Предел текучести: определение, измерение свойств стали, испытание сплавов

Основное определение

В процессе эксплуатации любая конструкция испытывает различные нагрузки в виде сжатия, растяжения или удара. Они могут действовать как по отдельности, так и вместе.

Современные конструкторы стремятся уменьшить массу стальных деталей с целью экономии материала, но при этом не допустить критического снижения несущей способности всей конструкции. Происходит это за счет уменьшения сечения стальной арматуры.

В зависимости от назначения объектов некоторые требования к стали могут меняться, но существует перечень стандартных и важных показателей. Их значения рассчитываются на этапе проектирования деталей и узлов будущей конструкции. Заготовка должна иметь высокую прочность с подходящей пластичностью.

В первую очередь при расчете на прочность стального изделия упор делается на предел текучести. Эта величина характеризует поведение деталей при воздействии на них.

Предел текучести материала — это величина критического напряжения, при котором материал продолжает деформироваться независимо без увеличения нагрузки. Эта характеристика измеряется в Паскалях и позволяет рассчитать максимально возможное напряжение для пластичной стали.

После прохождения этого предела в материале происходят необратимые процессы искажения кристаллической решетки. При последующем увеличении силы удара по заготовке и преодолении предела текучести деформация увеличивается.

Предел текучести иногда путают с пределом упругости. Это схожие понятия, но пределом упругости является значение максимального сопротивления металла, и оно несколько ниже предела текучести.

Значение текучести примерно на пять процентов выше, чем предел эластичности.

Пути увеличения прочностных характеристик

Есть несколько способов сделать это, два наиболее важных из них:

• добавление примесей;
• термическая обработка, например закалка.

Иногда их используют вместе.

Общие сведения о сталях

Все они обладают химическими свойствами и механическими свойствами. Ниже мы более подробно поговорим о вариантах увеличения прочности, но сначала приведем схему, на которой показаны все варианты:

Смотрите также более подробное видео:

Углерод

Чем выше содержание углерода в материале, тем выше твердость и ниже пластичность. Но в составе не должно быть более 1% химического компонента, так как большее количество приводит к обратному эффекту.

Марганец

Очень полезная добавка, но с массовой долей не более двух процентов. Обычно Mn добавляют для улучшения обрабатываемости. Материал более подвержен ковке и сварке. Это связано с вытеснением кислорода и серы.

Кремний

эффективно повышает прочностные свойства, не влияя на пластичность. Максимальное содержание 0,6%, иногда достаточно 0,1%. Он хорошо сочетается с другими примесями, вместе может повышать стойкость к коррозии.

Азот и кислород

Если они попадают в сплав, но ухудшают его свойства, при производстве от них стараются избавиться.

Легирующие добавки

Вы также можете обнаружить следующие примеси:

• Хром — повышает твердость.
• Молибден — защищает от ржавчины.
• Ванадий — для эластичности.
• Никель хорош для прокаливаемости, но может привести к охрупчиванию.

Эти и другие химические вещества необходимо использовать в строгих пропорциях. В статье мы рассказали о пределе прочности металла (кратковременном сопротивлении материала) — что это такое, формулы, как определяется и указывается сигма при растяжении и сжатии в единицах измерения. А еще предоставили несколько столов, которые можно использовать во время работы. В завершение давайте посмотрим видео:

Прочитав статью, вы можете ознакомиться с нашей подборкой ленточнопильных изделий. «Рокта» на российском рынке уже 15 лет. За это время мы охватили почти все города страны. Для уточнения интересующей Вас информации, пожалуйста, свяжитесь с нашими менеджерами по телефону 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.

Предел прочности материала: что называют текучестью

Новый термин обозначается в технической литературе буквой Т. Показатель актуален только для пластиковых образцов и показывает, как долго он может деформироваться без увеличения внешней нагрузки на него.

Обычно после преодоления этого порога кристаллическая решетка сильно изменяется, реорганизуется. Результатом является пластическая деформация. Они не нежелательны, наоборот происходит самозатвердевание сплава.

Состав стальных сплавов

Свойства металла зависят от сформированной кристаллической решетки, которая в свою очередь определяется содержанием углерода. Зависимость типов решеток от количества углерода хорошо видна на структурной диаграмме. Например, если в решетке стали до 0,06% углерода, то это классический феррит, имеющий зернистую структуру. Такой материал является хрупким, но текучим и обладает высокой ударопрочностью.

