Повсеместное применение стали несомненно обусловлено ее механическими свойствами. Высокая прочность и в меру пластичность металла обеспечивают надежность и долговечность конструкций, деталей машин и других изделий. Для получения результатов механических свойств разработаны различные методы испытаний, образцы и методика проведения которых регламентированы ГОСТами.
Прочность стали
Прочность — сопротивление материала деформации и разрушению. Прочность определяют испытание на растяжение. Испытание проводится на специальной машине, которые записывают диаграмму растяжения, показывающая зависимость удлинения образца от действующей нагрузки, но для получения результатов по механическим свойствам, перестраивают — зависимость относительного удлинения от напряжения. И испытание заключается в следующем: вырезают образец заданного материала, чаще всего в виде стрежня, прикладывают к нему растягивающее усилие и измеряют длину образца при увеличении воздействия на него силы (см. рисунок 1). Получая диаграмму растяжения, по вертикали записывают напряжение (усилие на единицу площади образца), а по горизонтали – деформация (относительное изменение длины образца).
Рисунок 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 стали
Если при простом испытании на изгиб металл разрушается только после большого пластического прогиба, то его считают пластичным. Если такого прогиба нет совсем или он незначительный – материал называют хрупким. Хорошая пластичность металла проявляется при испытании на растяжение высокой величиной удлинения образца и/или его сужения. Удлинение выражает в процентах увеличение длины образца после разрушения к его исходной длине (см. рисунок 1). Аналогично сужение выражает в процентах уменьшение площади образца по сравнению с его исходной площадью (рисунок 2).
Рисунок 2 – Диаграмма растяжения для хрупкого и пластичного металлов
Чаще всего механические свойства сталей в целом оценивают по трем показателям: пределу прочности, пределу текучести и удлинению. Пределы прочности и пластичности обычно выражают в мегапаскалях (МПа), удлинение – в процентах (%). Практически всегда с увеличением прочности металла или сплава его пластичность снижается.
Твердость стали
При испытаниях на твердость механические свойства сталей оценивают путем внедрения в него при заданном усилии твердого материала, так называемого индентора (рисунок 3). Часто такой индентор изготавливают из алмаза. В результате испытания в материале образуется отпечаток – по его размерам судят от твердости стали: в испытании по Роквеллу — по глубине отпечатка, в испытаниях по Бриннелю и Викерсу – по его ширине.
Рисунок 3 – Схема испытания на твердость и его основные характеристики
Соотношение прочности и твердости стали
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 стали
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.
Рисунок 4 – Схема ударного испытания по методу Шарпи
Усталость стали
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.
Рисунок 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.
