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.
|
Марка |
sв, МПа |
sт, МПа для толщины в мм |
d, %, для толщины в мм |
Изгиб на 180° для |
||||||||
|
стали |
|
до 20 |
21..40 |
41.100 |
> 100 |
до 20 |
21…40 |
> 40 |
толщины до 20 мм |
|||
|
Ст 0 |
> 300 |
— |
— |
— |
— |
23 |
22 |
20 |
d = 2a |
|||
|
Ст1кп |
300 …390 |
— |
— |
— |
— |
35 |
34 |
32 |
d = 0,5a |
|||
|
Ст1пс,Ст1сп |
310 — 410 |
— |
— |
— |
— |
34 |
33 |
31 |
d = 0,5a |
|||
|
Ст2кп |
320 …410 |
215 |
205 |
195 |
185 |
33 |
32 |
30 |
d = a |
|||
|
Ст2пс, Ст2сп |
330 …430 |
225 |
215 |
205 |
195 |
32 |
31 |
29 |
d = a |
|||
|
Ст3кп |
360 …460 |
235 |
225 |
215 |
195 |
27 |
26 |
24 |
d = a |
|||
|
Ст3пс, Ст3сп |
370…480 |
245 |
235 |
225 |
205 |
26 |
25 |
23 |
d = a |
|||
|
Ст3Гпс |
370…490 |
245 |
235 |
225 |
205 |
26 |
25 |
23 |
d = a |
|||
|
Ст3Гсп |
390… 570 |
— |
245 |
— |
— |
— |
24 |
|
d = a |
|||
|
Ст4кп |
400…510 |
255 |
245 |
235 |
225 |
25 |
24 |
22 |
d = 2a |
|||
|
Ст4пс,Ст4сп |
410…530 |
265 |
255 |
245 |
235 |
24 |
23 |
21 |
d = 2a |
|||
|
Ст5пс, Ст5сп |
490…630 |
285 |
275 |
265 |
255 |
20 |
19 |
17 |
d = 3a |
|||
|
Ст5Гсп |
450… 590 |
285 |
275 |
265 |
255 |
20 |
19 |
17 |
d = 3a |
|||
|
Ст6сп,Ст6сп |
> 590 |
315 |
305 |
295 |
295 |
15 |
14 |
12 |
— |
|||
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, %
|
Марка стали |
Углерод, С |
Кремний, Si |
Марганец, Mn |
|
БСт0 |
Не более 0,23 |
— |
— |
|
БСт1кп |
0,06 …0,12 |
Не более 0,05 |
0,25 … 0,5 |
|
БСт1пс |
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 |
0,14 …0,22 |
Не более 0,07 |
0,3 …0,6 |
|
БСт3пс |
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 |
0,18 …0,27 |
Не более 0,07 |
0,4 … 0,7 |
|
БСт4пс |
0,05… 0,17 |
||
|
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 |
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:
|
В-вольфрам, Ф-ванадий, К-кобальт, С-кремний, М-молибден, Г-марганец, |
Д-медь, 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 нет цифры, то данного элемента находится в стали около 1%.
Таблица 1. 7. Влияние* легирующих элементов на свойства сталей.
|
Характеристики |
Влияние легирующих элементов |
||||||||
|
C |
Cr |
Ni |
Mn |
Si |
W |
V |
Cu |
||
|
Прочность на разрыв, sв Предел текучести, sт Относит. удлинение,d Твердость Ударная вязкость, aн Усталостная прочность Свариваемость |
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.
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
|
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 |
235 245 255 275 285 345 -/- -/- 375 390 -/- 440 590 -/- |
Ст3кп2, 18кп Ст3пс6, Ст3сп5,18пс
|