От чего металл становится хрупким

Обновлено: 18.05.2024

свойство материала разрушаться при небольшой (преимущественно упругой) деформации под действием напряжений, средний уровень которых ниже предела текучести. Образование хрупкой трещины и развитие процесса хрупкого разрушения связано с образованием малых зон пластической деформации (см. Прочность). Относительная доля упругой и пластической деформации при хрупком разрушении зависит от свойств материала (характера межатомных или межмолекулярных связей, микро- и кристаллической структуры) и от условий его работы. Приложение растягивающих напряжений по трём главным осям (трёхосное напряжённое состояние), концентрация напряжений в местах резкого изменения сечения детали, понижение температуры и увеличение скорости нагружения, а также повышение запаса упругой энергии нагруженной конструкции способствуют переходу материала в хрупкое состояние. Например, существенно упругий материал — мрамор, хрупко разрушающийся при растяжении, в условиях несимметричного по трём главным осям сжатия ведёт себя как пластичный материал; чем выше концентрация напряжений, тем сильнее проявляется Х. материала, и т.д. Поэтому Х. следует рассматривать в связи с условиями работы материала.

Условием роста хрупкой трещины является нарушение равновесия между освобождающейся при этом энергией упругой деформации и приращением полной поверхностной энергии (включая и работу пластической деформации тонкого слоя, примыкающего к краям трещины). Хрупкая прочность элемента с трещиной обратно пропорциональна 1 /₅ от скорости распространения упругой волны сдвига).

Склонность материала к хрупкому разрушению оценивают обычно по температурным зависимостям работы разрушения или характеристик пластичности, позволяющих определить критическую температуру хрупкости Т_кр, т. е. температуру перехода из пластического состояния в хрупкое. Чем выше Т_кр, тем более материал склонен к хрупкому разрушению.

При рассмотрении макроскопических закономерностей хрупкого разрушения необходимо учитывать две независимые характеристики — сопротивление пластической деформации (предел текучести σ_s) и сопротивление хрупкому разрушению (хрупкая прочность, сопротивление отрыву S_oт). При понижении температуры испытания, введении надрезов — концентраторов напряжения, увеличении скорости деформации σ_s возрастает быстрее, чем S_oт, вследствие чего происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому (рис.).

Представление о возникновении хрупкого разрушения как результате небольшой предварительной пластической деформации лежит в основе дислокационной теории разрушения. Зарождение хрупких трещин связывают с плоским скоплением линейных дефектов кристаллической решётки — дислокаций (См. Дислокации) — перед каким-либо препятствием, которым могут служить границы зёрен или субзёрен, различные включения и т.п. При этом возникает высокая Концентрация напряжений, пропорциональная касательному напряжению от внешней нагрузки и длине скопления дислокаций.

Характерной особенностью хладноломких переходных металлов (см. Переходные элементы, Хладноломкость) является резкий рост предела текучести при понижении температуры ниже 0,2 от температуры плавления и при повышении скорости деформации. Увеличение сопротивления пластической деформации затрудняет релаксацию напряжений в металле под нагрузкой как на стадии возникновения трещины (перед скоплением дислокаций), так и на стадии её развития (в пластической зоне перед кончиком растущей трещины), способствуя переходу металла в хрупкое состояние.

Вместе с тем Х. — структурно-чувствительное свойство. Неоднородности структуры и состава металлов, рост размеров зёрен, содержание вредных примесей, выделение хрупких фаз, особенно по границам зёрен, повышают Т_кр. Атомы элементов, образующие твёрдые растворы внедрения, взаимодействуют с дислокациями, уменьшая их подвижность и способствуя переходу вещества в хрупкое состояние. Очистка металлов от атомов внедрения (С, О, N) понижает Т_кр. Легирование может как повышать, так и понижать Т_кр вследствие изменения фазового состава и структуры металлов, а также в результате влияния на подвижность дислокаций в металле. Облучение металлов частицами высоких энергий вызывает увеличение сопротивления движению дислокаций, повышает степень закрепления последних и приводит к возрастанию Т_кр. Упорядочение в расположении атомов также обусловливает повышение Т_кр.

Исследования поверхности разрушения (фрактография) указывают на то, что трещина хрупкого разрушения в металлах и сплавах распространяется вдоль простых кристаллографических плоскостей (скола) либо по границам зёрен. Последний случай обусловлен адсорбционным обогащением границ зёрен вредными примесями (Р, S, Sb и др. элементами в сталях), резко снижающими силы сцепления между зёрнами.

