Справочник по прочности стали: виды, свойства и области применения

При механической обработке и разработке новых изделий выбор стали напрямую влияет на прочность деталей, сложность обработки, срок службы и себестоимость производства. Чтобы помочь инженерам, закупщикам и конструкторам лучше понять характеристики стали, в данной статье разъясняются ключевые показатели прочности, такие как предел прочности при растяжении, предел текучести и предел выносливости, а также анализируются распространенные марки стали и типичные области применения деталей. Статья представляет собой практическое руководство по выбору материалов и планированию процессов механической обработки.

Тип прочности стали

Предел текучести стали

Предел текучести стали — это напряжение, при котором сталь начинает подвергаться заметной пластической деформации, то есть начинается необратимая деформация. Он отражает способность стали сопротивляться деформации и обычно рассчитывается как σy = Fy / A0, где Фй — это нагрузка на выход, а A0 — это исходная площадь поперечного сечения. Обычно в качестве единицы измерения используется МПа или Н/мм².

Как правило, расчетное напряжение должно оставаться ниже предела текучести, чтобы предотвратить возникновение необратимых деформаций изгиба, растяжения или сжатия в процессе эксплуатации. В случае нержавеющих сталей или высокопрочных сталей, не имеющих четко выраженной границы текучести, 0,21 TP3T предел прочности, Rp0,2, обычно используется для обозначения предела текучести.

Влияющие факторы:

Такие элементы, как углерод, марганец и кремний, могут растворяться в кристаллической решётке и вызывать её деформацию, что приводит к повышению предела текучести стали за счёт упрочнения за счёт твёрдого раствора;

Элементы микролегирования, такие как ниобий, ванадий и титан, могут образовывать мелкие частицы карбидов или нитридов, фиксировать дислокации и сдерживать рост зерен, что приводит к дальнейшему повышению прочности.

Напротив, примесные элементы, такие как фосфор и сера, имеют тенденцию к сегрегации на границах зерен или к образованию включений, что ослабляет межзерновые связи, повышает хрупкость и снижает устойчивую несущую способность стали в реальных условиях эксплуатации.

Прочность стали на разрыв

Прочность на разрыв — это максимальное инженерное напряжение, которое сталь способна выдержать до разрушения в ходе стандартного испытания на растяжение; обычно она рассчитывается как σb = Fmax / A0, где Fmax — это максимальная растягивающая нагрузка, а A0 — это исходная площадь поперечного сечения. Обычно в качестве единицы измерения используется МПа или Н/мм². Иногда его также называют пределом прочности стали на разрыв. Он обозначает критическую точку, в которой материал переходит от равномерной пластической деформации к локализованной деформации, или сужению, и представляет собой максимальный предел несущей способности материала при статической растягивающей нагрузке.

Факторы, влияющие на прочность стали на разрыв:

Надлежащее повышение содержания углерода может улучшить прочность на разрыв, однако чрезмерно высокое содержание углерода снижает пластичность и ударную вязкость и может даже привести к хрупкости стали, что вызовет ухудшение характеристик при растяжении.

Легирующие элементы, такие как марганец, кремний, хром, молибден и ванадий, могут повышать прочность стальной матрицы за счет упрочнения в твердом растворе, упрочнения карбидами и утончения кристаллитов;

Никель также способен повысить прочность, сохраняя при этом хорошую пластичность, а азот обеспечивает значительный эффект упрочнения за счет интерстициального твердого раствора в дуплексной нержавеющей стали.

Напротив, вредные примеси, такие как сера, фосфор и кислород, легко образуют включения или вызывают сегрегацию на границах зерен, что ослабляет сплошность и вязкость материала и снижает фактическую прочность стали на растяжение.

