Конструкционные стали общего назначения.

Влияние углерода и примесей на свойства стали. Углерод существенно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. В стали имеются две фазы – феррит и цементит. Количество цементита возрастает пропорционально содержанию углерода. Феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твёрдостью, а цементит, наоборот, очень низкой пластичностью и высокой твёрдостью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2% снижается пластичность и вязкость стали и повышается её твёрдость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет также и на технологические свойства стали: ковкость, свариваемость и обрабатываемость резанием ухудшаются, а литейные свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали присутствуют постоянные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими особенностями производства стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случайные примеси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для удаления вредных примесей оксида железа FeO. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа. При этом содержание марганца обычно не превышает 0,8%, а кремния – 0,4%. Марганец повышает прочность, а кремний − упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристаллическую решётку, снижая при этом пластичность, но повышая прочность. Вредное влияние фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние, т.е. вызывает её хладноломкость. Вредность фосфора усугубляется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. Поэтому содержание фосфора в стали ограничивается величиной 0,045%.

Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по границам зёрен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ограничено 0,05%.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свойства стали.

Классификация сталей. В зависимости от химического состава стали могут быть:

− углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси и

− легированными, содержащими дополнительно легирующие элементы, вводимые в сталь с целью изменения её свойств.

Как углеродистые, так и легированные стали делят на:

– низкоуглеродистые (содержание углерода до 0,25%);

– среднеуглеродистые (содержание углерода – 0,25…0,7%);

– высокоуглеродистые (содержание углерода более 0,7%).

По назначению различают стали:

– конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений;

– инструментальные, идущие на изготовление различного инструмента;

– стали специального назначения с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми электрическими и магнитными свойствами и др.

Качество сталей определяется количеством в её составе серы и фосфора.

Углеродистые стали делятся на стали:

– обыкновенного качества (фосфора не более 0,04%, серы не более 0,05 %);

– качественные (фосфора не более 0,035%, серы не более 0,04 %);

– высококачественные (фосфора не более 0,025%, 0,025%);

– особо высококачественные (фосфора и серы не более, чем по 0,025%).

Углеродистые конструкционные стали могут быть только обыкновенного качества и качественными. В общем объёме производства сталей углеродистые конструкционные стали составляют примерно 80%.

Углеродистая сталь обыкновенного качества. Углеродистые стали обыкновенного качества поставляются в соответствии с ГОСТ380-94. и их подразделяют на три группы:

– группа А – сталь с гарантированными механическими свойствами;

– группа Б – сталь с гарантируемым составом и

– группа В – сталь с гарантированными составом и механическими свойствами.

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст, что означает сталь, и цифрами, обозначающими порядковый номер. Выпускается семь марок этих сталей.

Для стали группы А (Ст0, Ст1, Ст3,…Ст6) требование к механическим свойствам изменяется в интервалах: предел текучести σ_т=(200…300) мПа, временное сопротивление (предел прочности) σ_в =(310…600 )мПа, остаточное относительное удлинение δ – от 22% до 14%. Прочность стали тем выше, а пластичность тем ниже, чем больше номер её подгруппы (числа 0, 1, 2…6 в маркировке стали обыкновенного качества обозначают номер подгруппы). Содержание углерода в маркировку этих сталей не входит.

Аналогичное обозначение сталей группы Б и В: БСт3, ВСт2 и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества применяют для изготовления деталей типа рам, каркасов, кронштейнов и других неответственных сварных и клёпаных конструкций из фасонного проката (уголков, швеллеров, двутавров и др.). Эти стали имеют высокую свариваемость и пластичность, весьма низкую коррозионную стойкость, обрабатываемость резанием достигает 65% (за 100%-ную обрабатываемость принята обрабатываемость автоматной стали А12).

К конструкционным углеродистым сталям относятся также автоматные стали (обрабатываемые на станках-автоматах). Эти стали отличаются повышенным содержанием серы (до 0,3%) и фосфора (до 0,15%), которые увеличивают количество неметаллических включений. Структура получается хрупкой, что позволяет повышать скорость резания. К числу таких сталей относятся, например, А11, А12, А20, А30, А40 и т.д., где первая буква обозначает принадлежность стали к автоматной, а двузначное число – содержание углерода в сотых долях процента.

Автоматные стали предназначены для изготовления малоответственных деталей, не требующих высоких механических свойств. Из автоматной стали изготовлено большое количество деталей в швейных машинах.