Специфические виды Х. — водородная Х. и замедленное разрушение стали и сплавов — проявляются только при очень низких скоростях нагружения или при длительном воздействии статической нагрузки ниже предела текучести. Металл в этих случаях может не обнаруживать повышенной склонности к хрупкому разрушению при обычных ударных испытаниях. Разрушение развивается в три стадии — инкубационный период, стадия медленного роста хрупкой трещины и быстрый долом после достижения трещиной критической длины. Медленный скачкообразный рост хрупкой трещины в закалённой стали связан с тем, что при закалке возникают упругие микронапряжения, облегчающие рост трещины при невысоких напряжениях, приложенных извне. Облегчение же роста трещины в случае водородной Х. вызывается диффузией Н в область напряжённого состояния перед растущей трещиной.

Лит.: Дроздовский Б. А., Фридман Я. Б., Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей, М., 1960; Атомный механизм разрушения, пер. с англ., М., 1963; Черепанов Г. П., Механика хрупкого разрушения, М., 1974.

Схема перехода каменной соли из вязкого состояния в хрупкое при понижении температуры испытания на растяжение (по А. Ф. Иоффе).

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Хрупкие металлы – перечень, особенности обработки и использования

Металл ассоциируется с надежностью, прочностью, твердостью. Хрупкость – это атрибут стекла и подобных материалов. Однако и в металлическом сегменте есть «стекло».

Хрупкими могут стать изначально пластичные элементы.

Что представляют собой

Хрупкость – антипод пластичности. Это свойство вещества разрушаться без визуально различимых деформаций. То есть на изломе, например, цинковой проволоки цвет, блеск, структура не изменятся.

Хрупкие металлы подразделяются на две группы:

Наделенные этим свойством от природы.
Ставшие таковыми в результате обработки.

Ко второй группе причисляются также сплавы.

Причины уязвимости

Склонность к разрушению у металлов, других простых веществ, сплавов обусловлена следующими причинами:

Переход металла в хрупкое состояние происходит при разных температурах.

Скорость нагрузки. Чем быстрее возрастает нагрузка на материал, тем быстрее он разрушится. Резкие удары способны погубить даже пластичные структуры (малоуглеродистую сталь).

Сплавы становятся хрупкими из-за примесей:

Самый «вредный» химический элемент – углерод. Он делает сплавы железа (чугун, сталь) хрупче в разы.
Сталь с фосфором обретает хладноломкость.
При малейшем «загрязнении» пластичный хром становится неподатливым к обработке.

«Стеклянными» сплавы делают фосфор, сера, мышьяк, сурьма, вольфрам.

Этот изъян не устранили даже создатели материалов поколения 2.0. Например, «супервещества» алюминид титана. Этот титаново-алюминиевый серебристый конгломерат термо-, коррозиестоек, но перед кувалдой бессилен.

Список

К металлам с изначальной хрупкостью относятся природные и технологичные материалы.

Щелочноземельные – бериллий.
Легкоплавкие – олово, висмут.
Тяжелые элементы – цинк, марганец, хром, сурьма, кобальт.

В списке присутствуют уникумы:

Вольфрам. Самый прочный на растяжение среди металлов. . Твердый хрупкий платиноид голубовато-серебристого цвета, второй по плотности среди простых веществ, тугоплавкий. . Мягкий хрупкий белый металл.

Самый хрупкий металл – сурьма. Ее легко сделать порошком вручную.

Материалы, полученные в результате технологических процессов: бронза, белый чугун, сталь с высоким содержанием углерода.

Особенности обработки

Материалы, наделенные хрупкостью, разрушаются при попытке их удлинить даже на пару процентов.

Поэтому их обработка специфична:

Перед работой материал подогревают, чтобы нейтрализовать хладноломкость.
Исключено воздействие давлением. Например, чугун (нагретый либо холодный) после такой операции сохранит форму, но внутренне разрушится.
Болванки из хрупких сплавов (чугунные, бронзовые) рубят от края к центру.

Неоднозначно воздействие закалки. В отличие от подогрева, при такой обработке кратно увеличивается прочность стали, других материалов, но в ущерб пластичности. То есть порог хрупкости понижается.

Хрупкие металлы легче разрушить растяжением, чем сжатием.

Где используются

Малопластичные вещества используют там, где исключено резкое механическое воздействие:

Производство катализаторов.
Электроника.
Лаки, краски.
Аптечные препараты.
Косметические средства.

Алюминид титана задействуют в космических технологиях и медицине.

Твердость и хрупкость: две стороны ножевой стали

Между твердостью стали и ее хрупкостью есть прямая взаимосвязь. Чтобы разобраться, сначала следует уяснить для себя верную терминологию.

