Физико-механические свойства строительных сталей, их определение.

Механические свойства стали:

• Прочность — это способность выдерживать внешнюю нагрузку, не разрушаясь. Данное свойство характеризуется пределом прочности (механическое напряжение, при котором изделие из стали разрушается) и пределом текучести (механическое напряжение, при котором изделие продолжает удлиняться, причем нагрузка отсутствует).
• Твердость — способность сопротивляться проникновению твердых тел. Измеряется методами Бринелля и Виккерса. Метод Бринелля подразумевает определение прочности при помощи нагрузки, отнесенной к площади отпечатка в процессе вдавливания стального шарика, а метод Виккерса — алмазной пирамидки.
• Пластичность — способность изменять форму после действия нагрузки и сохранение формы после того, как нагрузка снята. Характеризуется относительным удлинением при растяжении и углом загиба.
• Ударная вязкость — способность противостоять нагрузкам динамического характера. Оценить можно работой, которая нужна для разрушения образца, отнесенной к площади поперечного сечения.

Предел прочности

ПП — будем использовать это сокращение, а также можно говорить об официальном сочетании «временное сопротивление» — это максимальная механическая сила, которая может быть применена к объекту до начала его разрушения. В данном случае мы не говорим о химическом воздействии, но подразумеваем, что нагревание, неблагоприятные климатические условия, определенная среда могут либо улучшать свойства металла (а также дерева, пластмассы), либо ухудшать.

Ни один инженер не использует при проектировании крайние значения, потому что необходимо оставить допустимую погрешность — на окружающие факторы, на длительность эксплуатации. Рассказали, что называется пределом прочности, теперь перейдем к особенностям определения.

Химические свойства стали:

• Жаростойкость — способность не окисляться при высоких температурах, не образовывать окалину.
• Жаропрочность — способность сохранять прочность при высоких температурах.
• Окисляемость — способность соединять с кислородом. Чем выше температура металла, тем выше окисляемость. Если сталь с низким содержанием углерода подвергнуть воздействию влаги или влажного воздуха, то она будет окисляться, образуя оксид железа — ржавчину.
• Коррозионная стойкость — способность не окисляться, не вступать в химическую реакцию с веществами, которые окружают металл.

Виды сталей и их свойства

Под сталью понимают сплавы железа, в которых присутствует углерод и другие химические элементы. При этом содержание углерода должно варьироваться в пределах от 0,1 % до 2,14 %, а железа не должно быть меньше 45 %. Стали могут быть обычными углеродистыми, легированными и высоколегированными. В двух последних разновидностях сплавов присутствуют легирующие элементы, за счет которых сталь приобретает повышенную прочность.

Под воздействием углерода железо приобретает улучшенные физические характеристики – большую прочность, крепость, снижение пластичности. Влияние на свойства стали оказывают добавляемые в сплав легирующие вещества, усиливая названные параметры.

Стали можно классифицировать в соответствии с различными признаками. Расскажем об упомянутых классах, в основе которых лежат химические свойства металла:

1. Углеродистые стали.

Эта группа представлена сплавами железа и углерода при отсутствии в них дополнительных легирующих элементов. Предназначены они для решения конструкторских и инструментальных задач.

В зависимости от содержания углерода в составе всю группу можно поделить на подгруппы:

• низкоуглеродистые стали (в которых менее 0,25 % углерода);
• среднеуглеродистые (с содержание 0,25–0,6 % углерода);
• высокоуглеродистые (в которых присутствует до 2 % углерода).

Отличительными свойствами сплава стали является высокая прочность и твердость, а также минимальное присутствие примесей.

Рекомендуем статьи по металлообработке

• Марки сталей: классификация и расшифровка
• Марки алюминия и области их применения
• Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

2. Легированные стали.

В эти сплавы с целью повышения их прочности добавляют легирующие элементы. Деление их на подгруппы осуществляется в соответствии с качеством и количеством присутствующих в них легирующих веществ. Они относятся к:

• низколегированным (если содержание легирующих веществ меньше 4 %);
• среднелегированным (концентрация веществ варьируется от 4 % до 11 %);
• высоколегированным (при содержании более 11 % легирующих веществ).

Легирующими элементами могут быть хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo). Свойствами легированных сталей, получаемыми при взаимодействии названных элементов с железом и углеродом, является высокая износостойкость и прочность.

Также существует классификация сталей в соответствии с их структурой:

1. Аустенитная сталь.

