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 Коррозийная стойкость
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
Ст3Гпс5,Ст3Гсп6,18Гсп
Ст3пс6
Ст3сп5, Ст3Гсп5
09Г2С, 12Г2С, 14Г2
15ХСНД, Ст3Тпс
10ХНДП
12Г2С,12Г2СД
14Г2АФ,10Г2С1,10ХСНД
15Г2АФД
16Г2АФ
12Г2СМФ
12ГН2МФАЮ
* - буквенные обозначения в классах : С- сталь строительная; К и Д
– варианты химического состава.
Нержавеющие стали содержат 0,1 …0,45 % С, 12 …14 % Cr. Окись хрома
защищает изделие от разрушения в агрессивной среде. Высокой
коррозионной стойкостью обладают и хромоникелевые сплавы ( 0,12
…0,14 % С; 17 …20 % Cr ; 8 …11 % Ni ).
Износостойкие стали -это марганцовистые стали, содержащие 0,9
…1,1 % С и 12 …14 % Mn, из них изготовляются рабочие органы
экскаваторов, драг и т.д.
Легирующие добавки вводят в сталь при её производстве в виде
ферросплавов : ферросилициума, ферромарганца и феррохрома.
Ферросплавы получают в доменных печах, но чаще их производят из
руды или рудного концентрата методом восстановления в
электропечах.
Из многих легирующих элементов особое место занимает по
эффективности ванадий, причем он гораздо дешевле многих других
легирующих элементов. Стали, упрочненные соединением ванадия с
азотом, хорошо работают при низких температурах в условиях Крайнего
Севера.
Ванадиевые ( всего 0,06 …0,12 % ванадия ) стали только на 3…10 %
дороже обычных углеродистых сталей, но в ряде случаев срок службы
изделий повышается вдвое, существенно снижается вес узлов и машин в
целом. Так крановые колеса и шестерни, изготовленные из ванадиевого
сплава, долговечнее обычных в 1,5 …2 раза. Опорные катки гусеничных
тракторов, изготовленные из ванадиевой стали, становятся
долговечнее на 30%.
Арматурные стали.
Имеется 7 классов ( табл.1.9) арматурной стали: А -I — круглого
профиля ; А -II …А - VI — периодического профиля ( для повышенного
сцепления с бетоном).
Основной характеристикой для арматурных сталей является предел
текучести sт, т.к. в случае его превышения нарушается сцепление
бетона с арматурным стержнем и появляются трещины в бетоне. Для
увеличения предела текучести sт проводят упрочнение арматуры
(рис.1.35) путем предварительного растягивания (Lр ) стальных
стержней арматуры на 3,5 …5,5 % их первоначальной длины (Lо ).
При растягивании происходят зональные разрушения в кристаллической
решетке, возникает «наклеп», т.е. упрочнение материала в наименее
«слабых» сечениях. После предварительного растяжения начальная
длина стержня увеличивается до Lу, а площадка текучести sто после
предварительного растяжения перемещается sту по оси ординат к
верху.
При работе предварительно деформированного стержня его
растяжение происходит по пунктирной линии ; прочность железобетона
существенно возрастает, т.к. sт у> sто.
Таблица 1. 9...
Механические свойства арматурной стали по классам.
Класс арматурной стали
Диаметр стержня, мм
Марка
стали
Предел текучести sт, МПа
Временное сопротивление разрыву sв, МПа
Относи-тельное удлинениеdL, %
Испытание на изгиб в холодном состоянии
А-I
6…40
6…18
Ст3кп3, Ст3пс3, Ст3сп3, ВСт3кп2, ВСт3пс2, ВСт3сп2
ВСт3Гпс2
235
373
25
На 180°
с=0,5 d
А-II
10…40
40…80
ВСт5сп2, ВСт5пс2
18Г2С
294
490
19
На 180°
с=3 d
Ac-II
10…32
(36…40)
10ГТ
294
441
25
На 180°
с= d
A-III
6…40
6…22
35ГС, 25Г2С
32Г2Рпс
392
590
14
На 90°
с=3 d
A-IV
10…18
(6…8)
10..32
(36…40)
80С
20ХГ2Ц
590
883
6
На 45°
с=5 d
A-V
(6…8)
10…32
(36…40)
23Х2Г2Т
785
1030
7
На 45°
с=5 d
A-VI
10…22
22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р, 20Х2Г2СР
980
1230
6
На 45°
с=5 d
Примечание:
1. Буквой с обозначена толщина оправки, буквой d —
диаметр стержня.
2. Диаметр, указанный в скобках, применяют по согласованию
потребителя с изготовителем.