Мы говорим о твердости, когда сталь невозможно чем-либо поцарапать (разве только алмазом, с помощью которого мы и точим стальные ножи). Но этого качества недостаточно, если у ножа нет прочности – сталь с экстремально высоким показателем твердости может разбиться от легкого удара. Это и есть хрупкость.

Почему сталь становится хрупкой

Хрупкость возникает, во-первых, когда сталь перекалена: хотя она и приобретает высокую твердость, но при этом становится уязвима и может треснуть от удара.

Некоторые легирующие элементы, такие как хром или ванадий, опять-таки повышают твердость стали и снижают ее прочность.

Сама по себе любая сталь является сплавом железа с углеродом и некоторым количеством легирующих элементов, призванных улучшать свойства сплава. Если в железе преобладает углерод, мы называем сталь углеродистой; если в значительном количестве присутствуют легирующие присадки, мы называем ее легированной. А как же «нержавейка». А нержавейка, которую обычно противопоставляют углеродистой стали, это и есть одна из разновидностей легированных большим количеством хрома сталей. Например, если в сплаве более 13 % такого легирующего элемента, как хром, она и будет называться коррозионностойкой.

Стали, применяемые для изготовления режущих инструментов, должны обладать высокой износостойкостью, прочностью и достаточной вязкостью. Поэтому для изготовления ножевой инструментальной легированной стали часто, кроме хрома, вводят дорогие легирующие элементы (марганец, ванадий, молибден).

Как упрочнить сталь

Химические способы

Добавление в состав стали легирующих элементов способно упрочнить сталь. Например, многие японские стали содержат до 8 % молибдена, и это существенно повышает не только их прочность, но и вязкость, что делает сплавы с ним очень ценными.

Еще один способ повысить прочность и износостойкость стали – это добавление в сплав марганца: он делает структуру более мелкозернистой и прочной. Кроме этого, такой сплав лучше поддается заточке – чем более мелкие зерна у его структуры, тем более тонкую режущую кромку можно будет вывести и даже довести ее до бритвенной остроты.

Механический способ

Теперь, когда мы определились с составом сплава, мы можем перейти и к самому важному способу увеличения прочности стали – ее отпуску. Сделаем небольшое пояснение по этапам работы со сталью, чтобы была ясна разница между закалкой и отпуском.

Отпуск после закалки стали

После отжига и механической обработки заготовки сталь закаляется – подвергается нагреву до определенной температуры. Обычно называется цифра в 800 градусов, хотя для разных марок она, конечно, будет разной. При отсутствии оборудования оптимальная температура определяется по цвету, до которого раскаляется сталь при закалке: подходящим считается вишневый или алый цвет, иногда – желтый. Оттенки, близкие к белому, говорят о том, что температура перевалила за допустимую отметку и достигла как минимум 1 300 градусов. Если мы с определенной скоростью охладим нагретый под закалку сплав, то с ним можно работать – отпускать и повышать его прочность, а вот сплав, который перекалился, иногда нельзя спасти даже отпуском.

Заготовки из стали охлаждаются с заданной скоростью в различных охлаждающих средах: в растворе соли или масле. В чистой воде сталь охлаждать нельзя: скорость охлаждения будет слишком высока и на заготовке могут появиться трещины; соль, напротив, снижает скорость охлаждения, что добавляет клинку вязкости.

Теперь у нас есть очень твердая сталь, которую получится поцарапать только алмазом, а вот разбить мы ее сможем легко – у нее пока нет нужной прочности. Значит, нужно провести отпуск. Это практически та же закалка, только многократная и, что важно, имеющая куда более низкие температуры. Для изготовления ножей подходит низкотемпературный отпуск – до 250 градусов.

Охлаждается нож между подходами отпуска точно так же, как после закалки – в солевом растворе или масле.

Разрушение металлов

Разрушение металлов часто происходит вследствие появления и развития трещин (из-за механического воздействия). Это может быть как несколько трещин, расположенных рядом, так и одна магистральная, возникшая при слиянии более мелких. Способность сопротивляться такому процессу зависит от прочности и надежности материала и определяет его долговечность.

Вследствие воздействий внешней среды также может происходить химическое или электрохимическое разрушение металла – коррозия. Обработка поверхностей для защиты проводится в зависимости от агрессивных факторов. Подробнее о видах и причинах разрушения металлов читайте в нашем материале.

