Углеродистые и легированные стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали представляют собой сплавы железа Fe ñ óãëåðîäîì C ïðè íåèçáåæíîì íàëè÷èè ïðèìåñåé äðóãèõ õèìè÷åñêèõ элементов.

Легированные стали — это тоже сплавы железа Fe с углеродом С, но со специально добавленными легирующими элементами (хром, марганец, кремний, титан, ванадий и другие химические элементы), придающими стали какие-то необходимые свойства. По назначению (рис. 1.31) углеродистые стали делятся на конструкционные и инструментальные.

По способу производства могут быть стали мартеновские, конверторные, бессемеровские, томасовские, кислородно-конверторные и электростали.

Конструкционные стали различаются по качеству (рис. 1.32):

— обыкновенного качества;

— качественные углеродистые;

— высококачественные.

По показателям нормирования качества стали обыкновенного качества подразделяются на три группы:

группа А — нормируются механические характеристики (s_в, s_т, d, изгиб);

группа Б — нормируется химический состав (C, Mn, Si и др.);

группа В — нормируются механические характеристики и химический состав.

С возрастанием цифры в марке стали обыкновенного
качества группы А (табл. 1.5) увеличиваются прочность
и твердость, но снижаются пластичность и ударная вязкость стали (рис. 1.33). Это происходит за счет изменения химического состава, в первую очередь — содержания углерода.

Таблица 1.5

Механические свойства сталей группы А

Марка

sв,

sт, МПа, для толщины в мм

d, %, для толщины в мм

Изгиб на 180° (для

стали

МПа

до 20

21–40

41–100

> 100

до 20

21–40

> 40

толщины до 20 мм)

Ст0

> 300

—

—

—

—

d = 2 a

Ст1кп

300–390

—

—

—

—

d = 0,5 a

Ст1пс, Ст1сп

310–410

—

—

—

—

d = 0,5 a

Ст2кп

320–410

d = a

Ст2пс, Ст2сп

330–430

d = a

Ст3кп

360–460

d = a

Ст3пс, Ст3сп

370–480

d = a

Ст3Гпс

370–490

d = a

Ст3Гсп

390–570

—

—

—

—

—

d = a

Ст4кп

400–510

d = 2 a

Ст4пс, Ст4сп

410–530

d = 2 a

Ст5пс, Ст5сп

490–630

d = 3 a

Ст5Гсп

450–590

d = 3 a

Ст6сп, Ст6сп

> 590

—

a — толщина образца, мм; d — диаметр оправки, мм

При разливке стали в ней может оставаться кислород, который удаляется непосредственно в сталеразливочном ковше:

FeO + C ® Fe + CO ₂.

Выделяющийся при раскислении углекислый газ в виде воздушных пузырьков создает иллюзию «кипения» стали.

В зависимости от степени раскисления стали могут быть: кипящими (кп), содержащими менее 0,05 % Si; спокойными

(сп), содержащими до 0,15–0,3 % Si; полуспокойными (пс). По стоимости êèïÿùèå ñòàëè (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) самые дешевые, но имеют порог хладноломкости на 30–40 % выше (рис. 1.34), чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп…).
Поэтому для ответственных сварных конструкций, особенно работающих при низких температурах в условиях Тюменского Севера, используют спокойные стали.

С повышением содержания углерода свариваемость сталей ухудшается, поэтому стали Ст5, Ст6 применяются для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Стали группы Б различаются (табл. 1.6) по химическому составу. С ростом цифры в марке стали (БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6) увеличивается содержание углерода, кремния и марганца. Естественно, что это приводит
к увеличению прочности и пластичности и к снижению ударной вязкости.

Таблица 1.6

Химический состав сталей группы Б, %

Марка стали	Углерод, С	Кремний, Si	Марганец, Mn
БСт0	Не более 0,23	—	—
БСт1кп		Не более 0,05	0,25–0,5
БСт1пс	0,06–0,12	0,05–0,17
БСт1сп		0,12–0,3
БСт2кп	0,09–0,15	Не более 0,07	0,25–0,5
БСт2пс	0,09–0,15	0,05–0,17
БСт2сп		0,12–0,3
БСт3кп		Не более 0,07	0,3–0,6
БСт3пс	0,14–0,22	0,05–0,17	0,4–0,65
БСт3сп		0,12–0,3
БСт3Гпс		Не более 0,15	0,8–1,1
БСт3Гсп	0,14–0,2	0,12–0,3
БСт4кп		Не более 0,07
БСт4пс	0,18–0,27	0,05–0,17	0,4–0,7
БСт4сп		0,12–0,3
БСт5пс	0,28–0,37	0,05–0,17	0,5–0,8
БСт5сп		0,15–0,35
БСт5Гпс	0,22–0,3	Не более 0,15	0,8–1,2
БСт6пс	0,38–0,49	0,05–0,17	0,5–0,8
БСт6сп		0,15–0,35