По структуре стали делятся на:

• ферритный;
• перлитно-ферритный;
• цементито-ферритный;
• цементито-перлитовый;
• перлит.

Добавки углерода и прочность

Закон аддитивности подтверждается процентным изменением цементита и феррита в стали. Если количество добавки углекислого газа составляет ок. 1,2% увеличивается предел текучести стального материала и повышаются твердость, прочность и термостойкость. При последующем увеличении содержания углерода технические параметры ухудшаются. Сталь плохо сваривается и неохотно штампуется. Лучше всего при сварке ведут себя сплавы с низким содержанием углерода.

Марганец и кремний

В виде добавки дополнительно вводят марганец для повышения степени раскисления. Кроме того, этот элемент снижает вредное воздействие серы. Содержание марганца обычно не превышает 0,8 % и не влияет на технологические свойства сплава. Присутствует в виде твердого компонента.

Кремний также особо не влияет на свойства металла. Необходимо повысить качество сварки деталей. Содержание этого элемента не превышает 0,38%, и его добавляют в процессе раскисления.

Сера и фосфор

Сера существует в виде хрупких сульфитов. Повышенное количество этого элемента влияет на механические свойства сплава. Чем больше серы, тем хуже пластичность, текучесть и ударная вязкость сплава. Если предел 0,06% превышен, продукт более подвержен коррозии и способен к сильному износу.

Наличие фосфора повышает показатель текучести, но одновременно снижает пластичность и вязкость. В целом завышенное содержание фосфора существенно ухудшает качество металла. Комбинированное высокое содержание фосфора и углерода особенно отрицательно сказывается на производительности. Допустимыми пределами содержания фосфора являются значения от 0,025 до 0,044%.

Азот и кислород

Это неметаллические примеси, снижающие механические свойства сплава. При содержании кислорода более 0,03 % металл быстрее стареет, снижаются значения пластичности и ударной вязкости. Добавки азота повышают прочность, но при этом снижается предел текучести. Повышенное содержание азота делает сталь хрупкой и способствует быстрому старению структуры металла.

Поведение легирующих добавок

Для улучшения всех физических свойств стали в сплав добавляют специальные легирующие элементы. Такими добавками могут быть вольфрам, молибден, никель, хром, титан и ванадий. Комбинированное добавление в необходимых пропорциях дает наиболее приемлемые результаты.

Сплав значительно повышает показатель текучести, ударную вязкость, препятствует деформации и образованию трещин.

Влияющие факторы

Свойства металла определяют тип кристаллической решетки, которая формируется исходя из процентного содержания углерода в составе. Зависимость строения решетки от количества соединений углерода можно проследить на специальной структурной диаграмме. Например, если в металле содержится 0,06 % углерода, то это феррит, для которого характерна особая структура решетки — зернистая. Среди свойств материала выделяются прочность и повышенная текучесть, а значит, он выдерживает большие нагрузки.

По структуре сталь классифицируют на:

• ферритный;
• перлитный или цементито-ферритный;
• цементито-перлитовый;
• перлит.

Каждый металл имеет свои свойства и показатель текучести, определяющий максимальную несущую способность материала, при которой он не будет деформироваться или разрушаться.

Марганец и кремний

Это специальные добавки, благодаря им можно повысить степень раскисления материала. Кроме того, за счет использования этих элементов можно снизить вредное воздействие серы и улучшить технические свойства. Кремний, например, повышает свариваемость металла. Среднее содержание компонента составляет 0,38%. В основном элемент добавляют при раскислении материала.

Сера и фосфор

Сера используется в виде хрупких сульфитов, которые могут изменять механические свойства сплава. Чем больше этого элемента, тем ниже:

• пластик;
• текучесть;
• вязкость.

При добавлении слишком большого количества серы свойства металла ухудшаются, он становится неустойчивым к коррозии и сильному износу и быстро приходит в негодность. Фосфор служит для повышения предела текучести и снижения пластичности сплава. Но в больших количествах компонент также способен повредить металл. Поэтому оптимальные значения для серы и фосфора достигают 0,025% и 0,044% соответственно%.

