Сталь: 9 ключевых свойств, определений и характеристик

В этой статье вы узнаете Что такое сталь? Её Определение, Характеристики и Свойства стали полностью разъяснены с иллюстрациями.

Также можно скачать PDF-файл в конце статьи.

Что такое сталь?

В отличие от других форм железа, сталь — это железо, легированное углеродом для повышения прочности и ударной вязкости. Допускается присутствие или добавление многих других элементов. Железо как база стали играет ключевую роль.

Прочность и низкая стоимость делают сталь отличным материалом для строительства, инфраструктуры, инструментов, судов, поездов, автомобилей, станков, электрооборудования, оружия, ракет. Производство стали начиналось в домнах тысячелетия назад, но промышленное применение началось с появления доменной печи в XVII веке, дававшей坩埚钢 (坩埚钢).

Механические свойства стали определяют, будет ли она долго и эффективно служить в самых абразивных и изнашивающих приложениях или будет часто ломаться. Существует много марок стали, у каждой уникальные свойства, влияющие на производительность.

При выборе правильной марки износостойкой стали понимание этих свойств критично. Начнем.

Читайте также: Определения и термины, применимые к механическим измерениям

Ниже приведены важные характеристики стали:

1. Строеобрабатываемость (Machineability)
2. Сварная способность (Weldability)
3. Закалимость (Hardenability)
4. Технологичность (гибка/формовка) (Workability)
5. Износостойкость (Wear resistance)
6. Коррозионная стойкость (Corrosion resistance)

#1 Строеобрабатываемость

При резании или удалении материала для уникальных конструкций свойство строеобрабатываемости должно влиять на выбор материала. Оно зависит от многих факторов: когда материал закаляется, снижается ресурс режущего инструмента и растет стоимость детали.

Обычно углеродное содержимое существенно влияет на строеобрабатываемость. Высокоуглеродистые стали значительно труднее обрабатывать — они прочнее и могут содержать карбиды, изнашивающие режущий инструмент.

Альтернативно, низкоуглеродистые стали проблематичны из-за мягкости. Склонны приклеиваться к режущему инструменту, образуя нарост, сокращающий ресурс. Таким образом, сталь с умеренным содержанием углерода (~0,20%) обладает лучшей строеобрабатываемостью.

#2 Сварная способность

Сварная способность — свойство стали, описывающее, насколько легко её можно использовать в фабрикации и производстве. Как следует из названия, относится к способности сварки. Материалы с низкой сварной способностью склонны к трещинам из-за локальных напряжений и нагрева в зоне шва.

Сварная способность обратно пропорциональна твердости материала. Следовательно, если материал закаляем, он будет закаляться при сварке, что приводит к хрупкости и трещинам.

Для оценки сварной способности стали используют несколько режимов разрушения: водородное холодное трещинообразование, ламеллярное растрескивание, отслаивание точечных швов. Наиболее ярко проявляется водородное холодное трещинообразование.

#3 Закалимость

Закалимость стали — мера того, насколько материал закалится под воздействием тепла после термической обработки. Не путать с твердостью, которая характеризует сопротивление вдавливанию и царапанию.

Критически важно для сварки, так как обратно пропорционально сварной способности: чем выше закалимость, тем ниже сварная способность и наоборот. Высокотвердые стали могут иметь заданные уровни твердости на стадии проектирования.

Стандарт для инструментов и применений, требующих поверхностной долговечности. Можно настраивать свойства материала через твердость, так как твердость и вязкость обратно связаны.

Читайте также: Типы сварочных процессов: их преимущества и недостатки [PDF]

#4 Технологичность (Гибка или формовка)

Технологичность — способность материала деформироваться в конкретном металлообрабатывающем процессе. Влияет на легкость гибки или формовки. Широко используется для формовки листовой стали или листов в различные формы — от автопанелей до огромных труб.

Твердость и вязкость металла сильно влияют на технологичность. Высокоуглеродистая сталь имеет низкую вязкость — менее технологична, чем низкоуглеродистая с высокой вязкостью. Технологичность можно повысить нагревом металла — горячая обработка.

При нагреве вязкость растет, предел текучести падает, что повышает технологичность. Применяется для высокопрочных металлов, которые обычно трескаются при холодной формовке.

#5 Износостойкость

При изготовлении режущего реза или штамповочной матрицы износостойкость стали определяет, как долго инструмент служит до отказа. Это способность материала противостоять потере массы под механическим воздействием: абразивное износ, эрозия, адгезия, усталость, кавитация.

Алмаз и сапфир обладают исключительной износостойкостью — идеальны для драгоценных камней или требовательных режущих инструментов. Износостойкость сильно зависит от поверхностной твердости. Высокая твердость напильника позволяет изнашивать более мягкие металлы без существенного собственного износа.

#6 Коррозионная стойкость

Коррозионная стойкость — способность материала противостоять повреждению окислением или другими химическими реакциями. У разных металлов разный уровень коррозионной стойкости. Металлы, экспонируемые дождю, воде, влаге или окислителям, уязвимы для коррозийного повреждения.