Виды разрушения металлов

Специалисты выделяют вязкое и хрупкое разрушение металлов, но эти виды объединяет общий механизм зарождения трещин. В большинстве случаев микротрещины образуются на фоне скопления движущихся дислокаций перед препятствием – перед границами блоков и зерен, перед слиянием дислокаций, пр.

Значительная плотность дислокаций приводит к их слиянию с одновременным формированием микротрещины. Трещина появляется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, при плотности дислокаций Ю10–1013 см-2. Существуют и безбарьерные механизмы образования трещин, например, на фоне взаимодействия дислокаций в кристаллической решетке.

При хрупком разрушении металла отрыв происходит, когда нормальные растягивающие напряжения достигают предельного значения сопротивления отрыву. Перед разрушением материал оказывается подвержен упругой, а в некоторых случаях и небольшой пластической деформации.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Хрупкое разрушение характеризуется сопротивлением отрыву и сопровождается кристаллическим изломом, который в большинстве случаев проходит по границам зерен. Тогда плоскость разрушения является перпендикулярной нормальным растягивающим напряжениям, а поверхность излома имеет «ручьистое» строение.

Хрупкая трещина распространяется с большой скоростью, приближенной к скорости звука, по этой причине данный тип разрушения металла известен как внезапный, катастрофический.

На практике чаще встречается не абсолютно хрупкое, а микропластическое разрушение. Дело в том, что когда материал находится в упругодеформированном состоянии, концентрация напряжений у вершины трещины вызывает пластическую микродеформацию.

Вязкое или пластическое разрушение металла можно описать как срез под действием касательных напряжений. Оно предполагает медленное распространение трещины при большой работе. Перед разрушением наблюдается большая пластическая деформация металла с поглощением энергии внешнего нагружения – данный эффект достигается благодаря вязкости материала.

В результате образуется волокнистый излом, особенности которого объясняются пластическим деформированием металла. Плоскость излома находится под углом, а его микростроение принято характеризовать как «чашечное».

С точки зрения микроструктуры разрушение металла делят на транскристаллитное и интеркристаллитное. В первом случае трещина распространяется по телу зерна, тогда как во втором проходит через его тело.

Факторы, влияющие на пластичное и хрупкое состояние металлов

Вязкостью называют способность материала поглощать механическую энергию внешних сил при помощи пластической деформации. С точки зрения физики, вязкость представляет собой энергетическую характеристику и выражается в единицах работы, например в Джоулях.

На показатель вязкости влияет химический состав металлов и сплавов, примененная термическая обработка и ряд прочих внутренних факторов. Не менее важную роль играют условия, в которых металл находится, а именно учитывают температуру, скорость нагружения, наличие концентраторов напряжения, вид напряженного состояния, размеры изделия. В зависимости от этих показателей, материал может быть вязким или хрупким.

Остановимся на каждом факторе более подробно:

Температурное воздействие

Изменение температуры сильно влияет на предел текучести ат, но почти не оказывает воздействия на сопротивление отрыву или SOT. При температуре Тв, то есть указывающей на верхний порог хрупкости, или ломкости, от < SQT, нагружение вызовет пластическое деформирование и последующее разрушение металла.

В этом случае материал оказывается в вязком состоянии. Тогда как при температурах Тн, то есть нижнего порога хрупкости, или хладноломкости, SOT < ат, разрушение не сопровождается пластической деформацией. Значит, можно говорить о том, что металл пребывает в хрупком состоянии.

Стоит пояснить, что под хладноломкостью понимают склонность металла к переходу в хрупкое состояние на фоне снижения температуры. В число хладноломких входят железо, вольфрам, цинк и другие металлы, характеризующиеся объемно-центрированной кубической (ОЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) кристаллической решеткой. Металлы и сплавы с гранецентрированной кубической или ГЦК-решеткой не относятся к хладноломким, поэтому могут применяться в криогенной технике.

Скорость деформации

При переходе от статического нагружения к динамическому возрастает предел текучести, а сопротивление отрыву почти не зависит от скорости деформации. Увеличение скорости деформации приводит к тому, что хрупкость металла проявляется при более высокой температуре. Если металл при статическом нагружении остается вязким, то динамическое нагружение способно спровоцировать его переход в хрупкое состояние.

Наличие концентраторов напряжения

Под концентраторами напряжений понимают надрезы, отверстия, выточки, канавки, включения – они оказывают значительной воздействие на материал, приводя к повышению его хрупкости. Чаще всего очагами хрупкого разрушения металлов становятся трещины. Для надреза характерна концентрация напряжений у его вершины. Чем больше глубина надреза и чем он острее, тем большее влияние металл испытывает под действием коэффициента концентрации напряжений.