Азот и кислород

Компоненты неметаллического типа, с помощью которых снижают механические свойства сплава. Высокое содержание кислорода ускоряет коррозионные процессы и сокращает срок службы продукта, а наличие такого компонента негативно влияет на пластичность и вязкость.

Азот, наоборот, способен повысить прочность материала. Но в этом случае страдает предел текучести, а значит, металл не выдержит больших нагрузок.

Легирующие добавки

Они улучшают «физику» стали, повышая такие показатели, как текучесть, ударопрочность и прочность. Наличие таких добавок предотвращает преждевременную деформацию и растрескивание материала. Общие компоненты включают в себя:

• вольфрам;
• никель;
• титан;
• ванадий.

Хром также используется в качестве добавки к сплаву.

Как проводятся испытания на производствах

Для испытаний, целью которых является определение текучести материала, берут цилиндрическую заготовку диаметром 20 мм и длиной более 10 мм. На деталях делают насечки для получения отрезка 10 мм. Сама заготовка должна быть больше этой длины, чтобы ее можно было захватить с обеих сторон.

Деталь зажимается в тиски и начинает растягиваться, постепенно увеличивая усилие натяжения. В процессе нагружения измеряют нарастающее удлинение образца. Полученные данные заносятся в график, называемый условной линейной диаграммой.

Если заготовка подвергается небольшой нагрузке, она растягивается пропорционально в обоих направлениях. По мере увеличения растягивающей силы достигается пропорциональный предел, после которого деталь растягивается неравномерно. Предел текучести стали определяется в тот момент, когда материал больше не может вернуться к своей первоначальной длине.

Существуют государственные стандарты и технические условия, где значения предела текучести подразделяются на четыре класса:

Читайте также: Принцип работы сварочного инвертора с пояснениями на схеме инвертора

• 1 класс – до 500 кг/см 2 ;
• 2 класс – до 3000 кг/см 2 ;
• 3 класс – до 4000 кг/см 2 ;
• 4 класс – до 6000 кг/см 2 .

Определение пластичности

Показатель пластичности – не менее важный параметр, который необходимо учитывать в процессе проектирования конструкций. Он определяется двумя параметрами:

• остаточное удлинение;
• сужение при разрыве.

Для расчета остаточного удлинения измеряют две части детали после разрыва. Длина каждой части суммируется, а затем определяется процент от исходной длины. Для более прочных металлических сплавов это число меньше.

Определение хрупкости

Хрупкость является противоположным свойством пластичности. Индекс хрупкости зависит от многих факторов. Это включает:

• температура воздуха (при низких температурах повышается хрупкость материала);
• увеличение скорости загрузки;
• влажность и т д.

Изменение этих условий приводит к изменению показателя хрупкости. Например, чугун – хрупкий материал. Но если чугунную деталь зажать со всех сторон, она способна передавать значительные нагрузки. А стальной стержень с насечкой становится невероятно ломким.

Как рассчитывается величина текучести стали

Первые расчеты величины текучести металлов были произведены в 30-х годах прошлого века советским ученым Яковом Френкелем. Они были основаны на прочности межатомных связей. Исследователь смог определить напряжение, необходимое для начала пластической деформации простых тел.

Для расчета этого значения используется следующая формула:

Предел текучести стали

ττ=G/2π, где G — модуль сдвига, определяющий устойчивость межатомных связей.

Как физик-теоретик Френкель предположил, что материалы состоят из кристаллов с промежутками между ними. Атомы расположены в определенном порядке. Для достижения пластической деформации необходимо разорвать межатомные связи в плоскости, разделяющей половины тела.

Ряды атомов сместятся и половинки тела разорвутся, если к ним приложить напряжение, величина которого соответствует определенной величине. Если воздействие продолжится, атомы одной половины потеряют связь с атомами другой половины.

Френкель был отчасти прав. Только разрушение будет происходить не между половинками корпуса, то есть посередине, а в том месте, где структура материала неоднородна.

Для каждого вида металла существует несколько значений предела текучести.

Физическая плавучесть. Эта величина указывает силу натяжения, с которой тело деформируется без изменения приложенной нагрузки.

График физического предела текучести стали

Условный предел текучести. Этот термин применяется к силе растяжения, при которой величина пластической деформации материала составляет примерно 0,2%.

