Сталь – сплав железа с углеродом (углерода до 2%), содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки.

t°_плавл. чистого железа 1535°С. (получают только в лабораторных условиях)

t°_плавл стали (Fe + 0,2%C) = 1520°С

При понижении температуры (твердении) свойства стали меняются.

В твердом состоянии сталь является поликристаллическим телом, состоящим из различно ориентированных кристаллов (зерен). Железо в виде зерен феррита обеспечивает высокую пластичность. Углерод в виде соединения с железом Fe₃С, образующего цементитовую решетку, обеспечивает высокую прочность. Помимо феррита и цементита, имеется еще одна структурная составляющая ─ перлит, то есть раствор частей цементита в феррите. Перлит по своим свойствам занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом, т. е. он достаточно прочен, упруг и менее склонен к хрупкому разрушению. Перлитный жесткий скелет, обволакивающий мягкие зерна железа, играет роль армирующей сетки, придающей стали необходимую прочность. В этом прослеживается главная роль углерода как легирующей добавки в химическом составе стали.

Другие легирующие элементы также образуют карбиды в составе перлитного скелета и упрочняют его. Кроме того, их атомы, входя в твердый раствор железа, укрепляют ферритные зерна.

Механические характеристики стали существенно зависят от величины зерна. Сталь с крупнозернистой структурой более пластична, но менее прочна, чем мелкозернистая.

Классификация сталей.

1.По прочностным свойствам

· Обычной прочности (σ_y < 29 кН/см²)

· Повышенной прочности (σ_y  = 29-40 кН/см²)

· Высокой прочности (σ_y ≥ 40 кН/см²)

Повышение прочности достигается легированием и термической обработкой.

2.По химическому составу.

2.1.Углеродистые (с некоторой добавкой кремния или алюминия и марганца, прочие добавки специально не вводятся)

§ Малоуглеродистые, содержание углерода 0,09-0,22%. Применяются в строительстве.

§ Среднеуглеродистые, содержание углерода 0,22-0,6%. Применяются в машиностроении.

§ Высокоуглеродистые, содержание углерода 0,6-2%. Инстументальные.

2.2.Легированные, в которых кроме железа и углерода входят специальные добавки, улучшающие качество. (см. табл.)

В строительстве применяют низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5%, так как они снижают свариваемость.

3. В зависимости от вида поставки

· Горячекатаные

· Термически обработанные (нормализованные или термически улучшенные)

4.В зависимости от способа производства

· В мартеновских печах

· В конвертерах с продувкой кислородом (дешевле, свойства те же.)

· В электропечах путем электрошлакового переплава (ЭШП), отличаются высоким качеством, низким содержанием вредных примесей)

5.По степени раскисления (для малоуглеродистых)

· Кипящие кп (не раскисленные)

· Полуспокойные пс, раскисляются кремнием Si 0,05-0,15%

· Спокойные сп, раскисляются алюминием Al (до 0.1%) или кремнием Si (0.12-0.3%)

а) Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения газов и называются кипящими (кп), они менее однородны, загрязнены газами. При разливке в изложницы головная часть слитка получается наиболее рыхлой вследствие усадки и насыщения газами, поэтому ~ 5% головной части обрезают. Кипящие стали плохо сопротивляются хрупкому разрушению.

б) Чтобы повысить качество стали, её раскисляют добавками кремния (0,12-0,3%) или алюминия (до 0,1%), при этом образуются силикаты или алюминаты, увеличивающие число очагов кристаллизации и, следовательно, способствующие образованию мелкозернистой структуры. Раскисленные стали не кипят, их называют спокойными (сп). От головной части слитка отрезают ~ 15%. Они однородны, лучше свариваются, лучше сопротивляются динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. На 12% дороже кипящих.

в) Полуспокойные (пс) стали раскисляются меньшим количеством кремния (0,05-0,15%), редко – алюминием. От головной части отрезают 8%. По качеству и стоимости они находятся между КП и СП.

Механические свойства стали

Механические свойства материалов:

Прочность – сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения.

Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.

Пластичность – свойство материала сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

Хрупкость – способность 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 другого, более твердого материала.

Рассмотрим подробнее свойства стали.

Прочность металла при его статическом нагружении, его упругие и пластические свойства определяются растяжением стандартных образцов (прямоугольного или круглого сечения) длиной l_o  c записью диаграмм зависимости между напряжением  и относительным удлинением .

Основными прочностными характеристиками являются:

σ_u – временное сопротивление – наибольшее условное напряжение в роцессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначвальной площади сечения А).

σ_y  - предел текучести – напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки. Для металлов, не имеющих площадки текучести (высокопрочные стали), определяется условный предел текучести  σ_o2, т.е. напряжение, при котором остаточное относительное удлинение e = 0,2%.

Мерой пластичности являются относительное остаточное удлинение и относительное сужение образца при разрыве.

Упругие свойства определяются модулем упругости E = tga и пределом упругости s_e, т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.

Несколько ниже s_e на диаграмме находится предел пропорциональности s_р – напряжение, при котором материал работает по закону Гука (s = E × e).

Склонность металла к трещинообразованию оценивается при испытаниях на ударную вязкость.

Испытания проводят на стандартных образцах при определенных температурах. Образец имеет форму бруска с выточкой-концентратором. Его разрушают ударами массивного маятника, при этом о качестве металла судят по колличеству поглощенной энергии удара. Для материала, более стойкого к образованию трещин, требуется больше энергии. Один и тот же материал может разрушаться как вязко, т.е. с развитием пластических деформаций, так и хрупко, в зависимости от различных факторов. В изломе разрушенного образца можно выделить 2 зоны – с волокнистой структурой – пластическая составляющая и с кристаллической – хрупкая составляющая.

Т.о., ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим:

а) состояние металла (хрупкое или вязкое);

б) сопротивление динамическим воздействиям;

в) чувствительность к концентрации напряжений

Ползучесть наблюдается при высоких t^o.

Важнейшее требование к металлическим конструкциям – свариваемость т.к. сварка – основной способ соединения элементов металлических конструкций. Оценка свариваемости производится по химическому составу (углеродному эквиваленту) или специальными технологическими пробами.

Долговечность – определяется в основном коррозийной стойкостью, которая зависит от химического состава, определяется скоростью коррозии в мм/год (по толщине металла).