Примечания: 1. В стали марки БСт0 фосфора не более 0,07 %, серы — 0,06 %. 2. Во всех марках стали, указанных в таблице, кроме БСт0, фосфора не должно быть больше 0,04 %; серы — 0,05 %; хрома, никеля, меди — 0,3 % каждого элемента; мышьяка — 0,08 %.

Стали группы В нормируются как по химическому составу, так и по механическим характеристикам: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Стали обыкновенного качества выпускаются в виде
проката: швеллер, труба, лист, пруток, балка и т. д. Углеродистые стали специального назначения (мосто- и судостроения, сельскохозяйственного машиностроения) имеют дополнительные индексы. Например, для мостовых конструкций используется сталь Ст3мост.

По способу производства стали обозначаются: М — мартеновская, Б — бессемеровская. Например, мартеновская спокойная сталь МСт2сп. Спокойные стали имеют более
высокие ударные вязкости и сопротивления динамического разрушения.

Качественные углеродистые стали подразделяются
на две группы — с нормальным (05кп, 08кп, …, 20, 25, …, 85) и с повышенным (0,7–1,2 % Mn) содержанием марганца
(15Г, 20Г, …, 70Г) — и имеют меньшее количество серы S (до 0,04 %) и фосфора Р (до 0,03 %), чем стали обыкновенного качества.

Цифры в марке качественных углеродистых и легированных сталей означают сотые доли % содержания углерода в ней. По содержанию углерода в стали они делятся
на низкоуглеродистые (до 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) и высокоуглеродистые (свыше 0,5 % С).

Низкоуглеродистые стали 08кп, 05кп используются для листовой штамповки, а стали 10, 15, 20, 25 — для изготовления сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 применяются для изготовления (с нормализацией и поверхностной закалкой) деталей, подверженных большим нагрузкам, так, например, стали 45, 50 — для коленчатых валов и других ответственных деталей автотракторных двигателей.

Высокоуглеродистые качественные стали 55, 60, 65 и 70 используются для изготовления деталей (пружины, рессоры, зубчатые колеса и т. д.) с последующей их термической обработкой.

Высококачественные стали обозначаются буквой А
в конце марки: У7А, У8А, …, У13А, они содержат еще более низкое по сравнению с качественными сталями количество серы S (до 0,02 %) и фосфора Р (до 0,03 %).

Инструментальные качественные углеродистые стали (У7, У8, …, У13) используются для изготовления режущего (сверло, резец…), мерительного (линейки, калибры…)
и штамповочного инструмента. Цифра в марке инструментальных сталей показывает содержание углерода в десятых долях процента (в других марках — сотые доли процента).

Легированные стали

Углеродистые стали имеют недостаточную прочность, повышенную склонность к старению и низкую коррозийную стойкость, плохо прокаливаются, хрупки при низких температурах и т. д. Поэтому очень важно улучшить эксплуатационные характеристики сталей, получить стали с особыми свойствами, например, жаропрочные, нержавеющие и др. Это достигается изменением химического состава стали.

Сталь называется легированной, если в нее вводятся специальные (легирующие) элементы, изменяющие ее свойства (табл. 1.7), или в ней имеется более 1 % Si, или Mn. Эти легирующие элементы в буквенном виде включаются в марки сталей:

А — азот Г — марганец К — кобальт П — фосфор Т — титан Ц — цирконий

Б — ниобий Д — медь М — молибден Р — бор Ф — ванадий Ю — алюминий

В — вольфрам Е — селен Н — никель С — кремний Х — хром

Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях %, а цифры
после соответствующих букв — среднее содержание этого химического элемента в %. Если после буквенного обозначения нет цифры, то данного элемента находится в стали около 1 %.

Таблица 1.7

Влияние углерода и легирующих элементов на свойства сталей*

Характеристики	Легирующие элементы
	C	Cr	Ni	Mn	Si	W	V	Cu
Прочность на разрыв, sв	Ý	­	­	­	­	­	­	­
Предел текучести, sт	­	­	­	­	­	­	­	­
Относит. удлинение, d	ß			¯	¯	¯	¯
Твердость	Ý	­	­	­	­	­	­
Ударная вязкость, aн	¯	­	­	¯	ß	¯
Усталостная прочность	­						Ý
Свариваемость	¯				¯		­	¯
Коррозийная стойкость		­	­	­	¯		­	Ý

* Условные обозначения: ­ — повышает; Ý — значительно повышает; 0 — не влияет; ¯ — снижает; ß — значительно снижает.

По химическому составу легированные стали могут быть:

— низколегированными (суммарное количество легирующих элементов до 2,5 %);

— среднелегированными (2,5–10 % легирующих элементов);

— высоколегированными (> 10 % легирующих элементов).

Сталь может быть легирована одним (хромистая (Cr), никелевая (Ni), ванадиевая (Wa)), двумя, тремя и более элементами; например, хромоникелевольфрамовая сталь 18Х2Н4В. Марка этой стали расшифровывается следующим образом: среднелегированная (2 % хрома + 4 % никеля + 1 % вольфрама = 7 % легирующих элементов) хромоникелевольфрамовая сталь, содержащая 0,18 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля и 1 % вольфрама.

Марка стали 40ХН4А расшифровывается как высококачественная (индекс А в конце обозначения), среднелегированная (1 % хрома + 4 % никеля = 5 % легирующих элементов) хромоникелевая сталь, содержащая 0,4 % углерода, 1 % хрома и 4 % никеля.

Химические элементы могут образовывать с железом химические соединения и твердые растворы замещения.

Элементы первой группы — аустенитообразующие (Ni, Mn, C, N, Cu, Cd), расширяют область диаграммы железо–углерод. Легирующие элементы первой группы улучшают закалку. Легированный аустенит увеличивает прочность стали не только при комнатных, но и при
повышенных температурах, улучшает ее коррозионную стойкость.

Элементы второй группы — ферритообразующие (Al, Si, W, Ti, Mo, Cr) — сужают g-область и расширяют d-область. Легирующие элементы второй группы растворяются в феррите, изменяют его свойства
и, следовательно, свойства стали в целом.

Легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и со специальными химическими свойствами (жаропрочные, нержавеющие и т. д.).

Низколегированные конструкционные стали широко
используются в строительстве и машиностроении. Это следующие стали:

Марганцовистые стали (15Г, 20Г, …, 30Г, 40Г и др.)
содержат 0,7–1,8 % марганца, который образует с ферритом и аустенитом твердый раствор, а с углеродом — карбиды.

Кремнистые стали (50С2, 55С2, 60С2, 70С3А) содержат 1,5–3 % кремния. Из них изготовляются рессоры и пружины.

Хромистые конструкционные стали (15Х, 20Х, …, 50Х), содержат около 1 % хрома. У них улучшается закалка,
но пластичность после закалки почти не снижается, а твердость увеличивается.

Хромомолибденовая сталь 35ХМА используется для
изготовления высоконагруженных болтов, шпилек, валов, шестерен. Она хорошо сваривается.

Применение низколегированных строительных сталей (10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС, 16Г2СД, 09Г2, 14Г2 и др.) позволяет снизить вес строительных конструкций, повысить коррозионную стойкость, снизить чувствительность
к низким температурам и к старению.

Горячекатанный прокат (листовой, швеллеры, двутавры, сталь угловая) из углеродистых и низколегированных сталей, предназначенный для изготовления сварных строительных конструкций, вне зависимости от его химического состава (марки стали), а с учетом только механических свойств (предел текучести s_т) подразделяют на условные классы строительных сталей (табл. 1.8).

Таблица 1.8

Классы строительных сталей*

Уровни прочности	Класс стали	Предел текучести (не ниже), МПа	Марки сталей
Обычной -/- -/- -/- -/- Повышенной -/- -/- -/- -/- -/- Высокой -/- -/-	С-235 С-245 С-255 С-275 С-285 С-345 С-345Т С-345К С-375, С-375Д С-390, С=390Т С-390К С-440 С-590 С-590К	-/- -/- -/- -/-	Ст3кп2, 18кп Ст3пс6, Ст3сп5,18пс Ст3Гпс5,Ст3Гсп6,18Гсп Ст3пс6 Ст3сп5, Ст3Гсп5 09Г2С, 12Г2С, 14Г2 15ХСНД, Ст3Тпс 10ХНДП 12Г2С,12Г2СД 14Г2АФ,10Г2С1,10ХСНД 15Г2АФД 16Г2АФ 12Г2СМФ 12ГН2МФАЮ

* Буквенные обозначения в классах: С — сталь строительная;
К и Д — варианты химического состава.

Нержавеющие стали содержат 0,1–0,45 % С, 12–14 % Cr. Окись хрома защищает изделие от разрушения в агрессивной среде. Высокой коррозионной стойкостью обладают
и хромоникелевые сплавы (0,12–0,14 % С; 17–20 % Cr;
8–11 % Ni).

Износостойкие стали — это марганцовистые стали,
содержащие 0,9–1,1 % С и 12–14 % Mn, èç íèõ èçãîòîâëÿþò ðàáî÷èå îðãàíû ýêñêàâàòîðîâ, äðàã è ò. ä.

Легирующие добавки вводят в сталь при ее производстве в виде ферросплавов: ферросилициума, ферромарганца
и феррохрома. Ферросплавы получают в доменных печах, но чаще их производят из руды или рудного концентрата методом восстановления в электропечах.

Из многих легирующих элементов особое место занимает по эффективности ванадий, причем он гораздо дешевле многих других легирующих элементов. Стали, упрочненные соединением ванадия с азотом, хорошо работают при низких температурах в условиях Крайнего Севера.

Ванадиевые (всего 0,06–0,12 % ванадия) стали только на 3–10 % дороже обычных углеродистых сталей, но в ряде случаев срок службы изделий повышается вдвое, существенно снижается вес узлов и машин в целом. Так, крановые колеса и шестерни, изготовленные из ванадиевого сплава, долговечнее обычных в 1,5–2 раза. Опорные катки гусеничных тракторов, изготовленные из ванадиевой стали, становятся долговечнее на 30 %.

Арматурные стали

Имеется 7 классов (табл. 1.9) арматурной стали: А-I — круглого профиля; А-II, …, А-VI — периодического профиля (для повышенного сцепления с бетоном).

Таблица 1.9

Механические свойства арматурной стали по классам

Класс арматурной стали	Диаметр стержня, мм	Марка стали	Предел текучести sт, МПа	Временное сопроòив­ление разрыву sв, МПа	Относи­тельное удлинение d L, %	Испытание на изгиб в холодном состоянии
А-I	6–40   6–18	Ст3кп3, Ст3пс3, Ст3сп3, ВСт3кп2, ВСт3пс2, ВСт3сп2 ВСт3Гпс2				На 180° с = 0,5 d
А-II	10–40   40–80	ВСт5сп2, ВСт5пс2 18Г2С				На 180° с = 3 d
Ac-II	10–32 (36–40)	10ГТ				На 180° с = d
A-III	6–40 6–22	35ГС, 25Г2С 32Г2Рпс				На 90° с = 3 d
A-IV	10–18 (6–8) 10–32 (36–40)	80С   20ХГ2Ц				На 45° с = 5 d
A-V	(6–8) 10–32 (36–40)	23Х2Г2Т				На 45° с = 5 d
A-VI	10–22	22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р, 20Х2Г2СР				На 45° с = 5 d

Примечания: Буквой с обозначена толщина оправки, буквой d — диаметр стержня. Диаметр, указанный в скобках, применяют по согласованию потребителя с изготовителем.

Основной характеристикой для арматурных сталей
является предел текучести s_т, т. к. в случае его превышения нарушается сцепление бетона с арматурным стержнем,
и появляются трещины в бетоне. Для увеличения ïðåäåëà текучести s_т проводят упрочнение арматуры (рис. 1.35)
путем предварительного растягивания (L _р) стальных стержней арматуры на 3,5–5,5 % их первоначальной длины (L ₀).

При растягивании происходят зональные разрушения
в кристаллической решетке, возникает «наклеп», т. е. происходит упрочнение материала в наименее «слабых» сечениях. После предварительного растяжения начальная длина стержня увеличивается до L _ó, à ïлощадка текучести s_то после предварительного растяжения s_ту перемещается
по оси ординат выше.

При работе предварительно деформированного стержня его растяжение происходит по пунктирной линии; прочность железобетона существенно возрастает, т. к. s_ту > s_то.

Дата добавления: 2014-12-16