa – wykorzystują różne wgłębiacze i obciążenia, a twardość często wykazuje użyteczną korelację z wytrzymałością na rozciąganie i odpornością na zużycie, dlatego jest to szybka i popularna metoda kontroli jakości.
W przeciwieństwie do tego, wytrzymałość na uderzenie określa ilość energii, jaką stal może pochłonąć przed pęknięciem, zwłaszcza pod wpływem nagłego uderzenia. Mierzy się ją zazwyczaj za pomocą prób udarowych, takich jak próba Charpy’ego. Wytrzymałość jest szczególnie ważna, ponieważ wiele rodzajów stali staje się kruchych w niskich temperaturach – jest to zjawisko znane jako przejście z plastyczności do kruchości. Zrozumienie tego zjawiska ma kluczowe znaczenie w przypadku konstrukcji eksploatowanych w zimnym środowisku, gdzie stal, która w normalnych warunkach jest wytrzymała, może nagle ulec uszkodzeniu.
Wiele elementów ulega uszkodzeniu nie pod wpływem pojedynczego dużego obciążenia, lecz w wyniku powtarzających się, mniejszych obciążeń cyklicznych występujących w dłuższym okresie czasu – proces ten nazywany jest zmęczeniem materiału. Stal wyróżnia się tym, że wiele jej gatunków wykazuje granicę zmęczeniową lub wytrzymałościową – naprężenie, poniżej którego może ona wytrzymać praktycznie nieograniczoną liczbę cykli obciążeniowych bez uszkodzenia. Ta właściwość ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu wałów obrotowych, osi, sprężyn i innych elementów poddawanych ciągłym obciążeniom cyklicznym.
Właściwości fizyczne stali wynikają z podstawowych właściwości fizycznych tego materiału, w tym gęstości, przewodności cieplnej, modułu sprężystości i współczynnika Poissona. W odróżnieniu od właściwości mechanicznych, są one w dużej mierze uwarunkowane składem żelaza i różnią się między poszczególnymi gatunkami jedynie nieznacznie, co sprawia, że podane poniżej typowe wartości stanowią wiarygodny punkt wyjścia do obliczeń projektowych.
Szersze zakresy przewodności cieplnej i rozszerzalności cieplnej odzwierciedlają wpływ stopowania: gatunki wysoko stopowane, takie jak austenityczne stale nierdzewne, przewodzą ciepło gorzej i rozszerzają się bardziej niż stale węglowe, co ma praktyczne konsekwencje dla spawania, obróbki cieplnej oraz elementów narażonych na wahania temperatury.
Podczas gdy wytrzymałość i sztywność mają decydujące znaczenie przy doborze stali konstrukcyjnych, odporność na korozję jest cechą charakterystyczną gatunków stali nierdzewnej. Odporność ta wynika z minimalnej zawartości chromu wynoszącej około 10,5%, który w reakcji z tlenem tworzy cienką, przylegającą i samonaprawiającą się warstwę tlenku chromu, znaną jako warstwa pasywacyjna. W przypadku zarysowania powierzchni warstwa ta odbudowuje się w obecności tlenu, dzięki czemu stal nierdzewna chroni się przez cały okres eksploatacji. Dodatki, takie jak nikiel i molibden, dodatkowo zwiększają odporność w określonych środowiskach, dlatego stale nierdzewne są stosowane w różnych dziedzinach – od przetwórstwa spożywczego po przemysł morski i chemiczny.
W niniejszym artykule omówiono właściwości mechaniczne i fizyczne, które decydują o zachowaniu stali podczas eksploatacji. Pozostałe przewodniki z serii „Stal” wyjaśniają, skąd biorą się te właściwości i jak są definiowane. W przewodniku „Skład stali” wyjaśniono, w jaki sposób pierwiastki chemiczne zawarte w stali determinują jej potencjał właściwościowy, a w przewodniku „Gatunki stali” pokazano, w jaki sposób materiały są klasyfikowane w grupy, które użytkownicy określają i nabywają. Artykuły „Specyfikacje stali” i „Normy dotyczące stali” omawiają dokumenty i ramy regulacyjne, które określają granice właściwości i składu, natomiast artykuł „Odpowiedniki stali” wyjaśnia, w jaki sposób porównuje się właściwości podczas dopasowywania gatunków w różnych systemach. Razem łączą one właściwości użytkowe ze składem, klasyfikacją i normami, na których się opierają.
Właściwości stali dzieli się zazwyczaj na właściwości mechaniczne (takie jak wytrzymałość, twardość, plastyczność i udarność), właściwości fizyczne (takie jak gęstość, przewodność cieplna i moduł sprężystości) oraz właściwości technologiczne (takie jak spawalność, skrawalność i formowalność).
Granica plastyczności to naprężenie, przy którym stal zaczyna ulegać trwałym odkształceniom, i jest to wartość najczęściej stosowana w projektowaniu. Wytrzymałość na rozciąganie to maksymalne naprężenie, jakie stal może wytrzymać, zanim ulegnie zniszczeniu. W próbie rozciągania mierzy się obie te wartości, a także plastyczność i sztywność.
Moduł Younga odzwierciedla sztywność sieci atomowej żelaza, na którą stopowanie czy obróbka cieplna nie mają znaczącego wpływu. Jego wartość utrzymuje się na stałym poziomie między 190 a 210 GPa w przypadku praktycznie wszystkich gatunków stali konstrukcyjnych. Oznacza to, że zachowanie przy ugięciu pod obciążeniem sprężystym jest niezależne od gatunku stali, co znacznie ułatwia projektowanie konstrukcji.
Właściwości te reguluje się poprzez skład chemiczny, proces produkcji oraz obróbkę cieplną, a wszystkie te czynniki kształtują ostateczną mikrostrukturę. Na przykład zwiększenie zawartości węgla podnosi wytrzymałość i twardość, ale obniża plastyczność, natomiast obróbki cieplne, takie jak wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie, pozwalają dostosować równowagę między twardością a wytrzymałością na uderzenie.
Stal nierdzewna zawiera co najmniej około 10,5% chromu, który tworzy na powierzchni cienką, samonaprawiającą się warstwę pasywną z tlenku chromu. Warstwa ta nieustannie chroni metal znajdujący się pod spodem, a pierwiastki takie jak nikiel i molibden mogą zwiększać odporność w bardziej agresywnych środowiskach.