Свойства стали

Введение:

Сталью называют сплав железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Стали различают по х и м и ч. составу: углеродистые и легированные (содержащие хром, никель, молибден и др. элементы); по содержанию углерода — низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,25—0,6%), высокоуглеродистые (до 2%); по назначению — строительные, конструкционные, арматурные (для железобетонных конструкций) и др.; по способу производства — мартеновские, конверторные и электроплавильные. Конверторные стали в свою очередь подразделяются на бессемеровские, выплавляемые в конверторах с кислой футеровкой, и томасовские в конверторах с осн. футеровкой; по степени раскисленности — кипящая, спокойная и полуспокойная.

Для стальных строит, конструкций  применяют главным образом сталь  мартеновскую углеродистую, обыкновенного  качества и низколегированную, а  также конверторную, полученную продувкой  технически чистым кислородом.

Низкоуглеродистые стали  обладают высокой пластичностью, что  позволяет подвергать их значит, холодным деформациям без опасности образования  трещин и способствует благоприятному перераспределению местных перенапряжений. Эти стали слабо закаливаются, малочувствительны к мзетному нагреву, хорошо свариваются. Недостатки низкоуглеродистых сталей (по сравнению с низколегированными): более низкая прочность, меньшая ударная вязкость, повышенная чувствительность к механическому старению.

 

 

 

 

 

1. Физические свойства  стали.

 

1.1  Истинная и средняя плотность – это предел отношения массы к объему без учета имеющихся в них пустот и пор. 
      У плотных материалов (сталь) средняя плотность практически равна истинной. = 7850-7900 кг/м³

 

1.2 Теплопроводность

Теплопроводность стали так  же, как и других металлов и их сплавов между собой, может меняться в очень широких пределах. При этом, как правило, теплопроводность чистых металлов всегда выше, чем теплопроводность их сплавов.

Теплопроводность – это перенос  тепловой энергии молекулами и атомами в результате их теплового движения. Характеризуется  коэффициентом  теплопроводности, который измеряется в Вт/м*К.

Сталь имеет поликристаллическое  строение. Она состоит из отдельных  зерен размером от 0,01 до 0,2 мм, сросшихся  между собой. Между зернами в  виде тонких прослоек расположены вкрапления карбидов, оксидов и т.д.

На теплопроводность стали влияет то, какие примеси в нее добавлены. Например, добавки хрома и марганца  снижают теплопроводность.

 

В зависимости от содержания углерода выделяют:

низкоуглеродистые стали – с  содержанием углерода до 0,25%,   среднеуглеродистые стали  - с содержанием углерода от 0,25 до 0,6%, высокоуглеродистые стали  - с содержанием углерода от 0,6 до 2%. При увеличении содержания в стали углерода она становится тверже, но при этом и ее ковкость, и ее теплопроводность падают.

Значения теплопроводности стали  при нормальных условиях следующие:

Коэффициент теплопроводности железа (железом называют обычно сталь с  содержанием углерода менее 0,1%) – 60  Вт/м*К.

Коэффициент теплопроводности серого чугуна средней прочности (чугун  – это сталь, содержащая до 2% углерода) – 42 – 58 Вт/м*К.

При повышении температуры теплопроводность стали уменьшается, при понижении  – увеличивается. В результате длительной работы стальных деталей в условиях высоких температур происходит процесс  теплового старения стали, в результате которого, кроме прочего, происходит и уменьшение ее теплопроводности.

 

1.3 Электропроводность

Электропроводность - способность  тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению.

Сталь как проводниковый материал используется в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог и пр. Удельная проводимость стали в 6 – 7 раз меньше, чем у меди, s_р= 700 – 750 МПа.На переменном токе в стали проявляется поверхностный эффект и появляются потери мощности на гистерезис. Сталь может использоваться для проводов воздушных линий электропередач, если передаются небольшие мощности и основную роль играет не удельное сопротивление провода, а его механическая прочность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Механические  свойства:

 

2.1Предел прочности 

Предел прочности — механическое напряжение  , выше которого происходит разрушение материала. Согласно ГОСТ 1497-84 более корректным термином является «Временное сопротивление разрушению», то есть напряжение, соответствующее наибольшему усилию, предшествующему разрыву образца при (статических) механических испытаниях. Термин происходит от того представления, что материал может бесконечно долго выдержать любую статическую нагрузку, если она создаёт напряжения меньшие по величине, чем временное сопротивление. При нагрузке, соответствующей временному сопротивлению (или даже превышающей её — в реальных и квазистатических испытаниях) разрушение материала (разделение образца на несколько частей) произойдёт через какой-то конечный промежуток времени, возможно, что и практически сразу.

Мерами измерения прочности также могут являться предел текучести, предел пропорциональности, предел упругости, предел выносливости и др, так как для выхода конкретной детали из строя часто достаточно и слишком большого (больше допустимого) изменения размеров детали, а при этом может и не произойти нарушение целостности, лишь только деформация. Эти показатели практически никогда не подразумеваются под термином предел прочности.

Значения предельных напряжений на растяжение и на сжатие обычно различаются. Для композитов предел прочности на растяжение обычно больше предела прочности на сжатие, для керамических (и других хрупких) материалов — наоборот, металлы, сплавы и многие пластики как правило показывают одинаковые свойства. В большей степени эти явления связаны не с какими-то физическими свойствами материалов, а с особенностями нагружения, схемы напряженного состояния при испытаниях и с возможностью пластической деформации перед разрушением.

Некоторые значения прочности на растяжение,  , в кгс/мм² (1 кгс/мм² = 10 МН/м² = 10 МПа)

 

2.2 Предел текучести

Если охарактеризовать понятие  предела текучести кратко, то в  сопротивлении материалов пределом текучести называют напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация. Предел текучести относится к характеристикам прочности.

