Механические свойства стали

Без сомнения наиболее важными свойствами сталей, благодаря которым они находят такое широкое применение, являются их механические свойства. Эти свойства включают комбинацию очень высокой прочности со способностью к значительному изменению формы, например, пластическому прогибу, перед окончательным разрушением. Чтобы характеризовать прочность и пластичность (меру пластического прогиба) сталей и других металлов разработаны различные методы испытаний.

Прочность сталей

Механические свойства сталей, как и других металлических материалов, чаще всего определяются с помощью испытания на растяжение. Испытание на растяжение заключается в приложении растягивающего усилия к образцу – чаще всего, в виде стержня – и измерении изменения длины образца при увеличении прилагаемого усилия (рисунок 1). Образец вырезают из интересующего материала или изделия. Результат испытания представляет собой диаграмму растяжения — график, на котором по вертикали откладывается напряжение (усилие на единицу площади образца), а по горизонтали – деформация (относительное изменение длины образца).

diagramma-rastyazheniyaРисунок 1 – Диаграмма напряжение-деформация
при испытании образца на растяжение

При малых деформациях стержень ведет себя упруго – он «отпружинивает» обратно к своей исходной длине, если приложенные напряжения снимают. При напряжении выше величины, которую называют пределом текучести, стержень начинает деформироваться пластически. Это значит, что после снятия прилагаемых напряжений стержень уже не возвращается к своей исходной длине, а получает необратимое удлинение. Путем растяжения стержня до разрушения находят максимальное напряжение на диаграмме растяжения. Это максимальное напряжение называют прочностью при растяжении или временным сопротивлением растяжению материала, из которого был изготовлен образец.

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).

diagramma-xrupkogo-plasticheskogoРисунок 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.

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.

ispytanie-tverdostiРисунок 3 – Схема испытания на твердость и его основные характеристики

Соотношение прочности и твердости сталей

В закаленных и отпущенных сталях наблюдается хорошая корреляция между пределом прочности и твердостью – по твердости можно оценивать прочность и наоборот. Для термически упрочненных сталей твердость 45 HRC и выше является обычным делом. Твердость 45 HRC соответствует прочности при растяжении 1480 МПа. Если сравнить это с самыми прочными промышленными сплавами алюминия, меди и титана, которые грубо имеют прочность соответственно 570, 1220 и 1350 МПа, то станет ясно, что сталь прочнее всех этих материалов.

Вязкость сталей

Важным механическим свойством стали является ее вязкость. Обычно термин вязкость применяют, как меру способности металла разрушаться нехрупко.

Характер разрушения – хрупкий или пластичный – хорошо рассматривать на примере ферритных сталей. Все металлы с объемноцентрированной кубической атомной решеткой – как и ферритные стали – имеют один общий недостаток. Они разрушаются хрупко при низких температурах, тогда как при достаточно высоких температурах разрушаются нормально – пластически. Температура перехода от пластического разрушения к хрупкому называется температурой вязко-хрупкого перехода. Она определяется как температура, ниже которой происходит хрупкое разрушение. Температуру хрупкого перехода можно в принципе определять испытанием на растяжение, но при одноосном растяжении ее величина значительно ниже, чем та, которую наблюдают в сложных стальных деталях. Опыт показал, что испытания на ударную вязкость по методу Шарпи намного лучше согласуются с опытными данными по хрупкому разрушению сложных деталей. Схема метода испытания на ударную вязкость по Шарпи показана на рисунке 4.

ispytanie-sharpiРисунок 4 – Схема ударного испытания по  методу Шарпи

Усталость сталей

Усталостное разрушение – это тип разрушения, который происходит в металлических деталях, которые подвергаются циклическим нагрузкам.

Рассмотрим ось на колесах, на которую «давит» довольно тяжелый груз. Это груз вызывает изгиб в центре в точке посередине между колесами, как показано схематически на рисунке 5.

ciklicheskoe-nagruzhenieРисунок 5 – Смена сжимающих и растягивающих напряжения
на поверхности вращающейся оси

Этот изгиб заставляет металл растягиваться в точке Т и сжиматься в точке С. Другими словами это означает, что в точке Т металл подвергается растягивающим напряжениям, а в точке С – сжимающим. Поэтому, поскольку ось вращается каждая точка посередине оси подвергается циклическим напряжениям – растягивающим, когда она находится внизу и сжимающим, когда вверху.

В хорошо спроектированной оси максимальные растягивающие напряжения будут далеко ниже предела текучести и все деформации, которые происходят на поверхности металла во время вращения, будут в упругой области, как это показано в нижней части рисунка 5.

Однако, если на поверхности металла есть маленькая царапина, то в этом месте поверхности возникает так называемая концентрация напряжений. Если величина напряжений в этой точке будет превышать предел текучести, то здесь может зародиться трещина. Каждый раз, когда ось делает оборот, эта трещина будет расти, пока не станет достаточно большой, чтобы привести к разрушению оси. Этот процесс называют усталостным разрушением или усталостью сталей. Способность стали сопротивляться циклическим напряжениях называют усталостной прочностью или циклической прочностью.  Усталостные разрушения происходят в металлических деталях, которые подвергаются циклическим напряжениям, таких как вращающиеся детали, клапаны, пружины, а также вибрирующие детали, такие как самолетные крылья.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007