Прочность стали на сдвиг

Прочность стали на сдвиг определяется как максимальное значение напряжения, при котором сталь противостоит относительному скольжению, сдвиговой деформации или разрушению на сдвиг между соседними участками под действием сдвиговой силы; обычно она рассчитывается как τ = F / A, где F — это сдвиговая сила, а A — это площадь сдвига. Обычно в качестве единицы измерения используют МПа или Н/мм². Это важный показатель для оценки несущей способности элементов, подвергающихся сдвиговому напряжению, таких как болты, заклепки, штифты, сварные швы и соединительные пластины.

Факторы, влияющие на прочность стали на сдвиг:

Увеличение содержания углерода может косвенно повысить его сопротивляемость разрушению при сдвиге;

Легирующие элементы, такие как марганец, хром и молибден, могут повысить сопротивление сдвигу за счет упрочнения за счет твердого раствора, утончения кристаллитов и повышения стабильности микроструктуры.

Однако вредные примеси, такие как фосфор и сера, могут легко образовывать хрупкие включения или ослаблять связь между границами зерен, что делает сталь более подверженной растрескиванию или хрупкому разрушению под воздействием сдвиговых нагрузок и снижает прочность на сдвиг и ударную вязкость.

Прочность стали на износ

“Прочность на длительное утомление” не является стандартным самостоятельным механическим свойством. Она определяется как прочностью на разрушение при ползучести, так и усталостной прочностью, которые в совокупности определяют безопасный срок службы стали в условиях длительной эксплуатации. Поскольку это не единичное фиксированное значение, её обычно оценивают по напряжению разрушения при ползучести или по усталостной прочности, которые обычно выражаются как σ = F / A0 или амплитуда напряжения σa = (σmax – σmin) / 2, с единицами измерения МПа или Н/мм².

Прочность на ползучее разрушение:

Под этим понимается максимальное значение напряжения, которое сталь способна выдержать без разрушения в течение заданного периода времени при заданной высокой температуре и постоянном растягивающем напряжении, как правило, 100 000 часов, или примерно 11,4 года. Этот показатель в основном отражает стойкость материала к разрушению от ползучести.

Факторы, влияющие на предел прочности стали при ползучести:

Такие элементы, как хром, молибден, ванадий, ниобий и вольфрам, могут повысить микроструктурную стабильность и сопротивление ползучести стали при высоких температурах за счет упрочнения в твердом растворе, упрочнения путем выделения фаз и образования стабильных карбидов или нитридов; в то же время примеси, такие как фосфор и сера, могут легко стать источниками высокотемпературных трещин и снижать предел прочности при ползучести.

Усталостная прочность стали

Под этим понимается максимальное значение напряжения, которое сталь способна выдерживать при циклическом переменном напряжении в течение бесконечного числа циклов (обычно 10^7 циклов) без разрушения. Для материалов, не имеющих чётко выраженного предела усталости, под этим понимается напряжение, при котором разрушение не наступает после заданного числа циклов, например 10^7 циклов.

Влияющие факторы:

Углерод и легирующие элементы, такие как Mn, Cr, Mo и V, могут повышать усталостную прочность за счет таких механизмов, как упрочнение за счет твердого раствора и мелкозернистое упрочнение. Однако неметаллические включения, такие как оксиды и сульфиды, могут образовывать очаги концентрации внутренних напряжений и способствовать зарождению усталостных трещин, поэтому для повышения усталостных характеристик предпочтительнее использовать сталь высокой чистоты.

Прочность стали на разрыв

Прочность на разрыв — это значение напряжения, соответствующее моменту разрыва при испытании на растяжение, которое характеризует предельную несущую способность материала до окончательного разрушения. Это напряжение, при котором образец фактически разрывается. В случае пластичных сталей, таких как низкоуглеродистая сталь, перед разрушением происходит сужение, поэтому инженерная предел прочности на разрыв обычно ниже предела прочности при растяжении; для более хрупких сталей предел прочности на разрыв часто относительно близок к пределу прочности при растяжении.

