Углеродистые и легированные стали

В практике чистое железо не используется, а применяются сплавы железа с углеродом и легирующими элементами: хромом, марганцем, кремнием, никелем, вольфрамом и др.

Подбором химических элементов и их концентрацией, проведением различных видов термической обработки материалов получают необходимые механические характеристики материалов, обеспечивающие не только работоспособность, но и высокую долговечность изделий. Кроме того, можно получить сплавы со специфическими свойствами жаропрочности, коррозийной стойкости, повышенной износостойкости и д.р.

Углеродистые стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь состоит в основном из двух химических элементов (железа и углерода), а легированные – из железа, углерода и специально введенных в сплав легирующих добавок. Механические свойства сталей зависят от содержания углерода (рис.15).

При малом содержании углерода (от 0,05 до 0,3 %) сталь хорошо прокатывается в листы, гнется, штампуется и вытягивается в холодном состоянии, хорошо сваривается и режется кислородом, но практически не закаливается, имеет относительно низкую твердость и износостойкость. Это строительные стали, из них прокаткой изготовляют трубы, листы, сталь угловую, швеллеры, двутавры и другой сортовой прокат, используемый для изготовления строительных конструкций.

Небольшое количество углерода (до 0,0001 %) может помещаться в свободных местах кристаллической решетки, большая же часть углерода находится в химически связанном с железом состоянии – в виде цементита Fe₃C.

Углеродистая сталь представляет собой смесь зерен железа и карбидов железа. Первые называются в металловедении – ферритом, а вторые – цементитом.

Стали с содержанием углерода 0,3…0,8 % называют машиностроительными. Из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3…0,45 % делают валы и оси, а из высокоуглеродистых сталей (0,5…0,8 % углерода) – шестерни, рельсы и др.

Стали, содержащие углерода 0,7…1,3 %, называют инструментальными, из них изготовляют режущий инструмент (сверла, метчики, плашки, резцы и др.). Стали с содержанием углерода 0,3…1,3 % закаливаются и становятся более твердыми и износостойкими; чем больше в этих сталях углерода, тем они становятся тверже и прочнее, но хуже обрабатываются и свариваются. С увеличением прочности и твердости стали снижаются ее вязкость и пластичность. Сталь называется углеродистой (нелегированной) если в ней кроме углерода нет других легирующих элементов. Естественно, в сталях есть примеси химических элементов (сера, фосфор, марганец, кремний и т.д.), которые попали в нее из исходных веществ при производстве стали, т.е. из железной руды, угля, металлолома и чугуна.

При содержании углерода 0,8% (точка S – эвтектоидная точка) сплав железа и цементита носит название перлита. Он имеет слоистое строение зерна; в мягкой основной массе феррита параллельно друг другу располагаются мельчайшие твердые пластинки цементита. Стали с содержанием углерода меньше 0,8 % называются доэвтектоидными, с 0,8 % – эвтектоидными и свыше 0,8 % - заэвтектоидными. У сталей с содержанием углерода 0,8…2,1 % сплав представляет собой механическую смесь перлита и цементита, количество последнего увеличивается с ростом содержания углерода.

Высокоуглеродистые стали по сравнению с низкоуглеродистыми более прочные и твердые, но менее пластичны и более хрупки. Поэтому содержание углерода, определяя свойства сталей, делит их на группы назначения: строительные – невысокая пластичность и ударная вязкость; инструментальные – более высокая твердость; машиностроительные по сравнению со строительными сталями имеют более низкие значения ударной вязкости и пластичности, но повышенные - прочности и твердости.

Стали классифицируются (рис.16, 17) по следующим признакам: по химическому составу (углеродистые и легированные); по назначению (строительные, машиностроительные и инструментальные); по способу производства (мартеновские, бессемеровские, электростали и др.); по качеству (обыкновенные, качественные и высококачественные).

Стали обыкновенного качества делятся на три группы: А, Б и В.

Группа А это стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 (приложение 1). У этих сталей нормируются механические свойства (s_в, s_т, d). Цифра в марке стали означает ее условный номер и изменяется от 0 до 6; чем больше эта цифра, тем больше значение s_в и s_т. С увеличением цифры в марке стали от 0 до 6 несколько возрастает содержание углерода в стали. Индексы Б и В указываются только в марках сталей группы Б и В, а индекс А у сталей группы А опускается.

Имеются разновидности сталей группы А по раскислению (кп, сп, пс) и по содержанию марганца: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп,

У сталей группы Б нормируется химический состав по углероду (от 0,23 до 0,49%), кремнию (0,05…0,35 %) и марганцу (0,25…1,2 %): БСт0, БСт1,…БСт6 (приложение 2). Повторяются те же разновидности сталей как и у группы А по раскислению и по содержанию марганца: БСт0, БСт1кп, БСт1пс,…БСт6.

У сталей группы В нормируется химический состав и механические свойства: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5 (в отличие от сталей групп А и Б в группе В нет сталей Ст0, Ст6).

По степени раскисления стали делятся на:

– кипящие стали (большое содержание кислорода в окислах железа и менее 0,005 % Si), имеющие более низкий порог хладноломкости, поэтому эти стали (Ст1кп, БСт1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) не следует применять для строительных конструкций, работающих при низких температурах;

– спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп,…), которые более надежны при низких температурах;

– полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс,…).

