Конструкционные материалы общего назначения

Сталь, ее классификация

Сталь - широко известный сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами Si, Mn, S и P. Важнейший материал, продукт черной металлургии. Является материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.

Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.

Углеродистая сталь, из которой изготовляют основную массу проволоки, не содержит специальных добавок, но всегда имеет небольшое количество неизбежных примесей. Кроме того, она может содержать небольшое количество никеля, хрома, меди и других элементов. Примеси попадают в сталь из руды, лома, топлива и раскислителей, применяемых при выплавке стали.

o Конструкционная углеродистая сталь содержит от 0,05 до 0,75 % С. В зависимости от содержания углерода стали присваивают определенную марку.

o Инструментальная углеродистая сталь содержит от 0,60 до 1,25 % С. Марки инструментальной углеродистой стали: У7, У8, У9, У10 и У12. Их обозначение также определяется содержанием углерода. Кроме того, широко используются высококачественные инструментальные углеродистые стали с пониженным содержанием серы и фосфора (вредных примесей). В конце обозначения таких сталей имеется еще буква А (например, У8А, У10А и др.).

o Автоматная сталь с содержанием углерода от 0,08 до 0,45 % отличается повышенным содержанием серы (0,08-0,3 %) и фосфора (0,08-0,15 %), что позволяет легче вести обработку резанием. Эта сталь используется для производства калиброванного металла.

o Легированная сталь содержит один или не сколько легирующих элементов (хром, никель, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт и др.), которые вводят с целью получения заданных свойств. Для удобства основные элементы, вводимые в легированную сталь, обозначают условно русскими буквами, а их количества - числами. Приняты следующие обозначения: X - хром, Н - никель, Т - титан, Г - марганец, П - фосфор, М -молибден, Д - медь, С - кремний, Ф - ванадий, Ю - алюминий, В - вольфрам, К - кобальт.

1. Классификация сталей

Стали классифицируются по множеству признаков.

1. По химическому составу: углеродистые и легированные.

Углеродистые:

По содержанию углерода:

· низкоуглеродистые, с содержанием углерода до0,25 %;

· среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3-0,6 %;

· высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше0,7 %.

Легированные:

· низколегированные – до 1 % легирующих элементов;

· среднелегированные – до 12 % легирующих элементов;

· высоколегированные – до 40 % легирующих элементов.

2. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

3. По назначению:

· конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

· инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;

· специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

4. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора:

· , – углеродистые стали обыкновенного качества:

· – качественные стали;

· – высококачественные стали.

5. По степени раскисления:

• спокойные СП – раскисленные Mn, Si, Al;
• полуспокойные ПС – промежуточные между СП и КП;
• кипящие КП – раскисленные Mn.

6. По способу выплавки:

· в мартеновских печах;

· в кислородных конверторах;

· в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

1.1. Влияние углерода

Влияние углерода на свойства сталей, в основном, определяется свойствами цементита (закон аддитивности) и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 1.

	Рис. 1. Влияние содержания углерода на механические свойства стали.

Изменение соотношения между цементитом и ферритом составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости.

При увеличении содержания углерода до 1,2 % (рис. 1) возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1 %С повышает температуру порога хладноломкости на 20°С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Однако увеличение прочности происходит лишь до тех пор, пока содержание углерода не достигнет 0,8-1 %. После этого в структуре стали по границам зерен перлита появляется сетка хрупкого цементита, которая легко разрушается при нагрузках. Чтобы получить зернистый перлит, устранив сетку цементита, заэвтектоидные стали подвергают отжигу.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических, таких как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне - и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.