8.4. Получение готовых металлических изделий

Для придания металлическому слитку необходимой формы, размеров и свойств обычно применяют обработку давлением, при этом металл деформируется, сохраняя приобретенную форму. Для облегчения обработки металл часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки давлением: прокатка, прессование, ковка, штамповка, протяжка. Наиболее распространенный метод – прокатка, им обрабатывается более 70 % стали.

Прокатка. Сущность этого процесса заключается в многократном обжатии разогретых слитков металла. При этом слиток деформируется (уменьшается в сечении и вытягивается) и принимает заданную форму. Для получения тонколистовой стали с точно заданной толщиной и чистой поверхностью применяют прокатку в холодном состоянии. Прокатка производится на специальных установках – прокатных станах.

Металлургическая промышленность выпускает 4 основные группы прокатных изделий: сортовую и листовую сталь, трубы и специальные виды проката. В сортовой прокат входят профили общего и специального назначения: полосовая и угловая сталь, швеллеры, двутавры, рельсы, круглая арматурная сталь, шпунтовые сваи и др.

Ковка  раскаленному металлу придается заданная форма под действием повторяющихся ударов молота.

Штамповка – обработка раскаленного металла, когда под действием ударов молота-штампа металл заполняет форму. Этот способ позволяет получать изделия очень точных размеров.

Прессование заключается в продавливании пластичных металлов в нагретом состоянии через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. Этим способом получают изделия из алюминия, меди, латуни, бронзы (например, трубы).

Протяжка относится к холодной обработке металла. Заключается она в протягивании нагретой заготовки через отверстие, меньшее сечения заготовки. Этим способом получают холоднодеформируемую проволоку диаметром 0,1…5мм строго определенной конфигурации и размеров с чистой поверхностью.

8.5. Свойства сталей

Плотность стали  7850 кг/м³, что приблизительно в 3 раза выше плотности каменных материалов (например, обычный тяжелый бетон имеет плотность 2400 ± 50 кг/м³).

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. В начале испытаний деформации у стали пропорциональны напряжениям. Максимальное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется предел 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 предел текучести _т.

Затем наступает некоторое замедление роста деформаций при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего наступает разрушение образца, 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:

 = ((l₁ – l₀)/l₀) 100%,

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•10⁵ МПа.

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HR) 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 стали марки Ст3 ударная вязкость при +20°С составляет 0,5...1 МДж/м², а при -20°С  0,3...0,5 МДж/м².

Технологические свойства. Технологические испытания стали показывают ее способность принимать определенные деформации, аналогичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего производят пробу на холодный загиб.

При испытании на загиб определяются не усилия для осуществления деформации, а условия (угол загиба, диаметр оправки), при которых возможно протекание деформации без нарушения сплошности образца (т. е. без появления трещин и расслоения). Чем пластичнее сталь, тем меньше диаметр оправки при испытаниях.

Для стальной проволоки подобные испытания проводятся на установке, позволяющей перегибать проволоку на заданный угол. Мерой пластичности служит число перегибов проволоки до разрушения.

Теплотехнические свойства сталей в малой степени зависят от ее состава.

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и составляет около 70 Вт/(м °С).

Коэффициент линейного термического расширения стали составляет 10^-5 °С.

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500...1300 °С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагревании и ней происходят полиморфные превращения, приводящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 °С; после достижения температуры 500...600 °С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их необходимо защищать от действия огня, например, покрытием цементными растворами.