5.2.3 Термическая и химико-термическая обработка стали

В целях изменения структуры, химического состава поверхности изделий и получения более высоких или специально заданных свойств стали подвергают термической (тепловой) или химико-термической обработке.

К основным видам термической обработки относят отжиг, нормализацию, закалку и отпуск стали. Они заключаются в изменении структуры стали путем предварительного нагрева до заранее определенных температур, некоторой выдержке при этих температурах и последующего охлаждения по заданному режиму.

К химико-термической обработке стали относят цементацию, азотирование, цианирование и диффузионную металлизацию. Осуществляется это путем предварительного насыщения поверхности обрабатываемых изделий различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.) с последующей термической обработкой. Проникая в основную решетку металла, атомы элементов образуют твердый раствор внедрения или замещения, либо химические соединения. В результате поверхностные слои стали упрочняются (повышается твердость, усталостная прочность, износостойкость и т.п.), изменяются физико-химические и другие свойства (коррозионные, фракционные и т.д.).

5.3 Свойства сталей

Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется механическими свойствами, свариваемостью и коррозионной стойкостью. Зависят они от химического состава, вида термической обработки, технологии прокатки и других факторов.

К механическим свойствам относят прочностные и деформативные, твердость, ударную вязкость и др.

Прочностные и деформативные свойства стали обычно определяются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение-деформация». Сталь, как и другие металлы, ведет себя как упруго-пластичный материал (рис.5.2). В начале испытаний деформации у стали пропорциональны напряжениям. Максимальное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется пределом пропорциональности _у (при этом напряжении остаточные деформации не должны превышать 0,05 %).

При дальнейшем повышении напряжения начинает проявляться текучесть стали – быстрый рост деформаций при небольшом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее началу течения, называют пределом текучести _т.

Затем наступает некоторое замедление роста деформаций при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего наступает разрушение образца. Наибольшее напряжение называется временным сопротивлением _в, что является фактическим пределом прочности стали (R_р).

Относительное удлинение стали  в момент разрыва характеризует ее пластичность. Оно рассчитывается по формуле

(5.1)

где l₀– начальная длина расчетной части образца, мм; l₁– длина этой части в момент разрыва образца, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей. Модуль упругости стали составляет 2,1·10⁵МПа.

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (НR) по величине вдавливания индентера (закаленного шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь. Твердость вычисляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цементацией – насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).

Ударная вязкость – свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у Ст3 ударная вязкость при +20^оС составляет 0,5...1 МДж/м², а при –20^оС – 0,3...0,5 МДж/м².