 

Предел текучести стали

Сталь, как самый популярный серийно выпускаемый строительный материал, находится под пристальным вниманием специалистов для расчета прочности конструкций и максимально допустимых нагрузок на них.

Стальные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются большим и сложным по форме комбинированным нагрузкам растяжения, сжатия, изгиба и сдвига. Нагрузки могут быть динамическими, статическими и периодическими. Несмотря на сложнейшие условия эксплуатации, проектировщик должен обеспечить, чтобы спроектированные им конструкции и механизмы были долговечны, безотказны и обеспечивали высокую степень безопасности как персонала, так и окружающего населения.

Предел текучести стали

Поэтому к стали предъявляются повышенные требования по механическим свойствам. С точки зрения экономической эффективности компания стремится уменьшить сечение и другие габариты изделий, чтобы уменьшить материалоемкость и вес и тем самым повысить эксплуатационные характеристики. На практике это требование должно быть сбалансировано с требованиями безопасности и надежности, изложенными в стандартах и ​​технических условиях.

Предел текучести стали является ключевым параметром в этих расчетах, так как характеризует способность конструкции выдерживать напряжения без необратимой деформации и разрушения.

Диаграмма растяжения стали, не имеющей площадки текучести

За пределом текучести кривая (рис выше) снова поднимается вверх, нагрузка снова начинает возрастать и достигает максимального значения в высшей точке (σmax — разрушающая нагрузка), после чего снова снижается до разрушения образца.

Относительное удлинение рассчитывается по формуле

где Lк — длина образца после разрушения (конечная длина), мм; L – расчетная начальная длина образца, мм.

Для измерения длины образца после разрушения обе части складывают по длине и измеряют штангенциркулем расстояние между рисками, соответствующее принятой расчетной длине.

Помимо основных свойств σт, σв, ε, определяемых по результатам испытаний на растяжение, важными показателями арматурной стали являются связь между пределом текучести и пределом текучести и пределом пропорциональности пределу текучести.

Отношение σт/σв характеризует запас прочности стали. В арматурной стали обычной и повышенной прочности этот коэффициент близок к 0,6, что свидетельствует о достаточно большом резерве работы материала и позволяет использовать пластические свойства стали в широком диапазоне. Для высокопрочных арматурных сталей предел текучести близок к пределу прочности σ0,2/σв=0,8-0,9, что ограничивает применение материальных работ в упругопластической стадии.

Модуль упругости арматурной стали Es. Поскольку арматурная сталь работает в упругопластических условиях, расчетные значения модуля деформации (упругости) принимают равными их нормативным значениям или в зависимости от класса арматурной стали по таблице ниже.

Показатели для разных сталей

Разные марки стали имеют разный предел текучести. Если рассматривать варианты длинномерных изделий размером 80 мм, то они характеризуются следующими значениями.

• 20. Текучесть при температуре 20 градусов Цельсия достигает 245 Н/мм2. Если его перевести в килограммовые силы, показатель равен 25 кгс/мм2.
• 30. Параметр достигает 295 Н/мм2 или 36 кгс/мм2.
• 45. Максимальный предел текучести имеет значение 355 Н/мм2, которое получают при температуре 20 градусов Цельсия после нормализации стали.

Кроме того, ГОСТ 1050-88 предусматривает для ряда сталей модифицированные параметры нормативного предела текучести, которые определяются исходя из требований потребителя и возможностей изготовителя. Например, образцы, вырезанные из заготовок, прошедших термическую обработку, дают следующие значения.

• Сталь 30. Параметр зависит от толщины стального листа. Прокат, размер которого не превышает 16 мм, показывает предел текучести 400 Н/мм2, от 16 до 40 мм — 355 Н/мм2, от 40 до 100 мм — от 295 Н/мм2.
• Сталь 45. При тех же габаритах значения предела текучести составляют соответственно 490 Н/мм2, 430 Н/мм2 и 375 Н/мм
• Сталь 40Х и 40ХН. Легированный хромовый материал, свойства которого регламентируются ГОСТ 4543-71. Прокат размером 25 мм имеет предел текучести 785 Н/мм2. Этот показатель можно получить после того, как металл подвергся термообработке. Сталь 45Х имеет более высокий показатель.
• Сталь 09Г2С. Основные характеристики представлены в ГОСТ 5520-79. Сталь – конструкционный низколегированный материал, применяемый для сборки сварных конструкций. Особенностью марки является высокая прочность, максимальная текучесть составляет 345 Н/мм2. Чем выше рабочая температура материала, тем ниже показатель и выше требования к эксплуатации.
• Сталь 3. Представляет собой металл с высоким содержанием углерода, характеристики которого можно найти в ГОСТ 380-200. Производители выпускают несколько марок этого вида стали: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, С245. Каждый класс имеет свою текучесть, которая варьируется от 195 до 235 Н/мм2.

