Благодаря своим свойствам сталь, пожалуй, является важнейшим инженерно-строительным материалом в мире. Её привлекательность заключается в редком сочетании качеств: она прочна и в то же время легко поддаётся формовке, долговечна и при этом экономична, а её характеристики можно регулировать в широких пределах за счёт изменения состава и способов обработки. К наиболее ценным свойствам стали относятся превосходная пластичность и долговечность, высокие пределы прочности на разрыв и текучести, а также хорошая теплопроводность, тогда как для нержавеющих марок определяющим свойством является коррозионная стойкость.
Свойства стали обычно подразделяются на несколько общих категорий. Механические свойства описывают реакцию стали на приложенные силы и включают прочность, пластичность, твёрдость и ударную вязкость. Физические свойства являются неотъемлемой характеристикой материала и включают плотность, теплопроводность и модуль упругости. Технологические свойства, такие как свариваемость, обрабатываемость и формуемость, характеризуют, насколько легко из стали можно изготовить готовую деталь. В данном тексте основное внимание уделяется механическим и физическим свойствам, которые чаще всего определяют выбор материала.
При выборе материала для конкретного применения инженеры должны быть уверены, что он выдержит нагрузки и воздействия окружающей среды, с которыми ему придётся столкнуться в процессе эксплуатации. Поэтому крайне важно четко понимать и контролировать свойства материала, поскольку сталь с недостаточными характеристиками может выйти из строя в процессе эксплуатации, а сталь с избыточными характеристиками приведёт к ненужным затратам и увеличению веса.
Особенность стали заключается в том, насколько точно можно регулировать её механические свойства. Один и тот же базовый состав может быть мягким и обладать высокой формуемостью в одних условиях и чрезвычайно твердым и прочным в других, в зависимости от применяемого технологического процесса и термообработки. Эти виды обработки изменяют микроструктуру стали, а также расположение и тип внутренних фаз, таких как феррит, перлит, бейнит и мартенсит. Например, увеличение содержания углерода повышает прочность и твердость, но снижает пластичность и свариваемость, в то время как термические обработки, такие как отжиг, закалка и отпуск, изменяют микроструктуру в пользу либо ударной вязкости, либо твердости. Поскольку эти переменные взаимодействуют между собой, необходимо проводить испытания для подтверждения конечных свойств стали и проверки её соответствия соответствующим стандартам.
Различные испытания позволяют оценить разные механические свойства, и каждое из них дает инженеру отдельную информацию о том, как будет вести себя сталь.
Испытание на растяжение позволяет оценить, как сталь реагирует с конструктивной точки зрения на приложенные нагрузки; результаты выражаются в виде кривой «напряжение-деформация». Эта кривая позволяет определить несколько ключевых свойств. Начальный прямой участок отражает упругую (восстанавливаемую) деформацию, а её наклон соответствует модулю Юнга — показателю жёсткости. Точка, в которой материал начинает подвергаться необратимой деформации, соответствует пределу текучести — наиболее часто используемому расчетному значению, поскольку большинство деталей не должны подвергаться пластической деформации в процессе эксплуатации. Наибольшее напряжение, которое может выдержать сталь, представляет собой предел прочности при растяжении, а степень её удлинения до разрушения, выраженная в процентах, указывает на её пластичность.
Отношение напряжения к деформации в упругой области, модуль Юнга, является одним из наиболее характерных свойств стали. Для стали оно находится в диапазоне от 190 до 210 ГПа, что примерно в три раза превышает соответствующее значение для алюминия. Эта высокая жёсткость является одной из основных причин, по которой сталь выбирают для конструкций, в которых необходимо ограничить прогиб; при этом стоит отметить, что она практически не меняется для различных марок стали, даже несмотря на то, что их прочность может значительно различаться.
Твёрдость характеризует сопротивление стали локальной деформации поверхности и определяется путём вдавливания твёрдого индентора в поверхность и измерения образовавшегося углубления. В распространённых шкалах — Бринелля, Роквелла и Виккерса — используются разные инденторы и нагрузки, а твёрдость часто имеет полезную корреляцию с пределом прочности при растяжении и износостойкостью, поэтому она является быстрым и популярным методом проверки качества.
В отличие от этого, ударная вязкость характеризует количество энергии, которое сталь способна поглотить перед разрушением, особенно при внезапном ударе. Обычно она измеряется с помощью испытаний на ударную вязкость, таких как испытание по Шарпи. Вялость имеет особое значение, поскольку многие стали становятся хрупкими при низких температурах — это явление известно как переход от пластичности к хрупкости. Понимание этого перехода имеет решающее значение для конструкций, эксплуатируемых в холодных условиях, где даже обычно вялая сталь может внезапно выйти из строя.