В конце марки указываются ее категория (от 1 до 6, причем цифра 1 для стали категории 1 не указывается).

Примеры расшифровки марок сталей обыкновенного качества: сталь Ст2кп3 – сталь обыкновенного качества группы А (нормируются механические свойства), марки Ст2, кипящая, 3-ей категории; сталь ВСт4кп4 – сталь обыкновенного качества, группы В (нормируются механические свойства и химический состав), марки Ст4, кипящая, 4-ой категории.

Качественные углеродистые стали (приложение 3) могут быть с обычным содержанием марганца (05кп, 08кп, …25, …85) и с повышенным (15Г, 20Г, …85Г). Цифра в марке качественных сталей означает содержание углеродав сотых долях %,а индекс Г указывает на наличие марганца (1%). По содержанию углерода стали делятся на: низкоуглеродистые (С<0,3%), среднеуглеродистые (С=0,3…0,5%) и высокоуглеродистые (С>0,5%).

Примеры расшифровки марок качественных сталей: сталь 45- среднеуглеродистая сталь, содержащая 0,45% углерода; сталь 08кп - низкоуглеродистая сталь, содержащая 0,08% углерода, кипящая; сталь 70Г2- высокоуглеродистая сталь, содержащая 0,7% углерода и 2% марганца.

Высококачественные стали содержат меньшее количество вредных примесей (S < 0,02 %, Р < 0,03 %) и обозначаются индексом А в конце марки стали. Например: У8А – высококачественная, высокоуглеродистая, инструментальная сталь, содержащая 0,8 % углерода.

Ориентировочное применение марок углеродистых сталей в строительстве и машиностроении:

1. Стали обыкновенного качества используют в конструкциях, не подвергающих динамическим нагрузкам и влиянию низких температур.

2. Стали 08кп, 05кп для листовой штамповки в автомобилестроении и других отраслях.

3. Стали Ст0, Ст1, …Ст2, Ст08, …Ст25 для изготовления листа, швеллера и др.

4. Стали 10, 15, …,25 для сварных и клепаных конструкций (без последующей термообработки).

5. Стали Ст3кп, Ст5, МСт3кп, ВСт5 и др. для изготовления каркасов железобетонных изделий (Приложение 3).

6. Стали МСт1кп, МСт2кп, …МСт3пс для изготовления листовых конструкций, резервуаров и трубопроводов.

7. Стали 30, 35, 40 для деталей (валы, оси, шестерни), работающих при больших нагрузках (подвергаются нормализации и закалке).

8. Стали 45, 50 для изготовления валов.

9. Стали 55, 60, 65 и 70 для изготовления пружин, рессор, шестерен (закалка и отпуск).

Легированные стали

Легированными называют стали, в которые специально введены легирующие вещества, изменяющие их свойства (приложение 4).

Легированные стали делятся по химическому составу, по степени легирования (низколегированные – суммарное количество легирующих элементов до 2,5 %; среднелегированные – 2,5…10 %, высоколегированные – свыше 10 % легирующих элементов), по структуре (аустенитные, ферритные, карбидные) и по назначению (строительные, машиностроительные, износостойкие, высокопрочные, жаростойкие, химически стойкие и др.).

Буквы в обозначении марки легированной стали означают присутствие тех или иных химических элементов в стали, а цифры после них – содержание легирующих элементов в % (не сотые или десятые, а целые %). Если содержание химического элемента не превышает 1,5 %, то цифра не ставится, а если стоит буква А в конце марки, то эта сталь высококачественная. Цифры, стоящие перед первой буквой – символом легирующих элементов, означают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, а в инструментальных – в десятых долях процента.

Например: 40ХН4А – высококачественная, хромоникелевая, среднелегированная, сталь, содержащая 0,4 % углерода, 1 % хрома и 4 % никеля; сталь 15ГС –

марганца и 1% кремния; сталь 08Х18Н10Т - высоколегированная, хромистоникелевотитановая сталь, содержащая 0,08% углерода, 18 % хрома, 10% никеля и 1% титана.

Легирующие элементы влияют на те или иные свойства сплава и область его применения (приложения 4, 5). Так, вольфрам придает стали твердость, марганец – износостойкость, кремний – упругость, никель – вязкость, молибден – жаропрочность, хром и никель – кислотоустойчивость.

Химические элементы образуют с железом химические соединения (FeSi, Fe₃W, FeCr) или твердые растворы замещения. Легирующие элементы (Mn, Ni, Cu, …) 1-й группы (аустенитообразующие) расширяют область g - железа (повышают точку А₄ и снижают А₃), этим самым улучшается закаливаемость сталей, а это приводит к увеличению твердости, прочности и снижению упругости. Легирующие элементы (Al, Si, W, Ti, Mo, Cr) 2-й группы (ферритообразующие) растворяются хорошо в феррите и изменяют его свойства, улучшая механические свойства сплава в целом.

По назначению (рис.17) легированные стали подразделяются аналогично углеродистым сталям на конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами (жаропрочные, нержавеющие и др.).

Арматурные стали изготовляют из углеродистых сталей обыкновенного качества и легированных сталей (приложение 6).

При расшифровке марки стали (табл. 4) по аналогии с вышеприведенными примерами указать легированная или углеродистая сталь, марку и вид стали, содержание химических элементов, степень раскисления, и другие показатели.

Таблица 4.

Варианты марок сталей.