Конструкционными называют стали, предназначенные для изготовления деталей машин или механизмов и строительных конструкций. Они могут быть углеродистыми или легированными.
Углеродистые стали кроме железа и углерода содержат ряд технологических и вредных примесей.
Технологические примеси (Si до 0,37%, Mn до 0,8%, небольшие добавки Al) вводятся в сталь в процессе плавки с целью раскисления и удаления вредных примесей.
Вредные, но неизбежные примеси (S и P) попадают в сталь из сырьевых материалов. Сера в сплавах железа образует легкоплавкую эвтектику по границам зерен (Тэ=988 °С). При нагреве под ковку или штамповку (ТОМД>1000°С) сернистая эвтектика оплавляется и при последующем механическом воздействии ОМД в металле образуются надрывы и трещины. Это явление называется красноломкость стали. Аналогично влияние фосфора.
В зависимости от содержания S и P углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества (£0,050%S, £0,040%Р) и качественные стали (£0,040%S, £0,035%Р).
Для неответственных или малонагруженных деталей и конструкций используют углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества), которые могут поставляться с регламентируемым составом или с регламентируемыми свойствами, Маркировка сталей общего назначения Ст.1, Ст 2 и т.д. Кроме того, стали этого класса при плавке могут подвергаться не полному раскислению. В зависимости от степени раскисления в обозначении марки стали введены буквы: кп – кипящие (малораскисленные), пс – полуспокойные и сп –спокойные (раскисленные полностью).
Качественные углеродистые стали маркируются цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента в доэвтектоидных сталях и в десятых долях процента в эвтектоидных и заэвтектоидных, последние в начале марочного обозначения имеют букву У.
Например, сталь 20 содержит 0,20 %С, а сталь У10 – 1,0%С.
Углеродистые стали обычно объемной закалке не подвергают из-за низкой прокаливаемости.
Для изготовления ответственных и тяжелонагруженных деталей машин и конструкций, которые необходимо подвергать упрочнению термической обработкой для достижения требуемой конструкционной прочности, применяют легированные стали.
Легированные стали, помимо обычных примесей содержат т. н. легирующие элементы (напр.,— Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.), введенные в состав сплавов для придания им определенных физических, химических или механических свойств, чаще всего с целью увеличения прокаливаемости и измельчения зерна.
Различают низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (св. 10%) сталь.
| Н- никель | Б – ниобий | Г – марганец |
| Х – хром | М – молибден | Ю - алюминий |
| Т - титан | Ц – цирконий | В - вольфрам |
| Р – бор | С – кремний | К – кобальт |
| Д - медь | П – фосфор | Ф - ванадий |
| Ч - РЗМ | А: в середине марки – азот; в начале – автоматная сталь; в конце – высокочественная (S и P £0,03%) |
Маркировка легированных сталей обычно производится по химическому составу. На первом месте цифрами указано содержание углерода в сотых или десятых долях процента, аналогично маркировке качественных углеро-дистых сталей. Затем буквами зашифровы-ваются легирующие элементы, концентра-ция которых указана цифрами в % после соответствующей буквы
Специальные стали могут маркироваться с отклонениями от стандартного обозначения.
По назначению среди легированных сталей можно выделить следующие группы:
Цементуемые стали.Имеют низкое содержание углерода – 0,07%...0,25% и обычно комплексное легирование, цели которого:
-предотвратить рост зерна аустенита при длительных высокотемпературных (840-980°С) нагревах на этапе диффузионного насыщения поверхности углеродом или углеродом и азотом (Mo, Ti, Nb, РЗМ);
- обеспечить сквозную прокаливаемость (Cr, Si, Mn, Ni, B) при последующей закалке.
Для изделий простой конфигурации, не испытывающих высоких напряжений используют нелегированные или малолегированные стали: 10, 20, 15Х; - для тяжелонагруженных деталей, испытывающих ударные нагрузки, работающих в условиях низких температур: 18ХГТ, 20ХГНР, 20ХН3А, 25ХГНМФР.
Улучшаемые стали.Среднеуглеродистые (0,3-0,4%С) и среднелегированные (3-5% л.э. в сумме) стали. Легирование направлено на обеспечение сквозной прокаливаемости, т.к. улучшение – это объемная закалка, которая должна обеспечить получение мартенситной структуры во всем сечении детали, и высокий отпуск 550-600 °С. Кроме того легирующий комплекс часто содержит около 0,1% элементов, измельчающих зерна (V, Zr, Ti, Nb).
Свойства сталей в термоулучшенном состоянии близки, поэтому при выборе марки стали исходят из необходимой прокаливаемости.
Для деталей большого сечения выбирают комплексно легированные стали. Во избежание развития отпускной хрупкости для деталей большого сечения применяют стали, легированные молибденом, например 40 ХНМ, 30ХМ.
Для деталей, работающих в условиях Севера используют стали, содержащие никель, значительно повышающий ударную вязкость и хладноломкость стали, например сталь 40ХГНР.
Строительная и арматурная стали.Для строительных конструкций, мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и других конструкций, в которых обычно применяют сварные соединения, содержание углерода ограничивается £0,22…0,25%. Используются углеродистые стали обыкновенного качества, например Ст3, или низколегированные, например, 17ГС, 17ГСБ, 08Г2СФБ (Т50= -70°С).
Для армирования железобетонных конструкций используют пластины и прутки из стали марок Ст3, 35ГС, 20ХГ2Ц, 80С, 23Х2Г2Т в термообработанном или необработанном состоянии.
Пружинные стали.При работе пружин и рессор наиболее важными являются упругие свойства стали, поэтому необходимо получить высокий предел текучести sт. Высокие значения sт обеспечивает закалка с последующим средним отпуском 300-400°С.
Наибольшее распространение получили кремнистые и кремниймарганцовистые марки пружинных сталей с содержанием углерода 0,5-0,7%, например, 55С2, 60СГ, 60С2ХА.
Шарикоподшипниковая сталь.Элементы подшипников качения должны иметь высокую твердость, которая обеспечивается закалкой стали, с повышенным содержанием углерода (~1,0-1,1%).
Заэвтектоидная сталь подвергается неполной закалке из межкритического интервала температур от температуры Ас1+30…50°С и после закалки имеет структуру мартенсит с включениями избыточных карбидов. Низкий отпуск при 150-160°С практически не изменяет структуру и твердость стали, твердость >62HRC.
Для достижения сквозной прокаливаемости и дополнительного повышения твердости за счет легирования карбидов шарикоподшипниковую сталь легируют хромом в количестве 1,0-1,5%.
Поскольку эта сталь весьма специального назначения – преимущественно для подшипников качения, в маркировке это отражено буквой Ш, содержание углерода не отражено, а концентрация основного легирующего элемента хрома указано в десятых долях процента после буквы Х.
Наиболее распространены марки шарикоподшипниковой стали ШХ15, ШХ15ГС.
Для подшипников, работающих в агрессивных средах используют сталь Х18, состава ~1% С, 18%Cr, ост. Fe и примеси, после закалки от 1050°С в масле, обработки холодом при -70°С и низкого отпуска150-160°С, при твердости 60-61 HRC.
Для подшипников, работающих при повышенных температурах (400-500°С) используют сталь типа быстрорежущей, например Р9, но с пониженным содержанием вольфрама, чтобы избежать карбидной неоднородности.