Влияющие факторы:

Увеличение содержания углерода, как правило, повышает прочность, но снижает пластичность и ударную вязкость; легирующие элементы, такие как марганец и никель, способствуют повышению ударной вязкости, в то время как фосфор, сера и неметаллические включения, такие как оксиды и сульфиды, могут легко вызывать сегрегацию на границах зерен или образовывать очаги трещин, что значительно снижает сопротивление разрушению.

Прочность на сжатие стали

Прочность на сжатие — это максимальное напряжение, которое сталь способна выдержать при сжимающей нагрузке до разрушения, потери устойчивости или возникновения чрезмерной пластической деформации. Обычно она рассчитывается следующим образом: σc = Fmax / A0, где Fmax — максимальная нагрузка при сжатии, а A0 — это исходная площадь поперечного сечения, единицы измерения которой составляют МПа или Н/мм². В случае вязких материалов, таких как сталь, это обычно приводит к пластической деформации или выпуклости, а не к внезапному разрушению, причем предел прочности на сдавливание, как правило, близок к пределу прочности на растяжение или немного превышает его.

Влияющие факторы:

Увеличение содержания углерода может повысить прочность стали на раздавливание, но при этом снижает её пластичность и ударную вязкость; легирующие элементы, такие как марганец, кремний, хром и молибден, могут упрочнять матрицу за счет упрочнения в твёрдом растворе или образования карбидов, тогда как примеси и включения, такие как фосфор и сера, могут нарушать целостность материала и снижать прочность на сжатие.

Сводная сравнительная таблица

Распространенные марки стали для механической обработки

Конструкционная сталь

Конструкционная сталь — это инженерная сталь на основе железа и углерода, обладающая заданными показателями прочности, пластичности и формуемости. Она в основном используется для изготовления несущих элементов зданий, деталей машин и инженерных конструкций. Основным требованием к ней является хорошая несущая способность при одновременном учете вязкости, свариваемости и обрабатываемости. Обычно её делят на углеродистую конструкционную сталь и легированную конструкционную сталь.

Сталь A36

Предел текучести Сталь марки A36 составляет ≥250 МПа. Если толщина стального листа из стали A36 превышает 203 мм, требуемый предел текучести должен быть ≥220 МПа. Данная сталь относится к конструкционным сталям обычной прочности. Для высокопрочных, высоконапорных, высокотемпературных, подверженных большим нагрузкам или низкотемпературных критических несущих зон следует рассмотреть возможность использования таких марок стали, как A572 и A588.

Предел прочности на разрыв стали марки A36 составляет 400–550 МПа, что позволяет использовать её для изготовления несущих элементов общестроительных конструкций, кронштейнов, опорных плит, соединительных элементов и обычных механических конструкционных деталей.

Прямого стандартного значения прочности на сдвиг стали A36 не существует. В инженерной практике её обычно принимают равной 0,6 от значения предела прочности при растяжении, то есть примерно 240–330 МПа.

Сталь A992

Предел текучести стали A992 составляет ≥345 МПа, что позволяет отнести её к категории конструкционных сталей средней и высокой прочности. По сравнению со сталью A36 сталь A992 обладает более высокой несущей способностью и лучшим соотношением прочности и вязкости, поэтому она широко используется для изготовления несущих элементов, таких как строительные балки, стальные колонны, мостовые конструкции и каркасы для тяжелых нагрузок.

Предел прочности на разрыв стали A992 обычно составляет 450–620 МПа. Она обладает хорошей устойчивостью к деформации под воздействием растягивающих, сжимающих и изгибающих нагрузок. Сталь A992 широко применяется в строительстве и при изготовлении инженерных стальных конструкций, к которым предъявляются требования по прочности, свариваемости и конструктивной устойчивости.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь — это железо-углеродистый сплав, состоящий преимущественно из железа и углерода, без целенаправленного добавления других легирующих элементов. Содержание углерода в ней, как правило, составляет от 0,02% до 2,11%. Свойства материала можно регулировать за счёт изменения содержания углерода и методов термической обработки. Она подразделяется на три категории: низкоуглеродистая сталь, среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь.

