Cталь – это сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали может достигать примерно 2%. Превышение этого показатля углерода делать сталь чугуном.
Металлы – это кристаллы. Различные элементы по-разному влияют на эту кристаллическую структуру.
Углерод закаляет сталь. При одинаковой обработке сталь с большим количеством углерода будет тверже, чем сталь с меньшим. Разница в 0,10 % заметно меняет сталь.
В сталь также добавляют другие элементы, чтобы изменить свойства. Марганец, никель, хром, молибден, кремний, алюминий, ванадий, бор, азот. Все эти элементы изменяют свойства стали.
Поэтому используются различные условные обозначения для стали. В США одна из самых распространенных – система нумерации AISI/SAE. Скажем, 1022 – это марка стали. Обозначение «10» указывает на используемые элементы, а «22» говорит о том, что в стали содержится около 0.22% углерода. Например, 4330 – это сплав, содержащий около 1,75% Ni, 0.60%Cr, 0.25% Mo и 0.30% C.
Все эти сплавы имеют разные свойства. Вот почему получается такой широкий спектр различных сталей.
Поведение стали
Кроме того, есть несколько свойств стали. Речь идет об упругом поведении, пластическом поведении и разрушении.
Упругое поведение – это когда что-то меняет форму, но возвращается в прежнюю, когда вы перестаете прикладывать силу. Если вы слегка разожмете скрепку, она вернется к своей первоначальной форме. В то время как все материалы обладают упругим поведением, отношение нагрузки к тому, насколько сильно изменяется их форма и объем, различно. Это свойство называется жесткостью. Так, сталь более жесткая, чем алюминий. Чтобы получить более подробное объяснение упругости, можно обратиться к закону Хукса или модулю Янга.
На определенном пороге упругость уступает место пластичности, постоянной деформации. Если вы согнете скрепку слишком сильно, упругая часть деформации изменится на противоположную, но пластическая деформация останется. Пороговая нагрузка, при которой материал начинает пластически деформироваться, называется пределом текучести. Разницу между пределом прочности и жесткостью непрофессионалы часто путают.
По мере того как вы сгибаете скрепку, вам требуется все большее усилие для этого. Это явление называется упрочнением. Таким образом, при изменении формы металла его предел текучести становится выше. Предел прочности – это самый высокий предел, который можно достичь для данного материала.
В конце концов вы дойдете до момента, когда ваш материал сломается, то есть разрушится. Материал, который испытывает много пластических деформаций перед разрушением, называется вязким. Материал, которому требуется много энергии для разрушения, то есть прочность, умноженная на пластичность, называется жестким.
Противоположностью вязкости является хрупкость. Если сравнить сталь и, скажем, циркониевую керамику, то цирконий жестче и прочнее, а сталь гораздо жестче и пластичнее. Наконец, если скрепку сгибать вперед-назад, она в конце концов сломается. Таким образом, многократное нагружение при меньшей нагрузке, чем требуется для откровенного разрушения, называется усталостным разрушением.
Управление свойствами стали
Переходим к вопросу о том, как управлять свойствами. Три основных ответа: состав, термообработка и холодная обработка. Практически вся периодическая таблица может быть смешана со сталью, но углерод – самый важный легирующий элемент. Добавление углерода повышает прочность и снижает пластичность. Никель и хром могут повысить и то, и другое, создавая нержавеющую сталь. Молибден и вольфрам позволяют получить твердую, жаропрочную инструментальную сталь.
Обработка стали
Холодная обработка – это просто деформация материала при комнатной температуре для придания ему большей твердости, как в нашем примере со скрепкой выше.Если вы используете холоднокатаный стальной лист, он будет прочнее. Деформация металла при повышенной температуре также имеет эффект, но гораздо более сложный.
Наконец, существует термическая обработка. Контроль над температурным режимом материала эффективно перестраивает атомы, что может повлиять на свойства. Отжиг смягчает материал, позволяя убрать дефекты, эффективно обращая трудовую закалку. Закалка (быстрое охлаждение) от раскаленной докрасна заготовки делает сталь намного тверже.