А еще есть показатели для стали 35, 50, 20Х, С245, 10ХСНД и других марок. Чем выше показатель, тем более высокопрочен материал и выше устойчивость к внешним воздействиям в виде внушительных нагрузок.

Проверка сплава

Перед запуском в производство проводятся испытания по изучению свойств металлического сплава. Металлические образцы подвергаются различным нагрузкам до полной потери всех свойств.

Нагрузки:

• Статическая нагрузка.
• Испытания стали на выносливость и усталость.
• растянуть элемент.
• Испытание на изгиб и кручение.
• Соединение на изгиб и прочность на растяжение.

Для этих целей используются специальные машины и создаются условия, максимально приближенные к режиму работы будущего строения.

Проведение испытаний

Для испытания на цилиндрическом образце с поперечным сечением двадцать миллиметров и расчетной длиной десять миллиметров прикладывают растягивающую нагрузку. Сам образец имеет длину более десяти миллиметров, чтобы его можно было надежно поймать, и на нем отмечена длина в десять миллиметров, именно она и называется расчетной. Растягивающую силу увеличивают и измеряют увеличивающееся удлинение образца. Для наглядности данные нанесены на график. Она называется условной линейной диаграммой.

При небольшой нагрузке образец пропорционально удлиняется. Когда сила растяжения увеличивается в достаточной степени, предел пропорциональности будет достигнут. После прохождения этого предела начинается непропорциональное удлинение материала при равномерном изменении растягивающей силы. Затем достигается предел, после которого образец не может вернуться к своей первоначальной длине. При превышении этого значения испытываемая деталь изменяется без увеличения растягивающей силы. Например, для стального прутка Ст.3 это значение равно 2450 кг на квадратный сантиметр.

Невыраженная точка текучести

Если материал способен длительное время самостоятельно деформироваться под действием постоянной силы удара, его называют идеально пластичным.

При испытаниях часто бывает, что предел текучести четко не определяется, поэтому вводится определение условного предела текучести. Это означает, что сила, действующая на металл, вызвала деформацию или необратимое изменение прибл. 0,2%. Величина остаточного изменения зависит от пластичности металла.

Чем пластичнее металл, тем выше величина остаточной деформации. Типичными сплавами, где такая деформация выражена нечетко, являются медь, латунь, алюминий и сталь с низким содержанием углерода. Образцы этих сплавов называют прессованными.

Когда металл начинает «течь», как показывают опыты и исследования, в нем происходят сильные изменения кристаллической решетки. На поверхности появляются линии сдвига и слои кристаллов значительно смещаются.

После самопроизвольного растяжения металл переходит в следующее состояние и вновь обретает способность сопротивляться. Затем сплав достигает предела прочности и наиболее слабое место отчетливо видно на той части, где происходит сильное сужение образца.

Площадь поперечного сечения становится меньше, и в этом месте происходят поломки и разрушения. Величина растягивающей силы в этот момент совпадает с величиной натяжения и деталь ломается.

Высокопрочные сплавы выдерживают нагрузки до 17 500 килограммов на квадратный сантиметр. Предел прочности стали СТ.3 находится в пределах 4-5 тысяч килограмм на квадратный сантиметр.

Характеристика пластичности

Пластичность материала – важный параметр, который необходимо учитывать при проектировании конструкций. Пластичность определяют по двум показателям:

• остаточное удлинение;
• сужение при разрыве.

Остаточное удлинение рассчитывается путем измерения общей длины детали после ее разрыва. Он состоит из суммы длин каждой половины узора. Затем в процентах определяется отношение к исходной условной длине. Чем прочнее металлический сплав, тем меньше значение удлинения.

Остаточное сужение представляет собой процентное соотношение между самым узким местом перелома и исходной площадью поперечного сечения исследуемого стержня.

