Свойства нержавеющей стали

Стойкость нержавеющей стали определяется содержанием основных легирующих элементов — хрома и никеля. Содержание хрома более 12% делает нержавеющую сталь устойчивой к воздействию слабогрессивной среды. Если в составе присутствует более 17% нержавеющей стали, то такой материал уже устойчив к воздействию агрессивных сред, к примеру, азотной кислоты концентрацией до 50%. Коррозионная стойкость нержавеющей стали обеспечивается защитной плёнкой из окислов, образуемой на поверхности хромсодержащим сплавом. Марка стали подбирается в соответствие с условиями среды: температурой, концентрацией. Например, при воздействии фосфорной и серной кислоты подойдёт нержавеющая сталь с высоким содержанием никеля с добавлением молибдена, титана, меди в различных сочетаниях.

Применение нержавеющей стали

Различные марки нержавеющей стали применяются в разных отраслях промышленности: в пищевой (нержавейка — незаменимый материал для оборудования по обработке, хранению и транспортировке пищевых продуктов), в строительстве (нержавеющие конструкции) и архитектуре промышленных зданий и торговых центров, в химической и нефтехимической промышленности.  Из нержавеющей стали выпускаются следующие стандартные изделия: труба нержавеющая, лист нержавеющий, полоса нержавеющая, уголок нержавеющий, сетка нержавеющая, шестигранник нержавеющий и др. Нержавеющая сталь является практичным материалом с привлекательным внешним видом. Благодаря множеству марок и видов поверхности, нержавейка сооветствует разнообразным требованиям к строительными нержавеющим конструкциями и отделочным материалам.

Понимание механических свойств стали

Когда дело доходит до стали, механические свойства марки стали часто могут означать разницу между длительным эффективным сроком службы в наиболее абразивных и интенсивно изнашиваемых областях применения и частыми или даже катастрофическими отказами. Понимание этих свойств абсолютно необходимо при выборе лучшей марки абразивно-стойкой стали для вашего применения. К сожалению, эти механические свойства очень специфичны, и их точные металлургические определения не широко известны за пределами металлургии.

Какие свойства стали определяют износостойкость и стойкость к истиранию?

обладает рядом свойств, включая твердость, вязкость, предел прочности, предел текучести, удлинение, усталостную прочность, коррозию, пластичность, ковкость и ползучесть. Наиболее важными характеристиками износостойкой и износостойкой стали являются:

ТВЕРДОСТЬ – это способность материала противостоять трению и истиранию. Стоит отметить, что, хотя в разговорной речи это может означать то же самое, что и прочность и ударная вязкость, это сильно отличается от прочности и ударной вязкости в контексте свойств металла.

ПРОЧНОСТЬ сложно определить, но обычно это способность поглощать энергию без трещин или разрывов. Это также определяется как сопротивление материала разрушению при нагрузке. Обычно он измеряется в фут-фунтах. на квадратный дюйм или джоулей на квадратный сантиметр. Важно отличать это от твердости, поскольку материал, который сильно деформируется без разрушения, может считаться чрезвычайно прочным, но не твердым.

Прочность на год – это измерение силы, необходимой для начала деформации материала (т.е.е. изгиб или коробление).

Прочность на растяжение – это сила, необходимая для разрушения материала.

УДЛИНЕНИЕ (или пластичность) – это «степень», до которой материал может быть растянут или сжат до разрыва. Он выражается в процентах от испытуемой длины и находится между пределом прочности на разрыв и пределом текучести (то есть на какой процент материал изгибается перед разрушением).

Что определяет ключевые свойства износостойкой и износостойкой стали?

Эти пять определяющих факторов износостойкой и износостойкой стали зависят как от содержания углерода, так и от термической обработки.Без достаточного количества углерода состав стали не может быть изменен (поскольку кристаллическая структура не может быть нарушена, как это предусмотрено в процессе закалки износостойких и износостойких сталей). Однако без отпуска стальная конструкция остается очень хрупкой. Закалка включает в себя повторный нагрев стали до определенной температуры (ниже критической температуры), а затем повторную закалку в воде, воздухе или масле для фиксации закалки на желаемом уровне вязкости и твердости.

Эти свойства определяются двумя факторами: химическим составом металла (т.е. сплавы или элементы, которые плавятся или смешиваются вместе) и термообработка стали (или ее отсутствие).

Что самое «лучшее» в износостойкой и износостойкой стали?

Есть много типов стали, которые подходят для многих областей применения. Однако, если мы посмотрим на показатели износостойкости и стойкости к истиранию, ENDURA обладает одними из самых высоких показателей прочности на растяжение, текучести и удлинения среди всех изнашиваемых сталей в рабочем состоянии. Кроме того, она «нагревается» до твердости на 15-20% больше, чем другие износостойкие стали, но при этом остается очень пластичной, не трескается, ее легче обрабатывать, гнуть и сваривать.

Независимо от типа стали, которая лучше всего подходит для вашего применения, всегда запрашивайте у дистрибьютора сертификат прокатного стана для конкретной партии (называемой плавкой) стали, которую вы покупаете. Этот сертификат основан на реальных испытаниях, проведенных комбинатом во время производства для определения его механического и химического состава.

Если у вас есть какие-либо вопросы о свойствах стали или вы хотите узнать больше о ENDURA или любой из различных ударных, пресс-форм и штампов Titus Steel, броневых листов, точек сваи, грунтозацепов или нестандартных сталей, не стесняйтесь обращаться к нам. Cегодня.