В аустенитных сталях в процессе кристаллизации образуется однофазная аустенитная структура γ-Fe, для которой характерна гранецентрированная кристаллическая решетка, сохраняющаяся при охлаждении до криогенных температур.

Этот вид сплавов представлен следующими подвидами:

• коррозионностойкими;
• жаростойкими;
• жаропрочными;
• хладостойкими аустенитными сталями.

Иначе входящие в эту группу сплавы называют сталями аустенитного класса.

2. Ферритная сталь.

Такое название носит сталь, в составе которой присутствует легированный феррит с включением карбидов. Для ее получения (ферритного класса) железо соединяют с небольшим количеством углерода и значительной концентрацией легирующих веществ (ванадия, кремния).

3. Мартенситная сталь.

Мартенситом называют игольчатую микроструктуру, которая встречается в ряде чистых металлов, а также в закаленных сплавах металлов. В структуре мартенситных сталей преобладает мартенсит. Кроме железа, их состав характеризуется незначительным содержанием углерода (примерно 0,2 %) и заметной концентрацией хрома (в пределах 11–17 %). В сплавах можно встретить также никель, ванадий или молибден. Среди свойств сталей мартенситного класса отмечается устойчивость к воздействию щелочей, невысокая пластичность, повышенная жаропрочность, способность к самозакаливанию.

4. Бейнитная сталь.

Бейнит – структура стали, образующаяся при промежуточном превращении аустенита, в связи с чем она также носит название промежуточной структуры. Для сплавов бейнитного класса характерно присутствие легирующих веществ и низкая концентрация углерода.

5. Перлитная сталь.

Стали перлитного класса можно разделить на подгруппы, представленные:

• доэвтектоидными сплавами (содержание углерода в которых не превышает 0,8 %);
• эвтектоидными (в которых присутствует 0,8 % углерода);
• заэвтектоидными (с содержанием углерода в пределах 0,8–2 %).

Для них характерна относительно невысокая концентрация легирующих веществ.

Технологические свойства стали:

• Свариваемость — способность образовывать сварное соединение высокого качества.
• Ковкость — способность принимать другую форму под действием внешней силы.
• Обрабатываемость резанием — способность поддавать обработке механическим путем при помощи режущего инструмента.
• Жидкотекучесть — способность металла, находящегося в расплавленном состоянии, заполнять малые пространства.

Большое значение для качества стали имеет содержание углерода. Чем больше содержание этого элемента в металле, тем выше твердость и износоустойчивость. Однако высокое содержание углерода худшим образом влияет на пластичность и свариваемость металла.

Малоуглеродистые стали обыкновенного качества

Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургической промышленностью по ГОСТ 380 – 88, широкое применение в строительстве находит сталь марки Ст3.

Сталь марки Ст3 производится кипящей (СТ3кп), полуспокойной (Ст3пс) и спокойной (Ст3сп).

В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трем группам, которые обозначают, по каким свойствам нормируется сталь:

А — по механическим свойствам;

Б — по химическому составу;

В — по механическим свойствам и химическому составу

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В, т. е. с гарантией механических свойств и химического состава.

Сталь марки Ст3 содержит углерода 0,14 – 0,22 %.

Согласно ГОСТ 380 – 88, маркировка стали производится так: вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы стали, затем марка, далее способ раскисления и в конце категория; например, сталь группы В (поставляемой по механическим свойствам и химическому составу) марки Ст3 полуспокойная, категории 5 имеет обозначение ВСт3пс5.

Категория обозначает, какие механические св-ва стали сохраняются при температуре -20 и +20 градусов Цельсия. Стали обыкновенного качества делятся на 5 категорий. Таблица нормируемых показателей по категориям приведена в ГОСТ 535-88.

Как производится испытание на прочность

Изначально особенных мероприятий не было. Люди брали предмет, использовали его, а как только он ломался, анализировали поломку и снижали нагрузку на аналогичное изделие. Теперь процедура гораздо сложнее, однако, до настоящего времени самый объективный способ узнать ПП — эмпирический путь, то есть опыты и эксперименты.

Все испытания проходят в специальных условиях с большим количеством точной техники, которая фиксирует состояние, характеристики подопытного материала. Обычно он закреплен и испытывает различные воздействия — растяжение, сжатие. Их оказывают инструменты с высокой точностью — отмечается каждая тысячная ньютона из прикладываемой силы. Одновременно с этим фиксируется каждая деформация, когда она происходит. Еще один метод не лабораторный, а вычислительный. Но обычно математический анализ используется вместе с испытаниями.