Показатель хрупкости

Наиболее хрупкими металлическими сплавами являются инструментальная сталь и чугун. Хрупкость есть свойство, противоположное пластичности, и оно несколько условно, так как сильно зависит от внешних условий.

Такими условиями могут быть:

• Температура окружающей среды. Чем ниже температура, тем более хрустящим будет продукт.
• Скорость изменения приложенной силы.
• Влажность окружающей среды и другие параметры.

При изменении внешних условий один и тот же материал ведет себя по-разному. Если чугунную заготовку зажать со всех сторон, она не сломается даже при значительных нагрузках. А например, когда на стальном стержне есть канавки, деталь становится очень хрупкой.

Поэтому на практике термин предел хрупкости не используют, а определяют состояние образца как хрупкое или скорее пластическое.

Примеси серы и фосфора

Сера является крайне вредной примесью и отрицательно влияет на многие физико-технические свойства.

Максимально допустимое содержание этого элемента в виде хрупких сульфитов 0,06%

Сера ухудшает пластичность, предел текучести, ударную вязкость, износостойкость и коррозионную стойкость материалов.

Фосфор оказывает двоякое влияние на физико-механические свойства стали. С одной стороны, с увеличением содержания увеличивается сила текучести, но с другой стороны, одновременно снижаются вязкость и текучесть. Как правило, содержание фосфора находится в диапазоне от 0,025 до 0,044%. Фосфор оказывает особенно сильное отрицательное действие при одновременном увеличении объемных долей углерода.

Легирующие добавки в составе сплавов

Добавками к сплаву называют вещества, которые намеренно вводят в состав сплава для целенаправленного изменения свойств на нужные показатели. Такие сплавы называются легированными сталями. Наилучших показателей можно добиться, добавляя несколько добавок одновременно в определенных пропорциях.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Распространенными добавками являются никель, ванадий, хром, молибден и другие. С помощью легирующих добавок улучшаются значения предела текучести, прочности, вязкости, коррозионной стойкости и многих других физико-механических и химических показателей и свойств.

Влияние различных добавок на предел текучести стали

Влияние содержания углерода на свойства стали

В соответствии с принципом аддитивности можно проследить зависимость предела текучести стали от процентного содержания в ней углерода. Увеличивая концентрацию этого элемента до 1,2%, также можно добиться повышения прочности, твердости и пороговой хладоемкости.

Когда процентное содержание углерода превышает 1,2%, углеродистая сталь демонстрирует значительное ухудшение таких свойств, как свариваемость и предельная пластичность. Типы низкоуглеродистой стали лучше всего подходят для сварки.

Азот и кислород в сплаве

Оба этих элемента, находящиеся в начале таблицы Менделеева, относятся к вредным примесям. Они ухудшают качество сплава, отрицательно сказываются на его ударной вязкости и пластичности, снижают сопротивление хрупкому разрушению. Доля кислорода в составе выше 0,03 % ускоряет старение стали, а добавка азота способствует повышению хрупкости. Однако азот может в ряде случаев улучшить прочностные свойства за счет снижения предела текучести.

Добавки марганца и кремния

Марганец в качестве добавки к сплаву используется для раскисления сплава и нейтрализации вредного воздействия серы. Из-за схожести свойств этого металла и железа добавка в состав стальных сплавов сама по себе не оказывает заметного влияния на их свойства. Обычно сталь содержит около 0,8% этого элемента.

Кремний добавляют для раскисления сплава в концентрации не более 0,4%. Дальнейшее увеличение процентного содержания этого элемента отрицательно сказывается на свариваемости. По этой причине в конструкционных марках стали содержание кремния не превышает 0,25 %. В противном случае добавление этого компонента не изменяет ключевые свойства металла.

Примеси серы и фосфора

Сера является крайне вредной примесью и отрицательно влияет на многие физико-технические свойства материалов. Максимально допустимое содержание этого элемента в стальных сплавах в виде хрупких сульфитов составляет 0,06 %.

Наличие серы в составе стали приводит к снижению таких показателей, как предел текучести, пластичность, ударная вязкость, износостойкость и коррозионная стойкость.

