Прочность стали является одной из главнейших характеристик качества стали как конструкционного материала. Под прочностью понимают способность стальных изделий сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Высокопрочными считаются стали, обладающие высокими механическими свойствами (пределами прочности, текучести, упругости) и имеющими определенную пластичность (относительное удлинение и сужение) и вязкость (коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации, температуру вязко-хрупкого перехода) и др.
Механические свойства сталей – совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения.
В соответствии с этим механические свойства сталей измеряют (единицы физических величин ГОСТ 8.417–78):
– напряжениями (МПа, МН/м2, кгс/мм2; Па = Н/м2; кгс = 9,8 Н; Па = 1,02´10–5 кгс/см2);
– деформациями (в %);
– удельной работой деформации и разрушения (МДж/м2, кгс×м/см2; Дж = Н×м);
– скорость развития процесса разрушения при статистической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторной нагрузки, мм/кцикл).
Основные факторы, изменяющие механические свойства стали:
- химический состав металла;
- состав и качество шихтовых материалов, применяемых при выплавке стали;
- применение процессов внепечной обработки жидкой стали (вакуумирование, обработка синтетическим шлаком, продувка аргоном, модифицирование, рафинирование и др.);
- процессы прокатки, ковки, штамповки (температура нагрева, температура и степень деформации, и др.)
Механические свойства сталей определяются при механических испытаниях образцов различной формы. По характеру нагрузки стали могут работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез (сдвиг) и т.д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки. Также разнообразны условия эксплуатации сталей по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону ее изменения во времени. Для металлов наиболее распространены испытания на растяжение, прочность, ударный изгиб, твердость, выносливость, ползучесть.
При испытании сталей на растяжение определяют:
1. Предел прочности – условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца; отношение РВ/F0 = sв характеризует временное сопротивление (предел прочности) материала, где Р – максимальная нагрузка, F0 – площадь поперечного сечения образца.
2. Предел текучести – условное напряжение, при котором остаточнаяотносительная деформация (пластическое удлинение) образца составляет 0,2 %, s0,2 = Рт/F0 (чаще обозначают sт), где Р – нагрузка, F0 – площадь поперечного сечения образца.
3. Предел упругости (sе) – напряжение при котором остаточное пластическое удлинение образца составляет 0,02 %.
4. Удлинение – отношение в процентах приращения длины образца при растяжении до разрыва к его первоначальной длине.
5. Сужение – отношение в процентах уменьшения площади поперечного сечения образца при растяжении до разрыва к его первоначальной площади поперечного сечения.
Пластичность при растяжении конструкционных материалов оценивается удлинением (d = (l 0 – l к) / l 0 × 100%) или сужением (y = (F0 – Fк) / F0 × 100%), при сжатии укорочением, при кручении – предельным углом закручивания рабочей части образца (ГОСТ 1497–73).
Испытание стали на растяжение проводится на нормальных или пропорциональных образцах, которые бывают десятикратные или пятикратные. Нормальные образцы имеют диаметр равный 20 мм, пропорциональные – круглые и прямоугольные произвольных размеров. Во всех случаях расчетная длина образца составляет либо 11,3 ÖF, либо 5,65 ÖF, где F – исходная площадь поперечного сечения образца.
Ударная вязкость – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушаться под действием ударной нагрузки. Оценивается работой отнесенная к единице площади излома, необходимой для деформации и разрушения призматического образца с односторонним поперечным надрезом при воздействии на его среднюю часть как на балку, лежащую на 2-х опорах, нагрузки в виде удара со скоростью приложения силы порядка 15–20 м/сек, (дж/м2, кгс×м/см2); обозначается символом КСU, КСV и КСТ (последняя буква определяет тип поперечного надреза и соответствует геометрической форме буквы: U-образной, V-образной и Т – усталостной трещине; ГОСТ 9454–78; старое обозначение ан, ГОСТ 9454–60). Удельная работа КС = К/S0 (ан = Ан/ S0), где К и Ан – работа; S0 – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковых копрах с отсчетом энергии груза до и после приложения нагрузки при различных температурах, °С: +20, 0, –20, –40, –60. Резкое падение ударной вязкости при понижении температуры испытания определяет порог хладноломкости материала; надежная эксплуатация его возможна лишь при температурах, лежащих выше порога хладноломкости.
Сопротивление пластической деформации часто оценивают по результатам испытаний на твердость, путем вдавливания твердого наконечника в форме шарика, твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59; ед. измерения НВ; HB = P/F; F = pD2/2 – pD/2ÖD2–d = pDt, где d – диаметр отпечатка 10,5 или 2,5 мм; t – глубина, мм; P – сила, кгс; D – диаметр стального шарика (сталь ШХ15) или из карбида вольфрама, мм). Определение твердости при вдавливании конуса или пирамиды по Виккерсу (ГОСТ 2999-75,ед. измерения HV, HV = P/F = P/(d2/2 cos 22°) = 1,8544P/d2, материал конуса победит или твердый сплав, материал четырехгранной пирамиды – алмаз, с углом 136°). До HB 350¸400 величины HV и HB равны. Определение твердости при вдавливании шарика или конуса с предварительным нагружением по Роквеллу (ГОСТ 9013-59, при диаметрах шарика 1/16, 1/8, 1/4 дюйма или алмазного конуса с углом 120°, вычисляется по шкалам С, А, В, ед. изм. НRС, HRA, HRB). Микротвердость (ГОСТ 9450-76). Испытания на твердость не требуют нарушения целостности детали и потому являются самым массовым средством контроля механических свойств.