Классификация сталей

Стали, используемые в сварных металлоконстукциях, различаются по ряду признаков, отражающих их изготовление, служебные свойства и область применения. Важнейшими из этих признаков являются:

· способ выплавки и разливки стали;

· степень раскисленности;

· химический состав;

· состояние поставки;

· уровень (класс) прочности;

· категория (группа) качества по хладостойкости.

По способу выплавкиприменяемую в сварных металлоконструкциях сталь можно разделить на мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь.

До 1960 г. для металлоконструкций использовали почти исключительно сталь, выплавленную в мартеновских печах. В последующие периоды во всем мире получил большое распространение наиболее производительный способ выплавки в кислородных конверторах с использованием для продувки через расплавленный металл кислорода высокой чистоты не менее 99,5% О₂. Качество кислородно-конверторной стали не уступает качеству мартеновской, и с 1971 г. эти виды стали не разделяются.

С пуском крупных электродуговых печей, имеющих массу плавки 100-250 т и более, увеличилась выплавка стали в электропечах. Эта сталь отличается повышенной чистотой по содержанию вредных примесей - серы и фосфора.

В процессе электрошлакового переплава исходные заготовки (слябы) из стали мартеновской, кислородно-конвертерной или электростали переплавляются с нагревом электрическим током под слоем расплавленной шлаковой смеси специального химического состава. При этом содержание серы и кислорода уменьшается в 2-3 раза. Неметаллические включения, еще остающиеся в слитке, имеют малые размеры и равномерно распределены по объему.

По степени раскисленности сталь разделяется:

·кипящая (кп);

·полуспокойная (пс);

·спокойная (сп).

При выплавке стали в мартене или конвертере из передельного чугуна, содержащего 3-4 % углерода, окисление углерода (до содержания 0,06-0,25%С в стали) связано с образованием газообразных продуктов СО и СО₂, вызывающих кипение металлической ванны. Если не проводить раскисления, то кипение продолжается после выпуска плавки в ковш и после разливки ее в изложницы до затвердевания слитка. Такая сталь называется кипящей.

Выделение газообразных продуктов при кристаллизации слитка кипящей стали приводит к резкому усилению его неоднородности по содержанию С, S и P, называемой ликвацией. Головная (верхняя) часть и сердцевина слитка обогащены примесями. Зона максимального содержания ликвирующих элементов в слитке кипящей стали расположена на расстоянии 5-15 % высоты слитка от его верха, ликвация по углероду достигает 400 % и по сере 900% среднего содержания этих элементов в плавке.

Идущая в отход при прокатке головная часть слитка (обрезь) кипящей стали составляет 4-10 % его массы. Но и в оставшейся части слитка после его прокатки имеются обширные зоны ликвации с содержанием С до 0,3-0,4% и серы до 0,15% при среднеплавочном содержании С = 0,12-0,22 % и S <= 0,05%. В результате разные листы и профили, входящие в одну партию (плавку) кипящей стали, но изготовленные из разных частей слитка (головной, средней или донной), неодинаковы по содержанию C, S и P.

Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате, а также в ковше при выпуске из печи. При этом в жидкий металл вводятся энергичные раскислители: марганец, кремний. алюминий, иногда кальций или титан. Эти элементы обладают значительно большим сродством к кислороду, чем углерод, поэтому окисление углерода прекращается, и сталь перестает кипеть. Благодаря этому слитки спокойной стали гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящей. Ликвация по углероду лишь на 60%, а по сере на 110% превышает среднеплавочное содержание этих элементов.

Содержание кислорода в спокойной стали низкое. Наличие в химическом составе элементов-раскислителей и, главное, остаточного алюминия делает спокойную сталь менее склонной к росту зерна. Поэтому прочностные свойства и сопротивление хрупкому разрушению в более однородном и мелкозернистом прокате спокойной стали выше, чем в прокате кипящей стали.

