Структура стали и ее свойства.

Общие сведения. Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется, ее механическими свойствами: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также. свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность. Прочность - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность – свойство материала сохранять деформативное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения. Хрупкость – склонность разрушаться при малых деформациях. Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала. Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением σ и относительным удлинением ε.К определению механических характеристик металла:а – образец для испытания на растяжение; б – к определению пропорциональности и предела упругости. Значения этих показателей устанавливаются ГОСТ. Кроме того, качество стали определяется её свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства. По прочности стали делятся на три группы: малоуглеродистые стали обычной прочности, имеющие браковочное значение предела текучести σт=23 кН/см* и временное сопротивление σв=38 кН/см2;стали повышенной прочности - σт =29 ... 40 кН/см: и σв= 44...52 кН/см2;стали высокой прочности (низколегированные и термически упрочненные)— σт=45...75 кН/см* и более и σв=60...85 кН/см1 и более.В новом СНиП II-В.3-72 по показателям временного сопротивления и предела текучести стали разделены на семь классов. Каждому классу стали присвоен индекс С, в числителе указывается наименьшее значение временного сопротивления, а в знаменателе — предела текучести в кН/см2 (например. С 38/23).Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химического состава, термической обработки и технологии прокаткиОснову стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода — малоуглеродистые стали обычной прочности; легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и другими элементами — низколегированные стали повышенной прочности; легированием и термическим упрочнением стали высокой прочности.Структура малоуглеродистой стали, определяющая её механические свойства, зависит от температуры. Температура плавления чистого железа равна 1535º С При охлаждения ниже 1535º -С в процессе кристаллизации образуется так называемое δ-железо, имеющее кристаллическую решетку объемно-центрированного куба [ОЦК решетка]. При температуре 1400 º С, когда железо находится уже в твердом состоянии, в процессе охлаждения происходит новое превращение и из δ-железа образуется γ-железо, обладающее гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК- решетка). При температуре 910º С кристаллы с гране центрированной кубической решеткой (γ-Fe) вновь при охлаждении превращаются в объемно-центрированные, и это состояние сохраняется вплоть до комнатной и отрицательных температур. Последняя модификация железа называется α-железом.Феррит весьма пластичен и малопрочен, цементит очень тверд и хрупок. Перлит обладает свойствами, промежуточными между свойствами феррита и цементита.Зерна феррита и перлита в зависимости от числа очагов кристаллизации получаются различной величины. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства стали (чем мельче зерна, тем выше качество стали).Структура низколегированных сталей аналогична структуре малоуглеродистой стали. Низколегированные стали тоже содержат мало углерода, повышение их прочности достигается легированием — добавками, которые, как правило, находятся в твердом растворе с ферритом и этим его упрочняют; некоторые из них образуют карбиды, также упрочняющие ферритовую основу и прослойки между зернами.Основные химические элементы, применяемые при легировании малоуглеродистой стали, стали повышенной и высокой прочности.Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и углерода с некоторой добавкой кремния или алюминия, марганца, меди.Углерод (У), повышая прочность стали, снижает пластичность и ухудшает ее свариваемость; поэтому в строительных сталях, которые должны быть достаточно пластичными и хорошо свариваемыми, углерод допускается в количестве не более 0,22%.Кремний (С), находясь в твердом растворе с ферритом, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как хороший раскислитель; в этом случае кремний в малоуглеродистых сталях добавляется в пределах до 0.3%, в низколегированных сталях — до 1%.Алюминий (Ю) входит в сталь в виде твердого раствора феррита и в виде различных нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.Марганец (Г) растворяется как в феррите, так и в цементите; образует тугоплавкие карбиды, что приводит к повышению прочности и вязкости стали. Марганец служит хорошим раскислителем, а соединяясь с серой, снижает вредное ее влияние. В малоуглеродистых сталях марганца содержится до 0.64%, а в легированных — до 1,5%; при содержании марганца более 1,5% сталь становится хрупкой.Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное ее содержание (более 0.7%) способствует старению стали.Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, уступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Mn). хром (X). ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля, меди, кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твердых растворов (феррита).Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали: никель повышает прочность стали и пластические ее свойства.Молибден (М) и бор (Р) обеспечивают высокую устойчивость аустенита при охлаждении и тем самым облегчают получение закалочных структур (так называемых бейнита и мартенсита), что очень важно для получения высокопрочного проката больших толщин. После закалки и высокого отпуска (улучшения) сталь становится мелкозернистой, насыщенной карбидами; такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает её хрупкой, особенно при низких температурах. Поэтому его не должно быть более 0,008%. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном или ниобием азот, образуя нитриды, становится легирующим элементом, способствующим измельчению структуры и улучшению механических свойств; однако ударная вязкость стали при низких температурах получается низкой. Увеличение сопротивления стали хрупкому разрушению обеспечивается простейшей термической обработкой — нормализацией.Вредные примеси. К ним в первую очередь относятся: фосфор, который, образуя раствор с ферритом, повышает хрупкость стали особенно при пониженных температурах (хладноломкость) и снижает пластичность при повышенных; сера, делающая сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800—1000º С) вследствие образовании легкоплавкого сернистого железа. Поэтому содержание серы и фосфора в стали ограничивается; так, в углеродистой стали СтЗ серы до 0.05% и фосфора до 0.04%.Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0.0007%), но, концентрируясь около включений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам блоков, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению сопротивления стали, хрупкому разрушению, временного сопротивления и пластических свойств стали. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.Термическая обработка. Значительного повышения прочности, деформационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой благодари тому, что под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключается в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последующего охлаждения на воздухе. После нормализация структура стали получается более упорядоченной, снимаются внутренние напряжения, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости. Поэтому нормализация, являясь простейшим видом термического улучшения стали, применяется довольно часто.При быстром остывании стали, нагретой до температуры, превосходящей температуру фазового превращения, получается закалка. Для закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз. Из переохлажденного аустенита, имеющего углерод в твердом растворе, образуется или бейнит, или мартенсит. Углерода при быстром охлаждении выделяется очень немного, и успевает появиться только первая часть фазового превращения—замена решетки аустенита решеткой феррита; в результате получается структура феррита, перенасыщенная углеродом, называемая мартенситом. Такая структура оказывается неустойчивой, причем углерод стремится выделяться. Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность. Однако пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры производится ее отпуск, т. е. нагрев до температуры, при которой происходят желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течение необходимого времени и затем медленное остывание. По мере нагрева стали при достаточно высоких температурах отпуска (600-800ºС) образуется благоприятная структура, представляющая собой мелкозернистую ферритную основу, в которой распределены мелкие карбиды. Такая структура называется сорбитом отпуска. Она обладает оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик, высокой стойкостью против хрупкого разрушения и минимальным разупрочнением при сварке. Производить отпуск при температурах, превышающих 723°С, нет смысла, так как при этом наступает полная или частичная перекристаллизация стали и эффект термической обработки снимается.Малоуглеродистая и низколегированная стали повышенной и высокой прочности подвергаются термическому упрочнению.Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается в феррите. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решётки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и уменьшению пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Наряду с углеродом выделяются азот и карбиды других элементов, которые производят аналогичное действие. Эта перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходят в течение достаточно длительного времени, поэтому такое явление называется старением.Старению способствуют: а) механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение); б) температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов и потому к их выделению (физико-химическое старение, дисперсионное твердение). Невысоким нагревом (до 150-200º) можно резко усилить процесс старения.При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.