Определение термина

Образец растягивается на испытательной машине. При этом сначала он удлиняется в размере, а поперечное сечение становится уже, а затем образуется шейка — место, где самый тонкий диаметр, именно здесь заготовка разорвется. Это актуально для вязких сплавов, в то время как хрупкие, к ним относится чугун и твердая сталь, растягиваются совсем незначительно без образования шейки. Подробнее посмотрим на видео:

Классификация по структуре

Под структурой стали подразумевается внутреннее строение металла, которое может существенно меняться в зависимости от условий термообработки, механических воздействий. Форма и размер зерен зависят от состава и соотношения легирующих добавок, технологии производства.

Основу зерен стали составляет кристаллическая решетка железа, в которую включены атомы примесей – углерода, металлов. Углерод может образовывать твердые растворы в кристаллической решетке, а может создавать с железом химические соединения, карбиды.

Добавки металлов существуют в виде растворов, и многие из них влияют на состояние раствора углерода.

Структура стали меняется при изменениях температуры. Эти изменения называются фазами. Каждая фаза существует в определенном температурном диапазоне, но легирующие добавки могут существенно смещать границы перехода одной фазы в другую.

Насчитывают такие основные фазы состояния металла:

• Аустенит. Атомы углерода находятся внутри кристаллической решетки железа. Данная фаза существует в диапазоне 1400-700 °С. При наличии в составе от 8 до 10% никеля, аустенитная фаза может сохраняться и при комнатной температуре.
• Феррит. Твердый раствор углерода в железе.
• Мартенсит. Пересыщенный раствор углерода. Данная фаза свойственна закаленной стали.
• Бейнит. Фаза образуется при быстром охлаждении аустенита до температуры 200-500 °С. Характеризуется смесью феррита и карбида железа.
• Перлит. Равновесная смесь феррита и карбида. Образуется при медленном охлаждении аустенита до температуры 727 °С.

Фазы строения металла характеризуют его физические свойства, в зависимости от которых определяется класс стали – конструкционная, литейная и так далее.

Маркировка сталей по российским стандартам

Маркировка сталей по российским стандартам позволяет определить состав металла и, частично, принадлежность к определенному виду.

При наличии углерода в стали более 1 %, его количество в маркировке не указывается. Марка стали включает буквенные обозначения легирующих добавок с указанием их количества в десятых и сотых долях процента, но если содержание компонента менее 1,5 %, то в маркировке присутствует только буквенное обозначение.

Читать также: Направляющий упор для циркулярной пилы

Кроме химического состава, маркировка содержит символы, характеризующие назначение стали, степень ее качества.

Пластичность сталей

Если при простом испытании на изгиб металл разрушается только после большого пластического прогиба, то его считают пластичным. Если такого прогиба нет совсем или он незначительный – материал называют хрупким. Хорошая пластичность металла проявляется при испытании на растяжение высокой величиной удлинения образца и/или его сужения. Удлинение выражает в процентах увеличение длины образца после разрушения к его исходной длине (см. рисунок 1). Аналогично сужение выражает в процентах уменьшение площади образца по сравнению с его исходной площадью (рисунок 2).

Рисунок 2 – Диаграмма растяжения для хрупкого и пластичного металлов

Чаще всего механические свойства сталей в целом оценивают по трем показателям: пределу прочности, пределу текучести и удлинению. Пределы прочности и пластичности обычно выражают в мегапаскалях (МПа), удлинение – в процентах (%). Практически всегда с увеличением прочности металла или сплава его пластичность снижается.

Цветовая маркировка

Цветовая маркировка сталей применяется для обозначения проката. Это удобно при хранении материалов на складах, транспортировке. Обозначение сталей производится метками в виде точек или полос, выполненных несмываемой краской. Цвет обозначений выбирается из таблицы согласно назначениям стали. При этом группа стали и степень ее раскисления не учитываются.

Пример цветовой маркировки стали

Твердость сталей

При испытаниях на твердость механические свойства сталей оценивают путем внедрения в него при заданном усилии твердого материала, так называемого индентора (рисунок 3). Часто такой индентор изготавливают из алмаза. В результате испытания в материале образуется отпечаток – по его размерам судят от твердости стали: в испытании по Роквеллу – по глубине отпечатка, в испытаниях по Бриннелю и Викерсу – по его ширине.

Рисунок 3 – Схема испытания на твердость и его основные характеристики