Вместе с тем затвердевание слитка спокойной стали связано с образованием большой усадочной раковины. Для получения бездефектного тела слитка сталь разливают в изложницы с теплоизолирующими прибыльными надставками. Усадочная раковина образуется в верхней утепленной части слитка, которую перед прокаткой удаляют. Обрезь составляет 12-16% массы слитка. Поэтому выход годного проката из слитков спокойной стали меньше, чем из слитков кипящей. Вследствие этого, а также из-за большей продолжительности плавки за счет операции раскисления, дополнительного расхода ферросплавов и алюминия спокойная сталь дороже кипящей.

Низкое качество кипящей стали и небольшая технико-экономическая эффективность спокойной стали послужили стимулом к разработке варианта с промежуточной степенью раскисления – полуспокойной стали. Она выплавляется, как кипящая, но в ковше или при разливке в изложницы обрабатывается небольшим количеством раскислителей, гораздо меньшим, чем при выплавке спокойных сталей. Обычно применяют комплексное раскисление ферросилицием и алюминием. Быстрое прекращение кипения и затвердевание головной части слитка предотвращает развитие большой химической неоднородности. При этом для ликвации в слитках полуспокойной стали характерно превышение среднеплавочного содержания углерода на 80% и серы на 150%. Расстояние осевой ликвационной зоны от верха слитка составляет 15-30% его высоты; головная обрезь - 3-5% массы слитка.

Производство полуспокойных сталей характеризуется высокой технико-экономической эффективностью. В сравнении с производством спокойной стали выход годного проката из слитков выше на 8-10%, расход ферросилиция на раскисление снижен в 2-5 раз, алюминия в 5 раз, существенно уменьшается количество изложниц. Себестоимость и цена проката из полуспокойной стали на 2-9% ниже, чем из спокойной. Вместе с тем по качеству в части однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, сопротивления хрупкому разрушению и показателям прочности прокат полуспокойной стали уступает прокату спокойной стали, занимая промежуточное положение.

Химический состав стали- главная ее характеристика. Он определяет ее марку. При этом содержание химических элементов для данной марки стали задается не дискретно, а некоторым интервалом, в пределах которого изменение хим. состава не должно сопровождаться выведением свойств за границы гарантируемых уровней. Ширина интервала связана с возможностью сталеплавильного производства соблюдать заданную композицию.

Стали, в которых отсутствуют специальные добавки легирующих элементов или имеется лишь небольшое их количество, обусловленное технологией выплавки, называются углеродистыми.

По содержанию углерода различают стали:

- низкоуглеродистые (до 0,25 % С);

- среднеуглеродистые ( 0,3-0,6 % С);

- высокоуглеродистые (свыше 0,6 % С).

Для сварных металлоконструкций используются преимущественно стали с низким содержанием углерода. Они поставляются по ГОСТ 380-88, ГОСТ 14637-89 и ГОСТ 27772-88, а также сталь по ГОСТ 1050-88 главным образом в виде труб.

Стали, в которые специально вводятся добавки легирующих элементов для обеспечения требуемых свойств, называются легированными. Они могут содержать один, два, три и более легирующих элемента. Так, различают марганцовистую, хромистую, кремнемарганцовистую, хромоникелевую, хромоникельмолибденовую и другие легированные стали.

Легированные стали с небольшим содержанием легирующих элементов, обычно в сумме не превышающем 2-3 % по массе, и с низким содержанием углерода, используемые в строительстве, машиностроении, судостроении для изготовления сварных металлоконструкций, выделены в особую группу, их называют низколегированными. Прокат низколегированных сталей для металлоконструкций поставляется по ГОСТ 19281-89 (сортовой и фасонный), ГОСТ 19282-73 (листы и широкие полосы), ГОСТ 6713-91, ГОСТ 27772-88 и другим ТУ.

Стали с общим содержанием легирующих элементов от 3 до 10% - среднелегированные.

Стали с содержанием легирующих элементов более 10%, а одного легирующего элемента более 8%, называются высоколегированными. Они являются носителями особых свойств: коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности, хладостойкости при низких отрицательных (криогенных) температурах и др.

Марки стали

Маркировка всех легированных сталей однотипная: первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента; буквы - условное обозначение легирующих элементов; цифра после буквы - примерное содержание легирующего элемента (единица и меньшее значение не ставятся); буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная и имеет пониженное содержание серы и фосфора.

Таблица 1.1