Многие детали выходят из строя не под воздействием одной большой нагрузки, а под воздействием повторяющихся, более небольших циклических нагрузок в течение длительного времени — этот процесс называется усталостью. Сталь отличается тем, что многие её марки обладают пределом усталости или пределом выносливости — напряжением, ниже которого они могут выдерживать практически неограниченное количество циклов нагрузки без разрушения. Это свойство имеет ключевое значение при проектировании вращающихся валов, осей, пружин и других деталей, подвергающихся постоянным циклическим нагрузкам.
Физические свойства стали связаны с фундаментальными физическими характеристиками материала, включая плотность, теплопроводность, модуль упругости и коэффициент Пуассона. В отличие от механических свойств, эти показатели в значительной степени определяются железосодержащей основой и различаются между марками лишь незначительно, что делает приведенные ниже типичные значения надежными отправными точками для расчетов при проектировании.
Более широкие диапазоны значений теплопроводности и теплового расширения отражают влияние легирования: высоколегированные марки, такие как аустенитные нержавеющие стали, проводят тепло хуже и расширяются сильнее, чем углеродистые стали, что имеет практические последствия для сварки, термической обработки и деталей, подвергающихся перепадам температуры.
В то время как прочность и жесткость являются определяющими факторами при выборе конструкционных сталей, коррозионная стойкость является ключевым свойством нержавеющих марок. Эта стойкость обусловлена минимальным содержанием хрома — около 10,5 %, который вступает в реакцию с кислородом, образуя тонкий, прочно прилегающий и самовосстанавливающийся слой оксида хрома, известный как пассивная пленка. В случае появления царапин на поверхности эта пленка восстанавливается под действием кислорода, что позволяет нержавеющей стали защищать себя на протяжении всего срока службы. Добавки, такие как никель и молибден, дополнительно повышают стойкость в определённых средах, поэтому нержавеющие стали применяются в самых разных областях — от пищевой промышленности до судостроения и химической промышленности.
В данной статье рассматриваются механические и физические свойства, определяющие эксплуатационные характеристики стали. В других руководствах серии «Сталь» рассказывается о том, откуда берутся эти свойства и как они определяются. В разделе «Состав стали» объясняется, как химические элементы в составе стали определяют её потенциальные свойства, а в разделе «Марки стали» показано, как материалы классифицируются по группам, которые вы указываете и приобретаете. В разделах «Технические условия на сталь» и «Стандарты на сталь» рассматриваются документы и нормативные рамки, устанавливающие предельные значения свойств и состава, а в разделе «Эквиваленты сталей» объясняется, как сравниваются свойства при сопоставлении марок в разных системах. В совокупности эти материалы связывают эксплуатационные характеристики со составом, классификацией и лежащими в их основе стандартами.
Свойства стали обычно подразделяются на механические (такие как прочность, твердость, пластичность и ударная вязкость), физические (такие как плотность, теплопроводность и модуль упругости) и технологические (такие как свариваемость, обрабатываемость и формуемость).
Предел текучести — это напряжение, при котором сталь начинает подвергаться необратимой деформации; именно это значение чаще всего используется при проектировании. Предел прочности при растяжении — это максимальное напряжение, которое сталь может выдержать до начала разрушения. В ходе испытания на растяжение измеряются оба этих показателя, а также пластичность и жесткость.
Модуль Юнга отражает жесткость атомной решетки железа, которая практически не изменяется в результате легирования или термической обработки. Он стабильно находится в диапазоне от 190 до 210 ГПа практически для всех марок конструкционной стали. Это означает, что поведение при прогибе под действием упругой нагрузки не зависит от марки стали, что значительно упрощает проектирование конструкций.
Их свойства регулируются за счет химического состава, технологии производства и термической обработки, которые в совокупности определяют конечную микроструктуру. Например, повышение содержания углерода увеличивает прочность и твердость, но снижает пластичность, тогда как термические обработки, такие как отжиг, закалка и отпуск, позволяют регулировать соотношение между твердостью и ударной вязкостью.
Нержавеющая сталь содержит не менее 10,5 % хрома, который образует на поверхности тонкую самовосстанавливающуюся пассивную пленку из оксида хрома. Эта пленка постоянно защищает металл, находящийся под ней, а такие элементы, как никель и молибден, могут повысить стойкость в более агрессивных средах.