Коррозию легко контролируют нержавеющей или оцинкованной сталью, титаном, алюминием, ветеринг-сталью и защитным слоем (краска). Эти металлы высококоррозионностойкие, но не коррозионно-непробиваемые.

В вакууме ржавчение наступит со временем. Поэтому профилактика и мониторинг коррозии обязательны для любых критичных компонентов. Нужно рассчитывать скорость коррозии для рекомендаций по ТО.

Читайте также: 10 различных типов коррозии и их примеры

Свойства стали

Основные свойства стали:

1. Твердость
2. Вязкость (Toughness)
3. Предел текучести (Yield strength)
4. Предел прочности на разрыв (Tensile strength)
5. Вязкость (Ductility)
6. Долговечность (Durability)
7. Ковкость (Malleability)
8. Магнитность
9. Теплопроводность

#1 Твердость

Изображение: fractory.com

Твердость — способность выдерживать трение и абразивный износ, мера долговечности. Наименее точно определенное материальное свойство, так как может означать сопротивление царапанию, абразивному износу, вдавливанию/формовке или локальной пластической деформации.

#2 Вязкость (Toughness)

Вязкость — свойство стали, определяемое как способность поглощать энергию без разрушения. Просто: сопротивление разрушению под нагрузкой. Сильно зависит от прочности и гибкости.

Измеряется в футо-фунтах на кв. дюйм или Джоулях на кв. см. Сталь может иметь удовлетворительную вязкость под статической нагрузкой, но разрушаться под динамической или ударом. Указывает на твердость: материал, сильно деформирующийся без разрыва, может быть крайне вязким, но не твердым.

#3 Предел текучести

Предел текучести — мера силы, необходимой для начала деформации (гибки, искривления) материала. Просто: пиковая сила, приложенная к объекту до изменения его формы и структуры. Предел текучести важен для выбора подходящего материала для строительства по требованиям.

Читайте также: Что такое ковка? Типы, операции и преимущества

#4 Предел прочности на разрыв

Изображение: azom.com

Предел прочности на разрыв — мера силы, необходимой для разрыва материала. У стали очень высокий предел прочности, что делает её относительно устойчивой к трещинам и разрывам — важно для строительных конструкций. Типичный предел прочности конструкционной стали — 400 МПа, углеродистой стали — 841 МПа.

#5 Вязкость (Ductility)

Изображение: thoughtco.com

Одна из ценных механических свойств стали — вязкость, способность менять форму под воздействием силы без трещин. Один из важнейших механических свойств.

Именно вязкость позволяет формировать различные формы и конструкции. Это позволяет использовать сталь как тонкие проволоки или крупные автопанели в зависимости от формы.

#6 Долговечность

Изображение: blog.dahlstromrollform.com

Долговечность металла — способность выдерживать абразивный износ, давление и повреждения длительное время. Сталь — высокодолговечный металл. Будучи прочной и вязкой, устойчива к случайным повреждениям.

Так как сталь — сплав железа и углерода в определенной пропорции, она устойчива к большинству сред, идеальна для прибрежных зон и городов с сильными ветрами, частыми штормами и суровыми условиями.

Читайте также: Типы нарезки зубьев шестерен: преимущества и недостатки

#7 Ковкость

Изображение: hevvypumps.com

Когда металлы ковки — их можно ковать, выдавливать, гнуть в тонкие или толстые листы без разрыва, указывая на физическое свойство ковкости. Просто: свойство металла деформироваться под давлением и принимать другую форму.

#8 Магнитность

Изображение: monnigindustry.com

Сталь также магнитный материал, но зависит от типа. Для стальных банок компоненты ферромагнитны (железо), хорошо притягиваются магнитами. Аустенитная нержавеющая сталь не проявляет магнитности из-за высокого содержания хрома и никеля.

#9 Теплопроводность

Изображение: stainless-structurals.com

Теплопроводность — скорость переноса тепловой энергии через материал. Обычно в Вт/(м·К). Материал с высокой теплопроводностью переносит тепло быстрее и эффективнее.

Углеродистая сталь имеет гораздо более низкую проводимость, чем алюминий. Обычно ~45 Вт/(м·К). Электрическая проводимость при комнатной температуре ~6 млн См/м. Это первое физическое свойство, определяющее проводимость стали.

Заключение

На этом всё. Спасибо за чтение. Надеюсь, я покрыл тему «Свойства стали». Если что-то упустил или есть вопросы — пишите в комментариях. Если понравилось — делитесь с друзьями.

Хотите бесплатные PDF на почту? Подпишитесь на рассылку.

Скачать PDF статьи:

Вас может заинтересовать в нашем блоге:

1. Понимание различных типов молотообразных молотов в ковке
2. Разновидности операций с листовым металлом со схемами
3. Процесс экструзии: работа, типы, применение и преимущества