Действие фосфора двоякое: он влияет на ряд физико-химических свойств. Добавление этого элемента повышает предел текучести, но в то же время снижает ударную вязкость и пластичность. Допустимое процентное содержание этой примеси колеблется от 0,025 до 0,044%. Отрицательное влияние фосфора усиливается с увеличением содержания углерода в сплаве.

Легирующие добавки в составе сплавов

Для доведения свойств до требуемых значений используются легирующие элементы (специальные добавки). Улучшенный таким образом металл называется сплавом. Для достижения оптимального эффекта такие БАДы назначают в сочетании с необходимыми пропорциями.

Для легирования используют хром, никель, ванадий, молибден и другие элементы. Их добавка позволяет повысить предел текучести, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость и ряд других механических и физико-химических свойств.

Высокопрочные стали: ликбез для потребителя

Всем известно, что атомы в металлах расположены не в произвольном порядке, а образуют определенную упорядоченную структуру — кристаллическую решетку. Однако попытка теоретически оценить прочность такой решетки приводит к парадоксальному результату: расчетное значение в тысячи раз превышает реальную прочность металлов. Ответ прост: в мире нет ничего идеального, в том числе идеальных кристаллических решеток. Именно наличие дефектов в структуре металлов ограничивает и определяет их прочность.

Дефекты в металлах образуются при затвердевании и механической обработке, при термической обработке. Более того, исследователи установили, что полностью избавиться от наличия дефектов в кристаллической решетке твердых тел в принципе невозможно: это противоречило бы принципам термодинамики.

Однако обширные научные исследования свойств металлов позволяют установить закономерности развития дефектной структуры, их связь со свойствами материалов, что в конечном итоге приводит к формированию новых сплавов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Этому процессу также способствует постоянное повышение требований к строительным материалам.

В частности, ужесточение условий работы машин и механизмов, стремление повысить производительность и продлить срок их службы привели к появлению и развитию нового класса материалов — высокопрочных сталей.

Немало этому способствовало развитие авиации, космонавтики и ракетостроения — областей, где решающую роль играет соотношение между массой конструкции и грузоподъемностью.

В западной и отечественной литературе приняты разные подходы к определению термина «высокопрочная сталь». В американской литературе высокопрочной сталью считается сталь с пределом текучести от 260 до 560 МПа.

При таком делении все стали, кроме мягких малоуглеродистых, попадают в группу повышенной прочности. Стали с пределом текучести 560 МПа и выше относятся к сверхвысокопрочным. Существуют и более подробные классификации, включающие три или четыре группы стали.

В отечественной литературе стали с пределом прочности выше 1300-1500 МПа принято называть высокопрочными.

Важными свойствами высокопрочной стали, кроме высоких значений предела прочности и предела текучести, являются трещиностойкость и сохранение на приемлемом уровне пластичности. Большое внимание также уделяется такому свойству, как свариваемость.

Высокопрочная сталь включает следующие виды:

1. Среднелегированная низкотемпературная сталь;
2. Мартенситностареющая сталь;
3. Сталь PNP (сталь TRIP, сталь с опорой TRIP).

Среднелегированные низкоотпущенные стали

Высокие значения прочности в среднеуглеродистых легированных сталях достигаются применением закалки при 880-900°С и последующего низкого отпуска при 220-300°С. Этот тип стали содержит 0,25-0,4% углерода. С увеличением содержания углерода максимальная прочность на растяжение увеличивается, но при достижении концентрации 0,45 % вязкий характер разрушения сменяется хрупким.

Легирование стали в небольших пределах практически не влияет на предел прочности, но влияет на переход от вязкого разрушения к хрупкому, сдвигая этот переход в сторону большего содержания углерода. Легированием низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей можно добиться более высокой пластичности и ударной вязкости, снизив чувствительность к надрезам, а легированием высокоуглеродистых сталей можно добиться увеличения сопротивления хрупкому разрушению, а иногда и перехода от хрупкого разрушения к пластичному.

Введение в состав стали никеля, хрома и молибдена повышает сопротивление хрупкому разрушению, позволяет использовать сталь с более высоким содержанием углерода. Добавление кремния позволяет снизить содержание углерода при сохранении прочности. В свою очередь, снижение концентрации углерода положительно влияет на свариваемость.

содержание серы и фосфора в высокопрочной стали не должно превышать 0,03-0,035%. Фосфор, даже в небольших количествах, значительно увеличивает чувствительность высокопрочной стали к надрезам. Сера очень пагубно влияет на свариваемость и прочность сварных соединений.