Предел текучести металла измеряется в кг/мм² или Н/м². На значение предела текучести металла влияют самые разные факторов, например: толщина образца, режим термообработки, наличие тех или иных примесей и легирующих элементов, микроструктура, тип и дефекты кристаллической решётки и др. Предел текучести металлов сильно меняется с изменением температуры. Предел текучести устанавливает границу между упругой и упруго-пластической зонами деформирования. Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации.

Предел текучести сталей в ГОСТах указывается с пометкой "не менее", единица измерения МПа. Приведём в качестве примера регламентируемые значения предела текучести σ_Т некоторых распространённых сталей.

Для сортового проката базового исполнения (ГОСТ 1050-88, сталь конструкционная  углеродистая качественная) диаметром  или толщиной до 80 мм справедливы  следующие значения предела текучести  сталей:

-Предел текучести стали 20 (Ст20, 20) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 245    ---Н/мм² или 25 кгс/мм².

-Предел текучести стали 30 (Ст30, 30) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 295 Н/мм² или 30 кгс/мм².

-Предел текучести стали 45 (Ст45, 45) при T=20°С, прокат, после нормализации - не менее 355 Н/мм² или 36 кгс/мм².

 

2.3 Пластичность

Пластичность -способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, изгиб и др.

Пластичность стали зависит от ее природы, характера напряженного состояния при деформации, а также температурных и скоростных условий деформации. 

Пластичность стали, уменьшается пропорционально количеству внедренного водорода, при этом водород проникающий в сталь, концентрируется в поверхностном слое и оказывает основное влияние на изменение механических свойств. Подтверждением этого-может служить большое число экспериментальных данных, показывающих, что десорбция водорода при комнатной или повышенных температурах приводит к восстановлению механических характеристик. 

 

2.4 Ударная вязкость

Ударная вязкость - свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у СтЗ ударная вязкость при +20 °С составляет 0,5...1 МДж/м2, а при-20 °С- 0,3...0,5 МДж/м2.

С помощью технологических  испытаний обнаружена способность  стали принимать определенные деформации, аналогичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего  производят пробу на холодный загиб.

Ударная вязкость стали при температуре ниже 0 - С и в интервалах 300 - 600 и 900 - 1000 - С резко снижается, вследствие чего увеличивается хрупкость стали. Уменьшение вязкости стали и повышение ее хрупкости при температуре ниже 0 - С называется хладноломкостью, в интервале 300 - 600 - синеломкостью и в интервале 900 - 1000 - С - красноломкостью.

 

2.5 Твёрдость

Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела .

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентера (закаленного шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь. Ее вычисляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цементацией - насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).

 

3. Технологические свойства

 

3.1 Ковкость

Ковкость — способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатка, волочение, прессование, штамповка). Ковкость характеризуется двумя показателями — пластичностью, то есть способностью металла подвергаться деформации под давлением без разрушения, и сопротивлением деформации. У ковких металлов (сталь, латунь, дюралюминий и некоторые другие медные, алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы) относительно высокая пластичность сочетается с низким сопротивлением деформации.

Высокую  ковкость сталь получает только после нагрева еёдо температур выше 850 - 900 С.

 Увеличение содержания водорода  ухудшает ковкость стали, повышает количество ковочных трещин. 

Марганец повышает закаливаемость, износостойкость и ковкость стали. 

При содержании марганца до 1 % заметного  понижения ковкости стали не наблюдается. При содержании же марганца свыше 7 % сталь хорошо куется при более низкой температуре, чем в предыдущем случае.

Ванадий V повышает прочность, снижает  величину зерна и улучшает ковкость сталей. 

При содержании не выше 3 % никель не оказывает  заметного влияния на ковкость стали. 

Ванадий в пределах 0 5 - - 2 0 % не понижает ковкости стали. 

 

3.2 Жидкотекучесть

Жидкотекучесть — это свойство сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке.

Жидкотекучесть определяют по стандартной пробе в виде канала определенной длины и диаметра с литниковой чашей.

Жидкотекучесть равна по длине пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Чем длиннее путь-пруток, тем больше жидкотекучесть. Среднюю жидкотекучесть (350—340 мм) имеют углеродистые стали, белый чугун, алюминиево-медные и алюминиево-магниевые сплавы

 

3.3 Обрабатываемость резанием

Обработка металлов резанием — один из основных способов изготовления деталей. С помощью резания обрабатывают детали различной формы — от простого валика до сложных корпусов — и  разных размеров — от деталей, которые  видны разве что под микроскопом, до судовых гребных валов длиной до 30 м

 

3.4 Свариваемость 

Способность стали к образованию  качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним помимо химического .состава  относятся технология сварки (режимы), жесткость сварного узла, а также  комплекс требований, предъявляемых  к сварному соединению условиями  эксплуатации.

Свариваемость является качественной характеристикой и для разных сталей не одинакова. Стали подразделяют по свариваемости на четыре группы.

Стали с хорошей свариваемостью, при сварке которых качественное сварное соединение получается при  обычных режимах всеми видами сварки без предварительного и сопутствующего подогрева. .

Стали с удовлетворительной свариваемостью - качественное сварное  соединение можно получить только в  узком диапазоне режимов с  применением дополнительных технологических  мероприятий (предварительный подогрев конструкции).

Стали с ограниченной свариваемостью, при сварке которых удовлетворительное качество сварных соединений достигается  в очень узком диапазоне режимов  сварки с обязательным предварительным  и сопутствующим подогревом при  сварке и последующей после сварки термической обработкой.