Конструкционные стали

Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).

8.1. Классификация конструкционных сталей.

Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 - 0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5 %, в среднелегированных содержится от 5 до 10 %, в высоколегированных — более 10 %.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качес тва, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей — серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,050 % S и 0,040 % P:качественные — не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные — не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественные — не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Вы­деление пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют, на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные – всех классов.

8.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей.

Стали — сложные по составу железо-углеродистые сплавы. Кроме железа и углерода — основных компонентов, а также возможных легирующих элементов стали содержат некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на их свойства.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8 %, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

После отжига углероди­стые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита, кото­рый отличается высокой твер­достью и хрупкостью, увели­чивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, возрастает прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость (рис. 49). Кроме того, углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние. Каждая 0,1 % С повышает верхнюю границу этого перехода примерно на 20°С. При 0,4 % С порог хладноломкости равен 0°С, при большей концентрации углерода эта температура достигает 20 °С; такие стали менее надежны в работе.

Углерод изменяет технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

Постоянные примеси в стали: Mn, Si, S, P, а так же газы О₂, N₂, H₂.

Марганец — полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3 - 0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

Кремний — полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.

Сера — вредная примесь, вызывающая красноломкость стали —хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в видесульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов FeS, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается.

От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфид MnS, исключающий образование легкоплавкой эвтектики.

Устраняя красноломкость, сульфид MnS, так же как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды и т.п.), служат концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость сталей. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор — вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость — снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости. Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 25°С. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.

Фосфор — крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления, поэтому основной путь его снижения — повышение качества шихты.

Кислород, азот и водород — вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению.

Кислородные включения способствуют красно- и хладноломкости, снижают прочность.

8.3. Углеродистые стали.

На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатыва­емости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей.

Главный недостаток углеродистых сталей — небольшая прокаливае­мость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой.

Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

8.3.1. Углеродистые стали обыкновенного качества.

Эти стали преимущественно используют в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения.

Стали обыкновенного качества поставляют горячекатаными в видепроката (прутки, листы, уголки, швейлеры, трубы и т.п.). Для этих сталей марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380 - 94.

Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», в полуспокойных — «пс», в кипящих — «кп». Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 – Ст6, кипящими — Ст1 – Ст4. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С ≤ 0,23%), серы (S ≤ 0,06 %) и фосфора (Р ≤0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S и Р.

Для всех сталей, кроме Ст0, справедлива следующая формула: С (%) ≈ ≈ 0,07 номер марки. Так, в стали СтЗ содержание С ≈ 0,07 3 ≈ 0,21 % (фактически 0,14 - 0,22 %).

Три марки стали производят с повышенным (0,80 - 1,1 %)содержанием марганца, на что указывает буква «Г» в марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих — не более 0,05 %, у полуспокойных — не более 0,15 %, у спокойных — не более 0,30%.

Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t ₅₀. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпс b СтЗкп он составляет –20; –10 и 0 °С соответственно.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (σ_в) и текучести (σ_0,2) и снижается пластичность (δ, ψ,). Наиболее распространенная сталь СтЗсп имеет σ_в = 380 ÷ 490 МПа, σ_0,2 = 210 ÷ 250 МПа и δ = 25 ÷ 22 %, а Ст5сп σ_в = 500 ÷ 640 МПа, σ_0,2 = 240 ÷ 280 и δ = 20 ÷ 17. Чем больше толщина проката, тем ниже σ_в, σ_0,2, δ и ψ.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатанный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т.д.).

Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, СтЗкп), содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30—40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп и др.). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп).

8.3.2. Углеродистые качественные стали.

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Маркируют их двухзначными числами: 08, 10, 15, 20, …, означающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 - 45% С и т.д.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода < 0,25 %) 05кп, 08, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. σ_в = 330 ÷ 340 МПа, σ_0,2 = 200 ÷ 210 и δ = 33 ÷ 31 %. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколи-

стовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий.

Стали 15, 15кп, 20, 25 (σ_в = 380÷460 МПа, σ_0,2 = 230 ÷ 280 МПа и δ = 27÷23 %) чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии.

Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3—0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (σ_в = 500 ÷ 610 МПа, σ_0,2 = 360 МПа, δ = 21÷16 %). Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. После улучшения стали 40, 45, 50 имеют следующие механические свойства: σ_в = 600 ÷ 700 МПа, σ_0,2 = 400 ÷ ÷ 600 МПа, δ= 50 ÷ 40 % и KCU = 0,4 ÷ 0,5 МДж/м². Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Для повышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем (40Г, 50Г).

Стали с высоким содержанием углерода (0,6—0,85 % С) 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т. д.

Вопросы для повторения раздела.

1. Как классифицируются конструкционные стали?

2. Опишите влияние углерода на механические свойства сталей.

3. Как влияют постоянные примеси на свойства сталей?

4. Запишите марки сталей, относящихся к сталям обыкновенного качества и конструкционным качественным.

5. Какие стали, по способу раскисления, можно использовать при температурах –30º С?

6. Каким требованиям должна отвечать сталь для холодной штамповки?

7. В каких случаях используются среднеуглеродистые стали?