Наиболее применяемые стали этого класса: 30ХГСА, 35ХГСА, 30ХГСНА, 30ХГСНМА, 40ХН2СВА (ЭИ643), ВЛ-1.

Сталь 30ХГСА применяется для изготовления валов, валов, зубчатых колес, фланцев и других усовершенствованных деталей, работающих при температурах до 200°С, ответственных сварных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках, крепежных изделий, работающих при низких температурах. Предел прочности после закалки и низкого отпуска 1500 МПа. Сталь сваривается ограниченно, после сварки требуется термическая обработка.

Сталь 35ХГСА имеет более высокую прочность (1900 МПа после закалки при 200°С) за счет повышенного содержания углерода. Применяется для изготовления фланцев, кулачков, пальцев, роликов, рычагов, валов, деталей сварных конструкций сложной конфигурации, работающих при знакопеременных нагрузках.

Крупные детали изготовлены из стали ЭИ643: валы, шайбы, шестерни, а также крепежные детали. Сталь 30ХГСА, ЭИ643, ВЛ-1 применяют для изготовления сварных конструкций в авиастроении.

Дальнейшее повышение прочности может быть достигнуто за счет термомеханической обработки. Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности при растяжении 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются вдвое по сравнению с обычной термической обработкой. Отчасти это связано с выделением углерода из мартенсита при деформации.

Мартенситно-стареющие стали

Высокий уровень прочности, достигаемый в этих сталях, обусловлен процессами старения в безуглеродистом (содержание углерода не превышает 0,03 %) мартенсите, который в исходном, несостаренном состоянии обладает высокой пластичностью и относительно низкой прочностью. Упрочнение обеспечивается мартенситом старения при температуре 450–550 °С и обусловлено образованием высокодисперсных интерметаллидных фаз, таких как NiTi, Ni3Ti, Fe2Mo и др.

Состаренная мартенситная сталь обладает хорошими технологическими свойствами. В закаленном состоянии мартенсит этих сталей пластичен и может подвергаться деформации, механической обработке режущим инструментом и т д в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т д

Высокопрочная мартенситностареющая сталь Х18К9М5Т нашла широкое применение в машиностроении. Закалка и старение при 480-520°С позволяет достичь значений предела прочности 1900-2100 МПа. Кроме стали Н18К9М5Т применяют менее легированные стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ.

Сложнолегированные стали, содержащие 9-18 % Ni, 7-9 % Co, 4-6 % Mo, 0,5-1 % Ti, обладают оптимальным сочетанием прочности, пластичности и ударной вязкости. Для их достижения применяют индукционные печи, вакуумно-дуговую и электрошлаковую плавку.

Предел прочности таких сталей после закалки составляет 1100-1200 МПа. Старение при 480-500°С приводит к повышению прочности до 1900-2100 МПа при сохранении пластичности на уровне 8-12%.

Мартенсивно-стареющие стали также могут быть устойчивыми к коррозии. Примерами являются стали 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921) и 03Х13Н8Д2ТМ (ЭП699). Их сваривают ручной и автоматической аргонно-дуговой сваркой. Сварные соединения не подвержены образованию горячих и холодных трещин. Такие стали также обладают высокой эрозионной стойкостью.

Применяются для изготовления сварных тяжелонагруженных деталей и конструкций для работы в диапазоне температур от -196 до 400°С при воздействии слабоагрессивных сред, обладают высокой эрозионной стойкостью. К структурно-стареющим сложнолегированным сталям относятся стали 03Н18К8М5Т-ВД (ЭК21-ВД), 03Н18М2Т2-ВИ, 03Н18К9М5Т-ВД (ЭП637-ВД) и другие корпуса и шестерни двигателей, валы вертолетов.

Азот и кислород в сплаве

Эти неметаллы с начала таблицы Менделеева являются вредными примесями и снижают механические и физические свойства стали, такие как порог вязкости, пластичность и хрупкость. Если кислород содержится в количестве более 0,03 %, это приводит к ускоренному старению сплава, а азот увеличивает хрупкость материала. С другой стороны, содержание азота увеличивает прочность за счет снижения предела текучести.

Микроструктура сплава, содержащего азот и кислород