Углеродистые и легированные стали
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали представляют собой сплавы железа Fe с углеродом C при неизбежном наличии примесей других химических элементов.
Легированные стали это тоже сплавы железа Fe с углеродом С, но с 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.
С возростанием цифры в марке стали обыкновенного качества группы А (табл.1.5) увеличиваются прочностьsв и твердость НВ, но снижается пластичность d 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.
a — толщина образца, мм; d — диаметр оправки При разливке стали в ней может оставаться кислород, который удаляется непосредственно в сталеразливочном ковше:
FeO+ C Fe+ CO2. Выделяющий 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 кипящие стали (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: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5,.БСт6. С ростом цифры в марке стали 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, %
Примечание: 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. М — мартеновская, Б — бессемеровская сталь. Например, мартеновская спокойная сталь: МСт2сп. Спокойные стали имеют более высокие ударные вязкости и сопротивление динамического разрушения. Качественные углеродистые стали подразделяются на две группы: с нормальным содержанием марганца (0, 5кп, 0, 8кп,...20, 25,...., 85.) и с повышенным(0, 7 …1, 2 % Mn) содержанием марганца (15Г, 20Г,..., 70Г) и содержат меньшее количество серы S (до 0, 04%) и фосфора Р (до 0, 03%), чем стали обыкновенного качества. Цифры в марках 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 0, 8кп, 0, 5кп 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, из сталей 45, 50 изготовляются коленчатые валы и другие ответственные 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, …), измерительного (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 т.д. Это достигается изменением химического состава стали. Сталь называется легированной, если в неё вводятся специальные (легирующие) элементы, изменяющие её свойства (табл. 1.7), или в ней имеется более 1% Si, или Mn. Эти легирующие элементы в буквенном виде включаются в марки сталей:
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* легирующих элементов на свойства сталей.
* 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 только одним элементом: хромистая (Cr), никелевая (Ni), ванадиевая (Wa); двумя, тремя и более элементами, например, хромоникелеванадиевая сталь 18Х2Н4В. Марка этой стали расшифровывается следующим образом: среднелегированная (2% хрома+ 4% никеля + 1% ванадия = 7% легирующих элементов) хромоникелеванадиевая сталь, содержащая 0, 18 % углерода, 2% хрома, 4% никеля и 1% вольфрама. Марка стали 40 ХН4А расшифровывается как высококачественная (индекс А в конце обозначения), среднелегированная (1% хрома +4% никеля=5% легирующих элементов) хромистоникелиевая 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 g область диаграммы железо-углерод, повышая точку А4 и снижая А3. Легирующие элементы 1 - ой 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. Они понижают точку А4 и повышают точку А3. Легирующие элементы 2 - ой 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 кремния 1, 5 …8%. 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, шестерён. Она хорошо сваривается. Применение низколегированных строительных сталей (10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС, 16Г2СД, 09Г2, 14Г2 и др.) позволяют снизить вес строительных конструкций, повысить коррозионную стойкость, снизить чувствительность к низким температурам и к старению. Горячекатанный прокат (листовой, швеллеры, двутавры, сталь угловую,) из углеродистых и низколегированных сталей, предназначенный для изготовления сварных строительных конструкций, вне зависимости от его химического состава (марки стали), а принимая во внимание только механические свойства (предел текучести sт), подразделяют на условные классы строительных сталей (табл. 1.8). Таблица 1. 8. Классы * строительных сталей
* - 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, из них изготовляются рабочие органы экскаваторов, драг и т.д. Легирующие добавки вводят в сталь при её 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). Основной характеристикой для арматурных сталей является предел текучести sт, т.к. в случае его превышения нарушается сцепление бетона с арматурным стержнем и появляются трещины в бетоне. Для увеличения предела текучести sт проводят упрочнение арматуры (рис.1.35) путем предварительного растягивания (Lр) стальных стержней арматуры на 3, 5 …5, 5 % их первоначальной длины (Lо). При растягивании происходят зональные разрушения в кристаллической решетке, возникает «наклеп», т.е. упрочнение материала в наименее «слабых» сечениях. После предварительного растяжения начальная длина стержня увеличивается до Lу, а площадка текучести sто после предварительного растяжения перемещается sту по оси ординат к верху. При работе предварительно деформированного стержня его растяжение происходит по пунктирной линии; прочность железобетона существенно возрастает, т.к. sт у> sто. Таблица 1. 9...
Механические свойства арматурной стали по классам.
Примечание: 1. Буквой с обозначена толщина оправки, буквой d — диаметр стержня. 2. Диаметр, указанный в скобках, применяют по согласованию потребителя с изготовителем.
|
