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.

Углеродистые стали: Fe + С(<2 %)+примеси (S, P, N и др).

  Легированные стали:    - / -     + легирующие элементы (Cr, Mn, Si, …).

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.3.7) 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.3.8):

- обыкновенного качества;

- качественные углеродистые;

- высококачественные.

Стали обыкновенного качества разделяются на три группы по нормируемым характеристикам качества:

Группа А – нормируются механические характеристики (sв, sт, d, изгиб; см. приложение 1).

Группа Б - нормируются химические характеристики (содержание в сталях углерода С, марганца Mn и кремния Si; см. приложение 2)

Группа В - нормируются механические и химические характеристики (см. приложения 1 и 2)

 С возрастанием цифры в марке стали обыкновенного качества группы А (прил. 1) увеличиваются прочность и твердость, но снижается пластичность и ударная вязкость стали. Это происходит за счет изменения химического состава, в первую очередь, содержания углерода.

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

Выделяющий при раскислении углекислый газ в виде газовых 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.3.9), чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп,…), поэтому для ответственных сварных конструкций, особенно работающих при низких температурах в условиях Тюменского Севера, используют спокойные стали.

Спокойные стали имеют более высокие значения ударной вязкости и сопротивления динамического разрушения.

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

Стали группы Б различаются (прилож. 2) 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.

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 различаются стали: М — мартеновская, Б — бессемеровская. Например, мартеновская спокойная сталь: МСт2сп.

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, 20Г2,...,70Г) и содержат 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 С в ней. По содержанию углерода стали (рис.3.10) 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, 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 т. д. Это достигается изменением химического состава стали.

Сталь называется легированной, если в неё вводятся специальные (легирующие) элементы, изменяющие её свойства (табл. 3.4),или в ней имеется более 1% Si, или Mn. Эти легирующие элементы в буквенном виде указываются в марках сталей:

В- вольфрам, Ф- ванадий, К- кобальт, С - кремний, М- молибден, Д - медь,

Г- марганец, Н - никель, Т- титан, Х - хром, Р- бор, П - фосфор,

А - азот, Ю - алюминий, Б - ниобий, Е - селен, Ц - цирконий.

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 химического элемента нет цифры, то доля данного элемента в стали  составляет 0,5…1,5 %.

По химическому составу легированные стали могут быть:

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

- среднелегированными (2,5 …10 % легирующих элементов);

- высоколегированными (свыше 10 % легирующих элементов).

Сталь может быть легирована только одним элементом: хромистая (Cr), никелевая (Ni), ванадиевая (Wa); двумя, тремя и более элементами, например, 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.

Таблица 3.4

Влияние^* легирующих элементов на свойства сталей

Характеристики	Легирующие элементы
	C	Cr	Ni	Mn	Si	W	V	Cu
Прочность на разрыв, sв Предел текучести, sт Относительное удлинение,d Твердость Ударная вязкость, aн Усталостная прочность Свариваемость Коррозийная стойкость	Ý ­ ß Ý ¯ ­ ¯ 0	­ ­ 0 ­ ­ 0 0 ­	­ ­ 0 ­ ­ 0 0 ­	­ ­ ¯ ­ ¯ 0 0 ­	­ ­ ¯ ­ ß 0 ¯ ¯	­ ­ ¯ ­ ¯ 0 0 0	­ ­ ¯ ­ 0 Ý ­ ­	­ ­ 0 0 0 0 ¯ Ý

^* Условные обозначения: ­ -повышает; Ý - значительно повышает;

0- не влияет; ¯ - снижает; ß - значительно снижает.

 

Марка стали 40ХН4А расшифровывается как высококачественная (индекс А в конце обозначения), среднелегированная (1 % хрома +4 % никеля =5 % легирующих элементов), хромистоникелевая сталь, содержащая 0,4 % углерода, 1 % хрома и 4 % никеля. Химические элементы могут образовывать с железом, как химические соединения, так  и твердые растворы замещения.

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 …3%. 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.

Горячекатаный 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 (прил. 3).

Нержавеющие стали содержат 0,1 …0,45 % С и 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 изготовляют рабочие органы экскаваторов, драг и т.д.

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

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 деталей, изготовленных из обычных сталей, в 1,5 …2 раза. Опорные катки гусеничных тракторов, изготовленные из ванадиевой стали, становятся долговечнее на 30%.

Арматурные стали

Прочность сцепления арматуры с бетоном во многом определяется материалом и профилем поверхности арматурного стержня, свойствами бетона и технологией его укладки.

Показателем качества стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение, обозначаемый:

А - для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры;

В - для холоднодеформированной арматуры.

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.

Класс арматуры соответствует гарантированному значению предела текучести в МПа, установленному в соответствии с требованиями стандартов и технических условий, и принимается в пределах от А240 до А1500 и от В500 до В2000.

Арматурные стали подразделяются на классы в зависимости от минимального значения предела текучести (Н/мм²) и эксплуатационных характеристик (С - свариваемая; К - стойкая против коррозионного растрескивания). Свариваемость проката обеспечивается технологией и химическим составом стали, из которой он изготовлен.

Имеется 7 классов (прил. 4) арматурной стали: А - I — круглого сечения; А -II …А -VI — периодического профиля (для лучшего сцепления с бетоном).

Способы увеличения значения sт (повышения уровня площадки текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 2.15) следующие:

-легирование стали такими редко используемыми легирующими химическим элементами как бор, азот, алюминий, цирконий (прил.4);

-упрочнение арматуры (рис.3.11) путем предварительного растягивания (Lр) стальных стержней арматуры на 3,5 …5,5 % от их первоначальной длины (Lо).

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 Lу, а площадка текучести sто после предварительного растяжения перемещается sту по оси ординат выше.

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

Разрушения по железобетону и аварии происходят из-за хрупкого разрушения арматуры или узлов. При использовании более пластичного материала арматуры происходит перераспределение нагрузок, поэтому бетон и арматура работают надежнее.

По европейским стандартам свариваемая арматура должна иметь содержание углерода не более 0,22%, а углеродный потенциал не более 0,52 %. Этим условиям отвечает арматура класса А500С. За счет низкого содержания углерода и в результате термомеханического упрочнения в потоке проката она практически не ломается при изгибе, как по целому металлу, так и по сварным соединениям всех видов, в том числе и по дуговым прихваткам, часто используются при монтаже зданий.

Переход на арматуру А500C и В500С – это переход на уровень европейских стандартов.

У американцев и японцев категорически запрещена сварка на монтаже. Ее заменяют вязкой или механическим соединениями арматуры. Очень эффективно применение вместо нахлесточной или ванной сварки механических соединений арматуры (спрессованные втулки, винтовые соединения и др.).