Сталь 1018

Предел текучести мягкой стали марки 1018 составляет ≥210 МПа, что соответствует примерно 30 кси; фактический диапазон значений составляет примерно 210–275 МПа. В холоднотянутом состоянии (C1018) предел текучести может увеличиваться до 370 МПа (около 53 кси) и выше. После термообработки, такой как закалка и отпуск, прочность можно еще больше повысить, но это обычно происходит за счет некоторой потери пластичности и формуемости. Сталь 1018 отличается не столько высокой прочностью, сколько хорошей свариваемостью, формуемостью в холодном состоянии и обрабатываемостью, и подходит для изготовления обычных механических деталей, таких как валы, штифты, болты и заготовки для зубчатых колес.

Предел прочности на разрыв мягкой стали марки 1018 составляет около 370–440 МПа. В состоянии холодной волочения за счёт деформационного упрочнения предел прочности на разрыв может увеличиваться до 440–540 МПа и выше.

Сталь 1045

Предел прочности стали марки 1045 составляет около 570–700 МПа, а предел текучести — около 310–530 МПа

, в зависимости от условий обработки, таких как горячая прокатка, нормализация, холодная волочилка или закалка с отпуском. Сталь марки 1045 — это среднеуглеродистая сталь, обладающая относительно высокой прочностью, твердостью и износостойкостью. Её обычно используют для изготовления несущих или износостойких механических деталей, таких как валы, шестерни, шатуны, коленчатые валы, штифты, болты, втулки и зажимные приспособления. После закалки, отпуски или комбинированной обработки (закалки и отпуски) общий баланс прочности, вязкости и износостойкости может быть ещё более улучшен, что делает её пригодной для изготовления конструкционных деталей со средней нагрузкой и компонентов трансмиссии.

Легированная сталь

Легированная сталь получается путем целенаправленного добавления в углеродистую сталь таких элементов, как хром, никель, молибден, ванадий, титан, ниобий, вольфрам и бор, с целью повышения прочности, твердости, вязкости, износостойкости, закаливаемости, коррозионной стойкости или высокотемпературных характеристик. Она широко используется для изготовления высокоэффективных деталей или конструкционных элементов, таких как шестерни, валы, шатуны, мосты, режущие инструменты, пресс-формы, а также нержавеющей, жаропрочной и износостойкой стали.

Сталь 4140

Сталь марки 4140 В отожженном или нормализованном состоянии предел текучести этой стали составляет около 415 МПа, а после закалки и отпуски он может быть повышен до 930–1100 МПа и выше. Это высокопрочная закаленная и отпущенная сталь, относящаяся к семейству среднеуглеродистых хромомолибденовых легированных сталей. Благодаря превосходной закаливаемости, высокой прочности и хорошему балансу с вязкостью сталь 4140 широко используется для изготовления зубчатых колес, валов, шатунов, болтов, приводных валов, коленчатых валов, соединений буровых труб, деталей пряжек из высокопрочной стали и других механических деталей, подвергающихся высоким нагрузкам.

Предел прочности стали марки 4140 в отожженном или нормализованном состоянии обычно составляет около 655–750 МПа. После закалки и отпуски она может увеличиваться до 1080–1200 МПа и выше, что позволяет удовлетворить требованиям эксплуатационных условий, предполагающих высокую несущую способность, ударные нагрузки и усталостные напряжения.

Сталь 4130

Предел текучести стали марки 4130 в отожженном или нормализованном состоянии обычно составляет около 415 МПа. После закалки и отпуски он может увеличиваться до 785–930 МПа и выше, что делает эту марку одной из высокопрочных среди среднеуглеродистых хромомолибденовых конструкционных сталей. Благодаря относительно высокому пределу текучести, хорошей вязкости и закаливаемости сталь марки 4130 подходит для изготовления зубчатых колес, валов, шатунов, болтов, рам, авиационных труб и механических деталей, подвергающихся усталостным нагрузкам, особенно конструкционных элементов, требующих сбалансированного сочетания прочности, вязкости и лёгкости конструкции.