Пластичным материалам свойственна местная пластическая деформация около вершины надреза при Оmax > SQr. Сам металл упрочняется, уменьшается острота надреза, снижается концентрация напряжения, благодаря чему достигается надежная работа изделия. Если материал не склонен к местной пластической деформации, у вершины надреза формируется трещина, а ее развитие вызывает хрупкое разрушение.

Напряженное состояние

Важной характеристикой различных способов нагружения является коэффициент мягкости =max⁡ /Smax, где max⁡ – наибольшие касательные напряжения; Smax – наибольшие растягивающие напряжения. Для осевого сжатия ос = 2; для кручения – 0,8; для осевого растяжения – 0,5. Сжатие металла сопровождается вязким разрушением путем среза, перед которым наблюдается пластическая деформация. Тогда как растяжение того же материала вызывает хрупкое разрушение путем отрыва.

Масштабный фактор

Речь идет о влиянии размеров изделия на разрушение металлов и сплавов. Дело в том, что при увеличении массы повышается вероятность присутствия дефектов в объеме материала, которые могут запустить процесс разрушения.

Усталостное разрушение металлов

Усталость – это разрушение металлов на фоне повторных нагрузок либо связанных с изменением знака напряжений. Она наблюдается у пружин автоматики, деталей кулачковых и любых иных механизмов, постоянно претерпевающих нагружение и последующеее разгружение, растяжение и сжатие или многократно повторяющиеся ударные и плавно возрастающие нагрузки.

Например, материал валов, которые передают крутящий момент, подвержен изгибу с вращением. Из-за этого наблюдается многократное изменение знака напряжения, то есть растяжение сменяется сжатием.

От других видов усталостное разрушение металлов отличается внезапным характером, оно не сопровождается видимыми внешними признаками предварительной пластической деформации. Обычно в усталостном изломе присутствуют две характерные зоны: с гладкой и неровной поверхностью. Первая формируется при постепенном развитии трещины, а другая представляет собой область, в которой произошел излом оставшейся части сечения.

Усталостное разрушение свойственно деталям, функционирующим при напряжении, не достигающем напряжения предела текучести металла. Формирование подобных трещин объясняется строением материала, то есть присутствием различно ориентированных зерен, блоков, включений неметаллической природы, микропор, дислокаций и твердых дефектов решетки.

Под усталостью понимают постепенное накопление повреждений из-за повторно-переменных напряжений, что в итоге вызывает растрескивание и механическое разрушение металла изделия.

Помимо усталости, существует и противоположное свойство – выносливость, то есть способность материала сопротивляться усталости.

Теоретический предел выносливости представляет собой наибольшее напряжение цикла, с которым металл справляется без последующих разрушений при бесконечно большом количестве циклов нагружения.

Предел выносливости определяют, исходя из заданного числа циклов нагружения N. Например, у стали этот показатель составляет 107, у цветных металлов N = 108. В большинстве случаев для выяснения предела выносливости проводят испытание образца на изгиб с вращением со знакопеременным симметричным циклом напряжений.

Данная характеристика во многом связана с качеством обработки поверхности металла. Так, при зачистке грубым напильником предел выносливости сокращается на 20 % по сравнению с аналогичным показателем полированного металла. А наличие коррозии приводит к его многократному снижению.

Химическая коррозия металлов

Такое разрушение металлов происходит в среде, неспособной передавать электрический ток. Например, данный процесс запускается при нагреве, что приводит к образованию сульфидов (химических соединений) и различных видов пленок. Сплошные пленки могут быть непроницаемыми.

В итоге коррозия и разрушение поверхности металла останавливается, так как материал оказывается законсервированным. Подобным слоем защищена поверхность алюминия, хрома, никеля, свинца. На стали и чугуне пленка непрочная и не может препятствовать разрушению более глубоких слоев изделия.

Выделяют два типа химической коррозии:

Газовая появляется на поверхности металла под действием агрессивной среды газа, пара при повышенной температуре. Особенность таких условий состоит в том, что в горячей среде на поверхности нет конденсата. Химическая коррозия может быть спровоцирована кислородом, диоксидом серы, водяным паром, сероводородом, пр. В результате наблюдается абсолютное разрушение активного металла, кроме ситуаций, когда он находится под защитой плотной пленки.

Для запуска жидкостной коррозии необходимы жидкостные среды, неспособные передавать электричество. Чаще всего такой эффект достигается при контакте металла с сырой нефтью, нефтепродуктами, смазочными материалами. Если в указанных веществах присутствует вода в небольших объемах, коррозия становится электрохимической.