Интернет-ресурс с информацией о материалах – MatWeb

Свойства стальных материалов – SteelConstruction.info

Свойства конструкционной стали зависят как от ее химического состава, так и от способа производства, включая обработку во время изготовления. Стандарты продукции определяют пределы для состава, качества и производительности, и эти ограничения используются или предполагаются проектировщиками конструкций. В этой статье рассматриваются основные свойства, представляющие интерес для дизайнера, и указываются соответствующие стандарты для конкретных продуктов. Спецификация металлоконструкций рассматривается в отдельной статье.

Схематическая диаграмма напряжения / деформации для стали

[вверх] Свойства материала, необходимые для проектирования

Свойства, которые необходимо учитывать проектировщикам при выборе изделий из стальных конструкций:

Для проектирования механические свойства основаны на минимальных значениях, указанных в соответствующем стандарте на продукцию. Свариваемость определяется химическим составом сплава, который регулируется стандартами на продукцию.Прочность зависит от конкретного типа сплава – обычная углеродистая сталь, атмосферостойкая сталь или нержавеющая сталь.

[вверх] Факторы, влияющие на механические свойства

приобретает свои механические свойства благодаря сочетанию химического состава, термической обработки и производственных процессов. Хотя основным компонентом стали является железо, добавление очень небольших количеств других элементов может оказать заметное влияние на свойства стали. Прочность стали можно повысить, добавив такие сплавы, как марганец, ниобий и ванадий.Однако эти добавки в сплав также могут отрицательно повлиять на другие свойства, такие как пластичность, ударная вязкость и свариваемость.

Сведение к минимуму уровня серы может повысить пластичность, а ударную вязкость можно улучшить добавлением никеля. Поэтому химический состав для каждой спецификации стали тщательно сбалансирован и протестирован во время ее производства, чтобы гарантировать достижение соответствующих свойств.

Легирующие элементы также по-разному реагируют, когда материал подвергается термообработке, включающей охлаждение с заданной скоростью от определенной пиковой температуры.Производственный процесс может включать комбинации термической обработки и механической обработки, которые имеют решающее значение для характеристик стали.

Механическая обработка осуществляется во время прокатки или формовки стали. Чем больше прокатывается стали, тем прочнее она становится. Этот эффект очевиден в стандартах на материалы, которые, как правило, указывают на снижение предела текучести с увеличением толщины материала.

Эффект термической обработки лучше всего объясняется с помощью различных технологических процессов, которые могут использоваться при производстве стали, основными из которых являются:

• Сталь после прокатки
• Сталь нормализованная
• Сталь нормализованный прокат
• Сталь термомеханически прокатанная (TMR)
• Закаленная и отпущенная (Q&T) сталь.

Сталь охлаждается во время прокатки, при этом типичная температура окончательной прокатки составляет около 750 ° C. Сталь, которой затем дают остыть естественным путем, называется материалом «после прокатки». Нормализация происходит, когда прокатанный материал снова нагревают примерно до 900 ° C и выдерживают при этой температуре в течение определенного времени, прежде чем дать ему возможность естественным образом остыть. Этот процесс уменьшает размер зерна и улучшает механические свойства, особенно ударную вязкость. Нормализованная прокатка – это процесс, при котором после завершения прокатки температура превышает 900 ° C.Это имеет такое же влияние на свойства, как и нормализация, но исключает дополнительный процесс повторного нагрева материала. Нормализованные и нормализованные прокатные стали имеют обозначение “N”.

Использование высокопрочной стали может уменьшить необходимый объем стали, но сталь должна быть прочной при рабочих температурах, а также должна обладать достаточной пластичностью, чтобы противостоять любому распространению вязких трещин. Следовательно, стали с более высокой прочностью требуют улучшенной ударной вязкости и пластичности, которые могут быть достигнуты только с использованием низкоуглеродистых чистых сталей и за счет максимального измельчения зерна.Реализация процесса термомеханической прокатки (TMR) является эффективным способом достижения этой цели.

Термомеханически прокатанная сталь использует особый химический состав стали, что обеспечивает более низкую конечную температуру прокатки около 700 ° C. Для прокатки стали при этих более низких температурах требуется большее усилие, и свойства сохраняются, если повторно не нагреть сталь выше 650 ° C. Сталь, подвергнутая термомеханическому прокату, имеет маркировку «М».

Процесс обработки закаленной и отпущенной стали начинается с нормализованного материала при температуре 900 ° C.Он быстро охлаждается или закаливается для производства стали с высокой прочностью и твердостью, но с низкой вязкостью. Прочность восстанавливается повторным нагревом до 600 ° C, поддержанием температуры в течение определенного времени, а затем естественным охлаждением (темперирование). Закаленная и отпущенная сталь обозначается буквой Q.

Закалка включает быстрое охлаждение продукта путем погружения непосредственно в воду или масло. Его часто используют вместе с отпуском, который представляет собой термообработку на второй стадии до температур ниже диапазона аустенизации.Эффект отпуска заключается в смягчении ранее закаленных структур и их повышении прочности и пластичности.