Предел прочности на разрыв стали марки 4130 в отожженном или нормализованном состоянии обычно не превышает примерно 590 МПа. После закалки и отпуски она может увеличиваться до 930–1000 МПа и выше, что делает эту сталь пригодной для изготовления конструкционных элементов в машиностроении и аэрокосмической отрасли, к которым предъявляются высокие требования по прочности на разрыв, усталостной прочности и конструктивной надёжности.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь 304

После термообработки или отжига предел текучести нержавеющей стали марки 304 составляет более 205 МПа, а предел прочности при растяжении — около 515–750 МПа. После холодной обработки, такой как холодная прокатка или холодное волочение, предел текучести может увеличиться до более чем 515 МПа, а предел прочности при растяжении — до более чем 800 МПа. Марка 304 представляет собой аустенитную нержавеющую сталь со средней прочностью, хорошей коррозионной стойкостью, высокой пластичностью и отличной свариваемостью. Она подходит для химических трубопроводов, пищевого оборудования, медицинских изделий, крепежных элементов, таких как болты и гайки, деталей из листового металла, декоративных конструкционных элементов и общих коррозионно-стойких деталей.

316 SS

Предел текучести нержавеющей стали марки 316 в состоянии после термообработки или отжига обычно составляет ≥205 МПа, что позволяет отнести её к аустенитным нержавеющим сталям со средней или низкой прочностью. Она обладает коррозионной стойкостью, легко поддается сварке и отличается высокой пластичностью, а также подходит для изготовления химических трубопроводов, клапанов, корпусов насосов, фланцев, крепежных элементов, пищевого оборудования, медицинских приборов и судовых деталей. После холодной обработки предел текучести может достигать ≥515 МПа, что делает её пригодной для изготовления коррозионно-стойких деталей с повышенными требованиями к сопротивлению деформации.

Распространенные методы обработки стали

1. Поворот
Токарная обработка — это процесс резания, при котором заготовка вращается, а токарный инструмент перемещается по ней. Она подходит для обработки стальных деталей вращательной формы, таких как валы, диски и втулки. Этот метод отличается высокой эффективностью и низкой стоимостью, а также позволяет обеспечить соосность, перпендикулярность и точность цилиндрических поверхностей.

2. Фрезерование
Фрезерование заключается в удалении материала с помощью вращающейся фрезы и подходит для обработки плоскостей, пазов, ступеней, контуров и сложных форм. Оно широко применяется при изготовлении кронштейнов, оснований, конструкционных деталей и стальных деталей нестандартной формы.

3. Бурение
Сверление в основном используется для обработки отверстий в стали, как правило, с помощью спирального сверла с осевой подачей. Поскольку возможности удаления стружки, отвода тепла и жесткость инструмента ограничены, для глубоких или крупных отверстий часто требуется ступенчатое сверление, развертывание или последующая чистовая обработка.

4. Скучно
Расширение и доработка существующего отверстия позволяют повысить точность размеров и качество поверхности отверстия. Этот метод подходит для обработки больших отверстий, прецизионных отверстий и внутренних элементов отверстий на таких деталях, как корпуса, станин станков и кронштейны.

5. Шлифование
При шлифовании с помощью абразивных зерен на шлифовальном круге осуществляется финишная обработка поверхности стальных деталей, что позволяет добиться высокой точности размеров и низкой шероховатости поверхности. Этот метод широко применяется для обработки закаленной стали, жаростойкой стали, подшипников, измерительных приборов и прецизионных деталей.

6. Строгание
Стругальные станки формируют плоские поверхности или пазы за счет линейного возвратно-поступательного движения инструмента и заготовки. Это оборудование отличается простотой и универсальностью, однако его производительность относительно низкая, в связи с чем оно подходит для обработки единичных изделий, мелких партий или больших стальных плоских поверхностей.

7. Протягивание
При протягивании используется многозубчатая протяжка, которая за один ход непрерывно снимает материал, что позволяет быстро добиться высокой точности размеров и качества поверхности. Этот метод подходит для серийной обработки внутренних отверстий, шпоночных пазов, плоскостей и профильных поверхностей, однако стоимость инструмента относительно высока.

8. Пиление
Пиление применяется для вырезания заготовок из стали, резки или прорезания пазов и является распространенным процессом подготовки перед механической обработкой. При механической обработке необходимо подбирать соответствующую форму зубьев пильного полотна и его параметры с учетом твердости материала, толщины сечения и эффективности резания.

9. Электроэрозионная обработка и резка проволокой
Данный процесс использует импульсный электрический разряд для резки или удаления металла и представляет собой бесконтактный метод механической обработки, подходящий для сталей высокой твёрдости или труднообрабатываемых сталей. С его помощью можно обрабатывать сложные контуры, прецизионные пресс-формы и детали сложной формы, однако следует уделять внимание зонам термического влияния на поверхности и риску образования микротрещин.

Что такое сверхвысокопрочные стали?

Под сверхвысокопрочной сталью обычно понимается легированная сталь с пределом текучести более 1380 МПа или пределом прочности при растяжении более 1470 МПа.

Сверхвысокопрочные стали можно разделить на различные типы в зависимости от их состава и механизмов упрочнения. К распространенным низколегированным сверхвысокопрочным сталям относятся AISI 4340, 300M, сталь Eglin и другие. Среди них AISI 4340 — классическая низколегированная сверхпрочная сталь, широко используемая в деталях, подвергающихся высоким нагрузкам, таких как шасси самолетов и валы двигателей.

Стали сверхвысокой прочности с вторичным упрочнением, такие как HY-180, AF1410 и AerMet 100 обладают высокой прочностью, высокой вязкостью и превосходной усталостной прочностью и широко применяются в шасси истребителей, деталях авиационных двигателей и аэрофинишерах авианосцев.

Мартенситно-стареющие сверхпрочные стали, такие как 18Ni, T250 и T300, приобретают высокую прочность за счет упрочнения выделением при старении и широко применяются в корпусах ракетных двигателей и конструкционных деталях для аэрокосмической отрасли.

К сверхпрочным сталям, широко применяемым в автомобилестроении, относится борсодержащая сталь 22MnB5. После горячей штамповки её предел прочности на разрыв может достигать 1500–2000 МПа; она в основном используется для изготовления элементов каркаса безопасности автомобиля, таких как стойки A и B, а также противоударные балки.

Как прочность стали влияет на стоимость механической обработки?

Чем выше прочность стали, тем большее усилие резания требуется при механической обработке. Это предъявляет более высокие требования к рабочим характеристикам инструмента, жесткости станка и точности обработки, что зачастую приводит к более быстрому износу инструмента, снижению производительности и увеличению производственных затрат. Поэтому при выборе стали следует учитывать не только прочность и эксплуатационные характеристики, но и обрабатываемость, а также общую стоимость производства.

В целом, затраты на механическую обработку нержавеющей стали, легированной стали и высокоуглеродистой стали выше; для среднеуглеродистой стали они находятся на умеренном уровне; в то время как затраты на механическую обработку низкоуглеродистой стали, чугуна и оцинкованной стали, как правило, относительно ниже. Однако фактическая стоимость по-прежнему зависит от технических характеристик материала, конструкции детали, технологического процесса и возможностей оборудования.

Итог:

Вышеизложенное охватывает основные сведения о прочности стали, в первую очередь посвященные различным видам стали и категориям прочности, которые обычно учитываются в машиностроении. Если вы хотите узнать больше или столкнетесь с проблемами во время обработка стали, Вы можете связаться с инженерами по адресу Обработка Weldo для поддержки проектирования с учетом технологичности (DFM) и расчет затрат на механическую обработку.