При любом виде химической коррозии скорость разрушения металла зависит от химической реакции, при которой окислитель проникает сквозь поверхностную оксидную пленку.

Электрохимическая коррозия металлов

Для электрохимической коррозии необходима среда, передающая электрический ток. Подобный процесс приводит к изменению состава металла, ведь атомы покидают кристаллическую решетку на фоне анодного или катодного влияния. В первом случае ионы металла переходят в окружающую жидкость. Во втором – получаемые при анодном процессе электроны связываются с окислителем.

Чаще всего встречается электрохимическая коррозия под действием водорода или кислорода, что важно учитывать при защите металлов от разрушений. Дело в том, что металлические изделия обычно испытывают на себе влияние влажной среды во время хранения и использования.

Электрохимическая коррозия может быть нескольких видов:

Электролитная. Обязательным условием для нее является контакт металла с растворами солей, кислотами, основаниями, обычной водой.
Атмосферная. Протекает под действием влажной атмосферы и является наиболее распространенной, так как ей подвержено подавляющее большинство предметов из металла.
Почвенная. Является результатом контакта металлического изделия с влажной почвой, в которой нередко присутствуют различные химические элементы, обеспечивающие более активное разрушение металла. Кислые почвы способствуют повышенной скорости протекания коррозии, а песчаные оказывают самое медленное влияние.
Аэрационная. Относится к самым редким видам коррозии – ее основным признаком является неравномерный доступ воздуха к разным поверхностям металла. Неоднородное воздействие приводит к разрушению линий переходов между разными участками.
Морская коррозия металлов. Это еще один из видов разрушения металлов под действием окружающей среды – процесс происходит из-за контакта с морской водой. Его выделяют как отдельный тип, так как речь идет о жидкости с большой долей солей и растворенных органических веществ в составе. Данные характеристики обеспечивают морской воде повышенную агрессивность.
Биокоррозия. Металл может разрушаться и под действием бактерий, ведь в процессе своей жизнедеятельности подобные живые существа вырабатывают углекислый газ и другие вещества.
Электрокоррозия. В данном случае разрушение металла объясняется воздействием на него блуждающих токов. Обычно подобные процессы протекают в подземных сооружениях, например, им подвержены рельсы метрополитена, стержни заземления, трамвайные линии, пр.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Механические свойства стали

Механические свойства стали во многом определяют то, в каких сферах она применяется. Именно поэтому мы можем отнести их к наиболее важным. Такие качества, как высокая прочность и способность значительно изменять форму, дают возможность применять металл практически везде: от изготовления хирургических инструментов до космической отрасли.

Для определения данных параметров применяются различные методы. Кроме того, они учитывают механические свойства не только сталей, но и их сплавов, благодаря чему данные металлы можно с уверенностью назвать универсальными и удобными в работе. О том, какие параметры данных материалов позволяют применять их в самых разнообразных сферах, поговорим далее.

Состав стали

Основными компонентами стали являются железо и углерод, на долю последнего приходится до 2,14 %. Все существующие на данный момент подобные сплавы классифицируют, исходя из их химического состава.

В производстве используются два вида стали:

Углеродистая, в состав которой, помимо основных составляющих, входят фосфор, сера, марганец, кремний. Сырье может относиться к высоко-, средне- и низколегированным маркам в соответствии с долей углерода в материале. Такой металл подходит для любых нужд, в том числе для изготовления инструмента, эксплуатируемого в условиях высоких нагрузок под постоянным напряжением.
Легированная содержит в себе железо, углерод в сочетании с легирующими элементами (такими как кремний, бор, азот, хром, цирконий, ниобий, вольфрам, титан). От состава легированной стали зависят ее механические и иные свойства, цена, качество продукции, сферы возможного применения. Сегодня можно найти жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. По структуре специалисты выделяют сырье доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Определить химические и механические свойства стали, а также область ее использования позволяет марка.

В процессе производства в сталь вносят примеси. На основании их доли в составе сплава выделяются два типа продукции:

Обыкновенного качества, что предполагает наличие до 0,6 % углерода и соответствие металла ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Для маркировки подобной продукции используются буквы «Ст» – данное сокращение говорит о том, что сталь имеет стандартное качество. Такое сырье входит в число наиболее доступных по цене.
Качественная сталь, то есть легированная и углеродистая, которая производится по ГОСТ 1577. Маркировка обязательно содержит в себе особенности состава, количество углерода в сотых долях. Данный материал более дорогой, чем аналог обыкновенного качества, его ценят за высокую пластичность, способность противостоять механическому воздействию. Кроме того, подобный металл можно без труда варить.