Инструментальная углеродистая сталь характеризуется содержанием углерода от 0,7% и выше. Она отличается высокими твёрдостью и прочностью и предназначена для изготовления инструментов. По качеству эта сталь бывает качественной и высококачественной. Марки качественной стали: У7, У8, У9,…У13; высококачественной: У7А, У8А,…У13А. Буква «У» обозначает углеродистую инструментальную сталь, Буква «А» – высококачественную сталь, цифры указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Сталь качественная конструкционная. При маркировке качественных сталей содержание углерода указывается в сотых долях процента: сталь 08, сталь 10, сталь 15,… сталь 45, сталь 70, сталь 80. В марки стали, предназначенной для получения отливок, добавляют букву «Л» (литейные): сталь15Л. сталь35Л. Иногда в них вводят повышенное содержание марганца: сталь60Г, сталь 65Г (Г – марганец).

Низкоуглеродистые качественные стали (08, 10, 15, 20) сочетают не очень высокую прочность с высокой пластичностью, хорошей сваривамаемостью и штампуемостью. Из них изготовляют различные малонагруженные детали (оси, втулки, валики). Например, в швейных машинах класса 1022, 822, 1822 в механизме иглы и нитепритягивателя рычаг, звено соединительное, скоба и др. сделаны из стали 10, кривошип – из стали 20Л.

Среднеуглеродистые конструкционные стали (35, 40,…50) применяют для изготовления зубчатых колёс, валов и др. Эти стали, как правило, подвергаются термической обработке. В швейных машинах из этих сталей изготовлены, например, в механизме иглы и нитепритягивателя ИН-06 клин, колпачок, шпулька (сталь45).

Высокоуглеродистые конструкционные стали (60, 70, …85, а также 60Г, 65Г) сочетают высокую прочность (σ_т = 800МПа) и износостойкость с высокими упругими свойствами. Эти свойства достигаются термообработкой. Их используют как рессорно - пружинные стали. В швейных машинах установочные кольца (пружинные) изготовлены из стали 65Г.

Общим недостатком всех углеродистых сталей является недостаточная прокаливаемость и необходимость закалки с высокой скоростью. Поэтому в машиностроении углеродистые стали используют в основном для деталей небольших сечений.

Легированные стали.Легированной называют сталь, в которую для изменения её структуры и свойств вводят в заданных концентрациях легирующие элементы.

Эти стали имеют маркировку, отражающие их химической состав. В маркировке стали первой цифрой указано содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют буквы русского алфавита, обозначающие наличие легирующего элемента. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если за буквой цифры нет, то это означает, что содержание легирующего элемента составляет менее 1%.

Условные обозначения наиболее часто встречающихся легирующих элементов: А – алюминий, Ф – ванадий, В – вольфрам, К – кобальт, Г - марганец, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Х – хром. Например, сталь20Х содержит 0,2% углерода и около 1% хрома (хромовая сталь). Например: сталь40ХН содержит 0,4% углерода и около 1% хрома и столько же никеля (хромоникелевая сталь); сталь40ХН2МА – 0,4% углерода, в пределах 1% хрома, 2% никеля, 1% молибдена (буква А в конце маркировки означает, что сталь качественная); сталь12Х18Н9Т – 0,12% углерода, 18% хрома, 9% никеля и менее 1% титана (нержавеющая сталь). Свойства и назначение легированных сталей зависят от содержания в них легирующих элементов. Все они имеют повышенные механические и эксплуатационные свойства, это и определяет их использование. Большинство легирующих элементов (за исключением никеля) при их содержании более 1% снижают ударную вязкость стали.

Кроме упрочняющего воздействия такие элементы как хром, молибден, никель и бор, повышают прокаливаемость. Поэтому часто проводят комплексное легирование. При этом следует помнить, что марганец повышает хладноломкость. Для снижения хладноломкости используют никель и молибден. Кремний значительно повышает прочностные свойства, но одновременно повышает порог хладноломкости, поэтому его содержание обычно не более 2%.

Следует учитывать, что такие легирующие элементы, как никель, молибден и вольфрам, являются не только дорогими, но и дефицитными. Поэтому их содержание, как правило, ограничивается предельными значениями: никеля – (1…5)%, вольфрама – (0,8…1,2)%, молибдена – (0,2…0,4)%. В высокопрочных конструкционных сталях, используемых в наиболее ответственных деталях и конструкциях, содержание этих элементов определяется их оптимальным воздействием на свойства.

Сведения о влиянии легирующих элементов на конструкционную прочность необходимы инженеру для обоснованного выбора марок стали.

В машиностроении наибольшее применение получили низкоуглеродистые и среднеуглеродистые низколегированные стали 15ГФ. 20Х, 38ХН3МФ, 40ХН,40ХН2МА. После термообработки эти стали обладают высокой прочностью и твёрдостью [3].