Схематический график температуры / времени процессов прокатки

[вверху] Прочность

[вверх] Предел текучести

Предел текучести является наиболее распространенным свойством, которое может понадобиться проектировщику, поскольку это основа, используемая для большинства правил, приведенных в нормах проектирования. В европейских стандартах для конструкционных углеродистых сталей (включая погодостойкую сталь) основное обозначение относится к пределу текучести, т.е.грамм. Сталь S355 – это конструкционная сталь с указанным минимальным пределом текучести 355 Н / мм².

Стандарты на продукцию также определяют допустимый диапазон значений предела прочности на разрыв (UTS). Минимальный UTS имеет отношение к некоторым аспектам дизайна.

[вверх] Горячекатаный прокат

Для горячекатаных углеродистых сталей цифра в обозначении представляет собой значение предела текучести для материала толщиной до 16 мм. Конструкторам следует учитывать, что предел текучести уменьшается с увеличением толщины листа или профиля (более тонкий материал обрабатывается больше, чем толстый материал, и обработка увеличивает прочность).Для двух наиболее распространенных марок стали, используемых в Великобритании, указанные минимальный предел текучести и минимальный предел прочности на растяжение показаны в таблице ниже для сталей в соответствии с BS EN 10025-2 ^[1] .

Национальное приложение Великобритании к BS EN 1993-1-1 ^[2] позволяет использовать минимальное значение текучести для конкретной толщины в качестве номинального (характеристического) предела текучести f _y и минимального значения прочности на растяжение прочность f _u использовать как номинальный (характеристический) предел прочности.

Подобные значения даны для других марок в других частях BS EN 10025 и для полых профилей в соответствии с BS EN 10210-1 ^[3] .

[вверх] Холодногнутые стали

Существует широкий диапазон марок стали для полосовой стали, пригодной для холодной штамповки. Минимальные значения предела текучести и предела прочности указаны в соответствующем стандарте на продукцию BS EN 10346 ^[4] .

BS EN 1993-1-3 ^[5] содержит в таблице значения базового предела текучести f _yb и предела прочности на растяжение f _u , которые должны использоваться в качестве характерных значений при проектировании.

[вверх] Нержавеющая сталь

Марки нержавеющей стали обозначаются числовым «номером стали» (например, 1.4401 для типичной аустенитной стали), а не системой обозначений «S» для углеродистых сталей. Зависимость напряжение-деформация не имеет четкого различия между пределом текучести, и «предел текучести» нержавеющей стали для нержавеющей стали обычно указывается в терминах предела текучести, определенного для конкретной смещенной остаточной деформации (обычно 0,2% деформации).

Прочность обычно используемых конструкционных нержавеющих сталей составляет от 170 до 450 Н / мм². Аустенитные стали имеют более низкий предел текучести, чем обычно используемые углеродистые стали; Дуплексные стали имеют более высокий предел текучести, чем обычные углеродистые стали. Как для аустенитных, так и для дуплексных нержавеющих сталей отношение предела прочности к пределу текучести больше, чем для углеродистых сталей.

BS EN 1993-1-4 ^[6] содержит в таблице номинальные (характеристические) значения предела текучести f _y и минимального предела прочности на растяжение f _u для сталей согласно BS EN 10088-1 ^[7] для использование в дизайне.

[вверх] Прочность

Образец для испытаний на удар с V-образным надрезом

Все материалы имеют недостатки. В стали эти дефекты проявляются в виде очень мелких трещин. Если сталь недостаточно прочная, «трещина» может быстро распространяться без пластической деформации и привести к «хрупкому разрушению». Риск хрупкого разрушения увеличивается с увеличением толщины, растягивающего напряжения, концентраторов напряжений и при более низких температурах.Вязкость стали и ее способность противостоять хрупкому разрушению зависят от ряда факторов, которые следует учитывать на этапе спецификации. Удобной мерой прочности является испытание на удар по Шарпи с V-образным надрезом – см. Изображение справа. В этом испытании измеряется энергия удара, необходимая для разрушения небольшого образца с надрезом при заданной температуре одним ударом маятника.

В различных стандартах на продукцию указываются минимальные значения энергии удара для различных классов прочности каждого класса прочности.Для нелегированных конструкционных сталей основными обозначениями марок стали JR, J0, J2 и K2. Для мелкозернистых сталей, закаленных и отпущенных сталей (которые обычно более жесткие, с более высокой энергией удара) используются разные обозначения. Сводка обозначений ударной вязкости приведена в таблице ниже.

Для тонкостенных сталей, предназначенных для холодной штамповки, требования к энергии удара для материала толщиной менее 6 мм не предъявляются.

Выбор подходящего подкласса для обеспечения соответствующей прочности в расчетных ситуациях приведен в BS EN 1993‑1‑10 ^[12] и связанном с ним UK NA ^[13] . Правила связывают температуру воздействия, уровень напряжений и т. Д. С «предельной толщиной» для каждого подкласса стали. PD 6695-1-10 ^[14] содержит полезные справочные таблицы, а руководство по выбору подходящего подкласса дано в ED007.

Эти правила проектирования были разработаны для конструкций, подверженных усталости, таких как мосты и опорные конструкции кранов, и признано, что их использование в зданиях, где усталость играет второстепенную роль, является чрезвычайно безопасным.

Публикация SCI P419 представляет модифицированные пределы толщины стали, которые могут использоваться в зданиях, где усталость не является предметом рассмотрения при проектировании. Эти новые пределы были получены с использованием того же подхода, что и правила проектирования Еврокода, но существенно снижают рост трещин из-за усталости. Используется слово «уменьшить», поскольку предполагать, что никакого роста вообще нет, означало бы полностью устранить эффект утомления. Допускается некоторая усталость (20 000 циклов) на основании ориентировочных указаний стандарта DIN.

Термин «квазистатический» будет охватывать такие конструкции – в действительности, может иметь место некоторая ограниченная цикличность нагрузки, но это обычно не рассматривается – подход к проектированию состоит в том, чтобы рассматривать все нагрузки как статические. Ключом к новому подходу является формула для выражения роста трещины за период до 20 000 циклов. Эксперты из Ахенского университета (которые участвовали в разработке Еврокода) дали это важнейшее выражение.

Дополнительная информация доступна в технической статье в сентябрьском выпуске журнала NSC за 2017 год.

Нержавеющая сталь обычно намного прочнее углеродистой стали; минимальные значения указаны в BS EN 10088-4 ^[15] . BS EN 1993-1-4 ^[6] утверждает, что аустенитные и дуплексные стали достаточно вязкие и не подвержены хрупкому разрушению при рабочих температурах до -40 ° C.

[вверху] Пластичность

Пластичность – это мера степени, в которой материал может деформироваться или растягиваться между началом текучести и возможным разрушением под действием растягивающей нагрузки, как показано на рисунке ниже.Проектировщик полагается на пластичность для ряда аспектов проектирования, включая перераспределение напряжений в предельном состоянии, конструкцию группы болтов, снижение риска распространения усталостной трещины и в производственных процессах сварки, изгиба и правки. Различные стандарты для марок стали в приведенной выше таблице настаивают на минимальном значении пластичности, поэтому проектные допущения действительны, и если они указаны правильно, проектировщик может быть уверен в их адекватных характеристиках.

Напряжение – деформация стали

[вверх] Свариваемость

Приварка ребер жесткости к большой сборной балке
(Изображение любезно предоставлено Mabey Bridge Ltd)

Все конструкционные стали в основном поддаются сварке. Однако сварка предполагает локальное плавление стали, которая впоследствии остывает.Охлаждение может быть довольно быстрым, потому что окружающий материал, например балка обеспечивает большой «теплоотвод», а сварной шов (и вводимое тепло) обычно относительно невелик. Это может привести к упрочнению «зоны термического влияния» (HAZ) и снижению ударной вязкости. Чем больше толщина материала, тем больше снижение ударной вязкости.

Склонность к охрупчиванию также зависит от легирующих элементов, главным образом, но не исключительно, от содержания углерода. Эту восприимчивость можно выразить как «углеродный эквивалент» (CEV), и различные стандарты продукции для углеродистой стали содержат выражения для определения этого значения.

BS EN 10025 ^[1] устанавливает обязательные пределы для CEV для всех покрываемых изделий из конструкционной стали, и это простая задача для тех, кто контролирует сварку, – гарантировать, что используемые спецификации процедуры сварки соответствуют соответствующей марке стали и CEV.

[вверх] Прочие механические свойства стали

Другие важные для проектировщика механические свойства конструкционной стали включают:

• Модуль упругости, E = 210 000 Н / мм²
• Модуль сдвига, G = E / [2 (1 + ν )] Н / мм², часто принимается равным 81 000 Н / мм²
• коэффициент Пуассона, ν = 0.3
• Коэффициент теплового расширения, α = 12 x 10 ^-6 / ° C (в диапазоне температур окружающей среды).

[вверху] Прочность

Нанесение защиты от коррозии на месте
(Изображение любезно предоставлено Hempel UK Ltd.)

Еще одним важным свойством является защита от коррозии. Хотя доступны специальные коррозионно-стойкие стали, они обычно не используются в строительстве.Исключением является погодостойкая сталь.

Наиболее распространенными способами защиты конструкционной стали от коррозии являются окраска или гальваника. Требуемый тип и степень защиты покрытия зависит от степени воздействия, местоположения, расчетного срока службы и т. Д. Во многих случаях во внутренних сухих условиях не требуется никаких антикоррозионных покрытий, кроме соответствующей противопожарной защиты. Доступна подробная информация о защите от коррозии конструкционной стали.

[вверху] Погодостойкая сталь

Погодоустойчивая сталь – это высокопрочная низколегированная сталь, которая противостоит коррозии, образуя прилипшую защитную «патину» от ржавчины, которая препятствует дальнейшей коррозии.Защитное покрытие не требуется. Он широко используется в Великобритании для строительства мостов и некоторых зданий. Он также используется для архитектурных элементов и скульптурных сооружений, таких как Ангел Севера.

Ангел Севера

[вверху] Нержавеющая сталь

Типичные кривые напряжение-деформация для нержавеющей и углеродистой стали в отожженном состоянии

Нержавеющая сталь – это материал с высокой коррозионной стойкостью, который можно использовать в конструкционных целях, особенно там, где требуется высококачественная обработка поверхности.Подходящие классы воздействия в типичных условиях окружающей среды приведены ниже.

Поведение нержавеющих сталей при растяжении отличается от углеродистых сталей по ряду аспектов. Наиболее важное различие заключается в форме кривой напряжения-деформации. В то время как углеродистая сталь обычно демонстрирует линейное упругое поведение до предела текучести и плато перед деформационным упрочнением, нержавеющая сталь имеет более округлую реакцию без четко определенного напряжения текучести. Следовательно, предел текучести нержавеющей стали обычно определяется для конкретной остаточной деформации смещения (обычно 0.2% деформации), как показано на рисунке справа, на котором показаны типичные экспериментальные кривые напряжение-деформация для обычных аустенитных и дуплексных нержавеющих сталей. Показанные кривые представляют диапазон материалов, которые могут быть поставлены, и не должны использоваться при проектировании.

Механические свойства относятся к горячекатаному листу. Для холоднокатаной и горячекатаной полосы указанные значения прочности на 10-17% выше.

Материалы, подходящие для более высокого класса, могут использоваться для более низких классов, но могут быть неэффективными с точки зрения затрат. Материалы в скобках могут быть рассмотрены, если допустима умеренная коррозия. Накопление коррозионных загрязнителей и хлоридов будет выше в защищенных местах; следовательно, может потребоваться выбрать рекомендуемый сорт из следующего более высокого класса коррозии.

[вверх] Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1,1 1,2} BS EN 10025-2: 2019 Горячекатаный прокат из конструкционных сталей. Технические условия поставки нелегированных конструкционных сталей, BSI.
2. ↑ NA + A1: 2014 к BS EN 1993-1-1: 2005 + A1: 2014, Национальное приложение Великобритании к Еврокоду 3: Проектирование стальных конструкций Общие правила и правила для зданий, BSI
3. ↑ ^{3,0 3,1} BS EN 10210-1: 2006 Конструкционные полые профили горячей обработки из нелегированных и мелкозернистых сталей. Технические требования к поставке, BSI.
4. ↑ BS EN 10346: 2015 Стальной плоский прокат с непрерывным горячим покрытием для холодной штамповки. Технические условия поставки. BSI
5. ↑ BS EN 1993-1-3: 2006 Еврокод 3: Проектирование стальных конструкций. Общие правила – Дополнительные правила для холодногнутых профилей и листов, BSI.
6. ↑ ^{6,0 6,1} BS EN 1993-1-4: 2006 + A1: 2015 Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Основные правила. Дополнительные правила для нержавеющих сталей, BSI
7. ↑ BS EN 10088-1: 2014 Нержавеющие стали.Список нержавеющих сталей, BSI
8. ↑ BS EN 10025-3: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 3: Технические условия поставки нормализованных / нормализованных прокатных свариваемых мелкозернистых конструкционных сталей, BSI
9. ↑ BS EN 10025-4: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 4: Технические условия поставки термомеханических прокатных свариваемых мелкозернистых конструкционных сталей, BSI
10. ↑ BS EN 10025-5: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 5: Технические условия поставки для конструкционных сталей с повышенной стойкостью к атмосферной коррозии, BSI
11. ↑ BS EN 10025-6: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 6: Технические условия поставки плоского проката из конструкционных сталей с высоким пределом текучести в закаленном и отпущенном состоянии, BSI
12. ↑ BS EN 1993-1-10: 2005 Еврокод 3.Проектирование металлоконструкций. Прочность материала и свойства по толщине, BSI.
13. ↑ NA к BS EN 1993-1-10: 2005, Национальное приложение Великобритании к Еврокоду 3: Проектирование стальных конструкций. Прочность материала и свойства по толщине. BSI
14. ↑ PD 6695-1-10: 2009 Рекомендации по проектированию конструкций согласно BS EN 1993-1-10. BSI
15. ↑ ^{15,0 15,1} BS EN 10088-4: 2009 Нержавеющие стали. Технические условия поставки листов и полос из коррозионно-стойких сталей строительного назначения, BSI.
16. ↑ BS EN ISO 9223: 2012 Коррозия металлов и сплавов, Коррозионная активность атмосферы, Классификация, определение и оценка. BSI

[вверх] Ресурсы

[вверху] См. Также

Свойства и использование стали

Обновлено 16 февраля 2020 г.

Автор: Кевин Бек

Проверено: Lana Bandoim, B.S.

Конструкции, сделанные в основном или большей частью из материала, известного как сталь , могут быть самым заметным дополнением человечества к ландшафту Земли.

Если бы все живое на Земле было телепортировано в другое место, и группа инопланетян занялась исследованием, самые прочные и внушительные объекты, которые они обнаружили бы, которые явно не возникли в результате естественных геологических процессов, содержали бы сталь: небоскребы, мосты, тяжелую технику и, по сути, все, что требуется, чтобы противостоять сильным силам с течением времени.

Возможно, вы знаете, откуда «берется» сталь и что она «такое». По крайней мере, вы наверняка знаете, как он обычно выглядит, ощущается и, возможно, даже звучит в определенных случаях.

Если вы думаете о стали как о металле, это естественно, но на самом деле сталь классифицируется как сплав или смесь различных металлов. В этом случае почти весь первичный металл – это железо, независимо от конкретного рецепта, но, как вы увидите, даже небольшое количество углерода может значительно изменить свойства стали.

Приготовьтесь узнать много нового о том, что по праву можно назвать самым важным материалом в истории строительства и инженерии,

Физические и химические свойства стали

Как вы, несомненно, знаете из того, что видели, слышали и общались С вашей стороны, сталь известна прежде всего своей прочностью, твердостью и твердостью.В некоторых случаях он также славится своим блеском.

В количественном выражении эти качества выражаются в очень высокой температуре плавления (около 1510 ° C, выше, чем у большинства металлов; медь, например, почти на 500 градусов ниже) и очень высокой плотности (7,9 г / см ³ , что почти в восемь раз больше, чем у воды).

Сталь в целом тверже и прочнее, чем ее так называемый родительский элемент, железо. Тем не менее, чрезвычайно гибкий и известен своей высокой прочностью на разрыв (т.е.е. его способность противостоять приложенным нагрузкам или силам, не теряя своей формы).

Прочность на растяжение всех типов стали высока по сравнению с другими материалами, но значительно различается между типами стали. На нижнем уровне значения составляют приблизительно 290 Н / мм ² ; на верхнем конце предел прочности на разрыв достигает 870 Н / мм ² .

• Один квадратный миллиметр ( ² мм) составляет всего одну миллионную квадратного метра. Это означает, что сталь может иметь предел прочности на разрыв 870 миллионов ньютонов на квадратный метр, что равно массе 88.8 миллионов килограммов, или 195,7 миллиона фунтов (97 831 тонна), на Земле!

Если вы когда-либо использовали чугунную сковороду , вы, возможно, заметили, насколько она на удивление крепкая (или, по крайней мере, тяжелая). Когда железо является единственным или почти единственным компонентом чего-то вроде сковороды, оно более хрупкое, чем сталь.

Но для большинства повседневных температур приготовления пищи (которые кажутся «горячими», но далеко не похожи на плавильные печи) функциональная разница между чугуном и сталью может быть не так очевидна, даже если они обычно выглядят несколько иначе.

Типы стали

Большая часть производимой сегодня стали называется просто углеродистой сталью или простой углеродистой сталью , даже если она может содержать металлы помимо железа и углерода, такие как кремний и марганец.

Количество вариаций стали на поверхности может не выглядеть значительным, потому что углерод никогда не составляет более 1,5% стали. Однако, если учесть, что эта небольшая доля сама может варьироваться в 10 раз (0,15% к 1.5 процентов), вы начинаете понимать, какое физическое воздействие это может оказать.

можно разделить на разные категории по ряду критериев. Те, которые используются учеными (которые часто больше озабочены свойствами вещей, чем их фактическим использованием), часто отличаются от тех, чья главная забота – это типы конечных продуктов, изготовленных из стали.

Механический : Как уже отмечалось, предел прочности стали на разрыв может составлять от 290 Н / м ² до 870 Н / м ² .Добавление углерода в сталь усложняет задачу из-за того, что атомы углерода фактически рассеиваются между атомами железа, что очень затрудняет дислокации материала, образуя «зерна» Fe ₃ C. Это также делает сталь более хрупкой. чем железо, поэтому преобразование железа в сталь, несмотря на очевидные преимущества последней, не требует нулевых практических затрат.

, классифицируемая на основе ее механических свойств, начинается с «Fe», и далее следует: 1) E и минимальное значение предела текучести, если сталь классифицируется в основном на этом основании_, или 2) просто значение предел прочности при растяжении, если это основной классификационный признак.(_Предел текучести – это мера сопротивления механической деформации.)

• Например, «Fe 290» – это сталь с пределом прочности на разрыв 290 Н / мм2. Fe E 220 – это сталь с пределом текучести 220 Н / мм ² .

Химическая промышленность : Простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,06 до 1,5 процентов подразделяются на следующие типы в зависимости от конкретного содержания углерода.

1. Мертвая низкоуглеродистая сталь – до 0.15

   процентов

   углерод 2. Низкоуглеродистая или мягкая сталь – 0,15

   процентов

   до 0,45

   процентов

   углерод 3. Среднеуглеродистая сталь – 0,45

   процентов

   до 0,8

   процентов

   углерод 4 . Высокоуглеродистая сталь – 0,8

   процентов

   до 1,5

   процентов

   углерод

Нержавеющая сталь – это тип стали, получивший свое название благодаря своей стойкости к окислению (ржавчина), а также к коррозии. Коррозия , которая может возникнуть в результате применения сильной кислоты.Он был изобретен в 1913 году британским металлургом Гарри Брирли , который обнаружил, что при добавлении металла хрома к стали в больших количествах (13 процентов) хром вступает в реакцию с кислородом воздуха с образованием самообновляющейся защитной пленки. вокруг объекта.

В настоящее время используется ряд типов нержавеющей стали:

• Мартенситные нержавеющие стали содержат от 12 до 14

  процентов

  хрома и 0.От 12 до 0,35

  % углерода

  и были первой разработанной нержавеющей сталью. Эти стали магнитные и могут быть упрочнены путем термической обработки. Они используются в гидравлических насосах, паровых насосах, масляных насосах и клапанах, а также в другом инженерном оборудовании.

  * Ферритные нержавеющие стали содержат большее количество хрома (от 16 до 18

  процентов) и примерно 0,12

  процентов углерода

  . Эти стали более устойчивы к коррозии, чем мартенситные нержавеющие стали, но обладают небольшой способностью закаливаться при нагревании.Эти нержавеющие стали используются в основном в операциях формовки и прессования из-за их высокой устойчивости к коррозии.

  * Аустенитные нержавеющие стали содержат большое количество как хрома, так и никеля; существует множество вариаций точного химического состава, но наиболее широко используемые состоят из 18

  процентов хрома

  и 8

  процентов

  никеля с минимальным содержанием углерода. Они очень хорошо сопротивляются коррозии за счет того, что не поддаются термической обработке в какой-либо значительной степени.Эти стали используются в валах насосов, рамах, обшивке и бытовых компонентах, таких как винты, гайки и болты.

Назначение сплавов

Вы уже видели, как сплавы могут сделать уже полезный материал лучше или, возможно, точнее, более специализированным. Как этот процесс работает на молекулярном уровне?

Большинство чистых металлов, хотя многие из них кажутся твердыми, на самом деле сами по себе слишком мягкие, чтобы их можно было использовать в тяжелой промышленности. (Заметным исключением является автомобильная промышленность, где сталь остается в основном нелегированной и содержит почти чистое железо.) Но смешивание с другими металлами может дать выдающиеся результаты.

Например, никель и хром устойчивы к коррозии и известны своим включением в хирургические инструменты из нержавеющей стали. Если для использования в стальных магнитах требуется сплав с более высокой магнитной проницаемостью, лучшим выбором будет кобальт .

Марганец используется в крупномасштабных проектах, таких как железнодорожные переезды для тяжелых условий эксплуатации, из-за его значительной прочности и твердости.Наконец, молибден способен сохранять свою прочность при необычно высоких температурах даже по стандартам металлов и используется в точных приложениях, таких как высокоскоростные сверлильные наконечники.

• Когда к существующей стальной решетке добавляются ионы большего размера, это разрушает решетку таким образом, что соседним «слоям» становится труднее скользить друг мимо друга, что увеличивает твердость стали. Добавление более мелких атомов может иметь тот же эффект за счет другой формы механического нарушения структуры кристаллической решетки железа.

Преимущества стали

Среди многих желаемых свойств стали – ее экологичность. Это может не всегда выглядеть так с большими стальными конструкциями, усеивающими небосклон в часто неприятных местах, но его высокая долговечность означает, что, например, он не превратится во что-то токсичное и незаметно попадет в грунтовые воды и другие области. В возобновляемых источниках энергии (например, солнечная, ветровая и гидроэнергетика) широко используется нержавеющая сталь.

• Сталь в настоящее время является самым перерабатываемым материалом на Земле; хотя он тяжелый, его магнитные свойства облегчают его восстановление из ручьев и других мест, чем из других форм отходов.Это может снизить выбросы CO ₂ .

По сравнению с другими материалами, сталь требует небольшого количества энергии при создании относительно легких стальных элементов, и ей можно придавать различные формы. Он дает лучшую форму и остроту, чем железо, которое используется для изготовления оружия.

Различные виды использования и функции стали

Как уже отмечалось, сталь используется в автомобильной промышленности. Подумайте о количестве машин на дорогах вашего собственного города в час пик, все они с кузовами, дверями, двигателями, подвесками и интерьерами, в основном состоящими из стали.

• В среднем автомобиль на 50 процентов изготовлен из стали.

Сталь используется не только в легковых автомобилях, но и в производстве сельскохозяйственных машин и машин.

Большинство приборов в современных домах, таких как холодильники, телевизоры, раковины, духовки и т. Д., Изготовлены из «простой» стали. Кроме того, те, кто любит проводить время на кухне, хорошо осведомлены о роли нержавеющей стали в производстве прекрасных столовых приборов. Нержавеющая сталь особенно легко поддерживает стерильную среду, что является одним из качеств, делающих ее хорошим выбором для хирургических инструментов и имплантатов.

Поскольку сталь позволяет легко формировать сварные швы, она не только составляет невидимый каркас современных конструкций, но и сама по себе стала использоваться в образцах современной архитектуры. Так называемая «мягкая» сталь используется для повседневного строительства зданий, особенно в районах, где сильные ветры являются особенностью местного климата.

Сталь Химические формулы и реакции

Сталь сама по себе является сплавом и по определению не имеет химической или молекулярной формулы, независимо от типа.Тем не менее полезно изучить некоторые важные реакции, происходящие в процессе производства стали.

Сжигание чугуна и стального лома или, в некоторых случаях, только стального лома, включает ряд различных реакций. Вот некоторые из наиболее важных:

2 C + O ₂ → 2 CO
Si + O ₂ → SiO ₂
4P + 5 O ₂ → 4P ₅ O ₂
2 Mn + O ₂ → 2 MnO

CO ( диоксид углерода ) является побочным продуктом, но остальное добавляют в известь для продолжения процесса выплавки стали с образованием шлака .

Каковы механические свойства сталей – определение

Стали – это железоуглеродистые сплавы, которые могут содержать значительные концентрации других легирующих элементов. Добавление небольшого количества неметаллического углерода к , железо обменивает его большую пластичность на с большей прочностью . Благодаря своей очень высокой прочности, но все же значительной ударной вязкости и способности сильно изменяться при термообработке, сталь является одним из наиболее полезных и распространенных сплавов на основе черных металлов в современном использовании. Существуют тысячи сплавов, которые имеют различный состав и / или термообработку.Механические свойства чувствительны к содержанию углерода, которое обычно составляет менее 1,0 мас.%. Согласно классификации AISI углеродистая сталь делится на четыре класса в зависимости от содержания углерода.

Механические свойства сталей

Материалы часто выбирают для различных применений, потому что они имеют желаемое сочетание механических характеристик. Для структурных применений свойства материалов имеют решающее значение, и инженеры должны их учитывать.

Прочность сталей

В механике материалов сила материала – это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации. Прочность материалов в основном учитывает взаимосвязь между внешними нагрузками , приложенными к материалу, и результирующей деформацией или изменением размеров материала. Прочность материала – это его способность выдерживать эту приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации.

Предел прочности на разрыв

Предел прочности при растяжении является максимумом на инженерной кривой зависимости напряжения от деформации. Это соответствует максимальному напряжению , которое может выдержать конструкция при растяжении. Предел прочности на разрыв часто сокращают до «прочности на разрыв» или даже до «предела». Если это напряжение приложить и поддерживать, в результате произойдет разрушение. Часто это значение значительно превышает предел текучести (на 50–60 процентов больше, чем предел текучести для некоторых типов металлов).Когда пластичный материал достигает предела прочности, он испытывает образование шейки, где площадь поперечного сечения локально уменьшается. Кривая “напряжение-деформация” не содержит напряжения, превышающего предел прочности. Несмотря на то, что деформации могут продолжать увеличиваться, напряжение обычно уменьшается после достижения предела прочности. Это интенсивное свойство; поэтому его значение не зависит от размера испытуемого образца. Однако это зависит от других факторов, таких как подготовка образца, наличие или отсутствие поверхностных дефектов и температура испытательной среды и материала. Предел прочности на разрыв варьируется от 50 МПа для алюминия до 3000 МПа для очень высокопрочных сталей.

Пример – Предел прочности на разрыв – Низкоуглеродистая сталь

Предел прочности при растяжении низкоуглеродистой стали составляет от 400 до 550 МПа.

Пример – Предел прочности на разрыв – Ультра-высокоуглеродистая сталь

Предел прочности на разрыв сверхвысокоуглеродистой стали составляет 1100 МПа.

Предел текучести

Предел текучести – это точка на кривой зависимости напряжения от деформации, которая указывает предел упругого поведения и начало пластического поведения. Предел текучести или предел текучести – это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, тогда как предел текучести – это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация. До достижения предела текучести материал будет упруго деформироваться и вернется к своей исходной форме, когда приложенное напряжение будет снято. После достижения предела текучести некоторая часть деформации будет постоянной и необратимой. Некоторые стали и другие материалы демонстрируют поведение, называемое явлением предела текучести.Предел текучести варьируется от 35 МПа для алюминия с низкой прочностью до более 1400 МПа для высокопрочных сталей.

Пример – Предел текучести – Низкоуглеродистая сталь

Предел текучести низкоуглеродистой стали 250 МПа.

Пример – Предел текучести – Ультра-высокоуглеродистая сталь

Предел текучести сверхвысокоуглеродистой стали 800 МПа.

Модуль упругости Юнга

Модуль упругости Юнга представляет собой модуль упругости для растягивающего и сжимающего напряжения в режиме линейной упругости при одноосной деформации и обычно оценивается с помощью испытаний на растяжение.С точностью до предельного напряжения тело сможет восстановить свои размеры при снятии нагрузки. Приложенные напряжения заставляют атомы в кристалле перемещаться из своего положения равновесия. Все атомы смещаются на одинаковую величину и по-прежнему сохраняют свою относительную геометрию. Когда напряжения снимаются, все атомы возвращаются в исходное положение, и остаточная деформация не происходит. Согласно закону Гука , напряжение пропорционально деформации (в упругой области), а наклон равен модулю Юнга .Модуль Юнга равен продольному напряжению, деленному на деформацию.

Пример – Модуль упругости Юнга – Низкоуглеродистая сталь

Испытание на твердость по Бринеллю – это одно из испытаний на твердость при вдавливании, которое было разработано для испытания на твердость. При испытаниях по Бринеллю твердый сферический индентор под определенной нагрузкой вдавливается в поверхность испытываемого металла. В типичном испытании используется шарик из закаленной стали диаметром 10 мм (0,39 дюйма) диаметром в качестве индентора с усилием 3000 кгс (29.42 кН; 6,614 фунт-силы) сила. Нагрузка поддерживается постоянной в течение определенного времени (от 10 до 30 с). Для более мягких материалов используется меньшее усилие; для более твердых материалов шарик из карбида вольфрама заменяется стальным шариком.

Испытание обеспечивает численные результаты для количественной оценки твердости материала, которая выражается числом твердости по Бринеллю – HB . Число твердости по Бринеллю обозначается наиболее часто используемыми стандартами испытаний (ASTM E10-14 [2] и ISO 6506–1: 2005) как HBW (H от твердости, B от твердости по Бринеллю и W от материала индентора, вольфрама ( вольфрам) карбид).В прежних стандартах HB или HBS использовались для обозначения измерений, сделанных со стальными инденторами.

Число твердости по Бринеллю (HB) – это нагрузка, деленная на площадь поверхности вдавливания. Диаметр слепка измеряется с помощью микроскопа с наложенной шкалой. Число твердости по Бринеллю рассчитывается по формуле:

Существует множество широко используемых методов испытаний (например, по Бринеллю, Кнупу, Виккерсу и Роквеллу). Существуют таблицы, которые коррелируют значения твердости по различным методам испытаний, где корреляция применима.Во всех шкалах высокое число твердости соответствует твердому металлу.

Пример – твердость низкоуглеродистой стали