Физические, химические и технологические свойства стали

Физические свойства:

Плотность, которая определяется как масса металла на единицу объема. Высокий данный показатель стальных изделий, в том числе арматуры а500с, позволяет активно использовать их для строительных нужд.
Теплопроводность, то есть способность стали обеспечивать распространение теплоты от более нагретых частей к менее нагретым.
Электропроводность – способность материала пропускать электрический ток.

Химические свойства:

Окисляемость, что предполагает возможность соединения металла кислородом. Данное свойство усиливается при нагревании стали. На сплавах, имеющих малую долю углерода, в процессе окисления под действием воды, влажного воздуха формируется ржавчина, то есть оксиды железа.
Стойкость к коррозии – способность металла не вступать в химические реакции, не окисляться.
Жаростойкость представляет собой отсутствие окислительных процессов на сплаве под воздействием высокой температуры, а также способность не образовывать окалину.
Жаропрочность – сохранение сталью прочности в условиях высокой температуры.

Технологические свойства:

Ковкость, то есть способность материала принимать заданную форму под действием внешних сил.
Обрабатываемость резанием – важное свойство стали, которое упрощает производство металлопроката, так как данный металл хорошо поддается обработке режущим инструментом.
Жидкотекучесть – способность расплава проникать в узкие зазоры, заполнять пространство.
Свариваемость – позволяет осуществлять эффективные сварочные работы, формируя надежное неразъемное соединение, лишенное дефектов.

Механические свойства стали по ГОСТу

Прочность

От данной характеристики зависит, сможет ли металл не разрушиться под действием больших внешних нагрузок. Это механическое свойство стали измеряется количественно при помощи предела текучести и прочности:

Пределом прочности называют максимальное механическое напряжение, при превышении которого происходит разрушение сплава.
Предел текучести, то есть степень механического напряжения. Превышение данного показателя вызывает дальнейшее растяжение металла без дополнительной нагрузки.

Так, при небольших деформациях металлический стержень сохраняет упругость, возвращаясь к исходной длине после снятия приложенного напряжения. Если же напряжение оказывается выше предела текучести, наблюдается пластическая деформация изделия. Иными словами – происходит необратимое удлинение стержня, после которого он не способен вернуться к исходной длине.

Растяжение стержня до разрыва позволяет установить максимальное напряжение, то есть предел прочности материала на разрыв.

Пластичность

Данное механическое свойство стали позволяет ей под действием внешней нагрузки менять форму и потом сохранять ее. Для количественной оценки этого показателя измеряют удлинение при растяжении и угол изгиба. Если во время простого испытания на изгиб металл разрушается при большом пластическом прогибе, его признают пластичным. В противном случае речь идет о хрупком сплаве.

Хорошая пластичность проявляется при испытании растяжением в виде значительного удлинения заготовки либо ее сжатия. Под удлинением понимают увеличения длины в процентном выражении после разрушения до первоначальной длины. А сужение в процентах – это сокращение площади изделия в сравнении с исходным объемом.

Вязкость

Еще одно важное механическое свойство стали, которое подразумевает способность материала справляться с динамическими нагрузками. Его оценивают количественно как отношение работы, необходимой для разрушения образца, к площади его поперечного сечения. Чаще всего понятием «вязкость» обозначают уровень, при котором происходит нехрупкое разрушение металла.

Характер разрушения может быть хрупким или пластичным – разница между этими явлениями наиболее ярко прослеживается на примере ферритных стальных сплавов. Ферритные стали и все металлы, обладающие объемно-центрированной кубической атомной решеткой, имеют общую особенность: при низких температурах им свойственен хрупкий характер разрушения, а при высоких – пластичный. Температуру перехода из одного состояния в другое специалисты обозначают как температуру вязко-хрупкого перехода.

Маркировка сталей

В машиностроении высоко ценятся механические свойства конструкционной, то есть углеродистой и легированной стали, а также высоколегированных нержавеющих сталей. При обозначении марок конструкционной легированной стали (ГОСТ 4543) первые две цифры свидетельствуют о среднем содержании углерода, которое указывается в сотых долях процента.

Буквы в маркировке имеют такую расшифровку:

Р – бор;
Ю – алюминий;
С – кремний;
Т – титан;
Ф – ванадий;
Х – хром;
Г – марганец;
Н – никель;
М – молибден;
В – вольфрам.

После буквы идут цифры, которые обозначают примерное содержание легирующего элемента в целых единицах процента. Если цифр нет, то доля конкретного вещества в металле не превышает 1,5 %. Буква «А» в конце маркировки является признаком высококачественной стали. Показателем особенно высококачественной стали является буква «Ш» через три тире.

Механические свойства нержавеющих высоколегированных сталей (ГОСТ 5632) зависят от перечисленных далее компонентов. При маркировке они обозначаются таким образом:

А – азот;
В – вольфрам;
Д – медь;
М – молибден;
Р – бор;
Т – титан;
Ю – алюминий;
Х – хром;
Б – ниобий;
Г – марганец;
Е – селен;
Н – никель;
С – кремний;
Ф – ванадий;
К – кобальт;
Ц – цирконий.

После букв идут цифры, отражающие долю легирующего элемента в составе сплава в процентах.

Для фиксации основных механических свойств сталей применяют следующие обозначения:

E – модуль упругости. Представляет собой коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и относительным удлинением.
G – модуль сдвига, также известный как модуль касательной упругости. Это коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и относительным сдвигом.
μ – коэффициент Пуассона. Является абсолютным значением отношения поперечной к продольной деформации в упругой области.
σт – условный предел текучести, то есть напряжение, при котором после снятия нагрузки остаточная деформация находится на уровне 0,2 %.
σв – временное сопротивление, известное как предел прочности. Представляет собой такое механическое свойство металла, в том числе углеродистой стали, как прочность на разрыв.
δ – относительное удлинение. Это отношение абсолютного остаточного удлинения образца после разрыва к начальной расчетной длине.
HB, HRC, HV – твердость.

Таблица механических свойств сталей разных марок

Далее представлены механические свойства стали после термической обработки.

E = 200. 210 ГПа, G = 77. 81 ГПа, коэффициент Пуассона μ = 0,28. 0,31.

Наименование

Параметры термической обработки

Предел прочности σв, МПа

Предел текучести σт, МПа

Калибровка после отжига и отпуска

После отжига и отпуска

Пруток, закалка +860 °C, отпуск +500 °C в воде, масле

Пруток, закалка и отпуск

Пруток, закалка +1020…+1 100 °C на воздухе, в масле, воде

Влияние углерода на механические свойства стали

Механические свойства углеродистой стали определяются в первую очередь количеством углерода в составе сплава. При увеличении его доли возрастает объем цементита, сокращается величина феррита. Иными словами, повышаются прочность и твердость, снижается пластичность.

Стоит оговориться, что прочность становится выше при доле углерода в пределах 1 %, а при переходе этой отметки показатель уменьшается. Данная особенность объясняется тем, что по границам зерен в заэвтектоидных сталях образуется сетка вторичного цементита, которая негативно отражается на прочности материала.

Рост доли углерода приводит к увеличению количества цементита, а он является очень твердой и хрупкой фазой. Превосходит феррит по твердости примерно в 10 раз, имея показатель 800HB против 80HB. Вот почему увеличение содержания углерода позволяет повысить такие механические свойства стали, как прочность и твердость, и снизить пластичность, вязкость.

Когда количество углерода доходит до 0,8 %, возрастает доля перлита в сплаве от 0 % до 100 %, вызывая повышение твердости, прочности. Однако не стоит забывать, что последующий рост количества углерода вызывает образование вторичного цементита по границам перлитных зерен. Это явление мало влияет на твердость, но негативно сказывается на прочности, так как цементитная сетка очень хрупкая.

Повышение доли углерода отражается не только на механических, но и на физических свойствах стали. Снижается плотность, теплопроводность, магнитная проницаемость, тогда как удельное электросопротивление, коэрцитивная сила увеличиваются.

С ростом количества углерода происходит повышение порога хладноломкости, а именно: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Поэтому сталь с долей углерода в 0,4 % при нулевой температуре становится хрупкой, из-за чего считается недостаточно надежной.

В железоуглеродистом сплаве содержится преимущественно связанный углерод в форме цементита. Тогда как в чугунах он присутствует в свободном состоянии в виде графита. Увеличение доли данного компонента приводит к изменению свойств металла: возрастает твердость, прочность, снижается пластичность.

Количество углерода влияет как на механические, так и на технологические свойства стали. Чем выше содержание данного вещества, тем тяжелее металл режется, сваривается и деформируется. Последняя характеристика наиболее ярко проявляется в холодном состоянии.

От механических и химических свойств стали зависит сфера применения материала – ее можно узнать по маркировке. Металл, обладающий высокой жаропрочностью, подходит для использования при постоянных высоких температурах. Это же правило распространяется на марки стали с хорошей свариваемостью и стойкостью к образованию ржавчины.

Читайте также: