Углеродистые конструкционные стали
Материаловедение. ТЭЖД (заочное отделение 2 семестр).
Урок № 4 – 5 Тема: «Классификация углеродистых и легированных сталей».
«Классификация цветных металлов и их сплавов. Медь и ее сплавы; алюминий и его сплавы; магний и его сплавы; титан и его сплавы; подшипниковые (антифрикционные) сплавы: их назначение, структура, свойства, маркировка».
Классификация сталей
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет 2,14 % (теоретически). На практике концентрация углерода составляет не более 1,5 %. Кроме углерода в стали находятся постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор и другие химические элементы. Производство стали заключается во вторичной переработке передельного белого чугуна различными способами: мартеновским, конвертерным, электроплавкой и др. Сущность производства стали заключается в удалении углерода и других химических элементов в процессе плавки шихты, состоящей из жидкого или чушкового чугуна, стального лома, железной руды и известняка. Плавку производят в различных сталелитейных агрегатах: мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, электроиндукционных и в других металлургических агрегатах.
Наряду с чугунами сталь также является основным конструкционным материалом в машиностроении и других отраслях промышленного производства.
В обычных условиях применяются простые углеродистые стали; при высокой температуре и активной среде — специальные легированные стали (например, для изготовления насоса для перекачки кислот, механизмов, работающих в морской воде, и др.).
|
|
|
В связи с этим черная металлургия нашей страны выпускает стали с различными физико-химическими и механическими свойствами. Все отрасли промышленности получают от металлургов стали различных марок, сортаментов и наименований. Запомнить это многообразие сталей, поставляемых металлургами, практически невозможно, поэтому наука о металлах — металловедение — классифицирует все выпускаемые стали по различным признакам. Каждый квалифицированный рабочий должен не только запоминать отдельные марки сталей, а знать принципы классификации этих сталей (рис. 1).
Рис. 1. Классификация сталей
По химическому составу стали и сплавы подразделяются на две большие группы: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и постоянные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам. Другие химические элементы в углеродистых сталях отсутствуют. Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (0,3 … 0,6 % углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода). Легированные стали кроме углерода содержат различные химические элементы, как металлы, так и неметаллы. Эти элементы вводятся в процессе плавки для получения более высоких физикохимических и механических свойств, чем в углеродистых сталях.
|
|
|
Легировать — значит сплавлять, соединять, поэтому химические элементы, вводимые в сталь, называются легирующими элементами, а стали, сплавленные с ними, получили название легированных сталей.
Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов. Эти факторы определяют химический состав сталей, наличие в них вредных примесей — серы и фосфора, а также наличие различных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси и присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические и механико-технологические свойства, т. е. ухудшают их качество. В связи с этим по качеству стали, как углеродистые, так и легированные, подразделяются на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.
Стали обыкновенного качества содержат 0,045 … 0,060 % серы, 0,04 … 0,07 % фосфора.
|
|
|
Качественные стали изготавливаются с массовой долей серы не более 0,04 %, фосфора — 0,035 … 0,040 %. Качественные стали бывают как углеродистые, так и легированные.
Высококачественные углеродистые и легированные стали содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.
Особовысококачественные стали имеют массовую долю серы не более 0,015 %, фосфора — не более 0,025 %. Легированные особовысококачественные стали получают методами электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.
По назначению углеродистые и легированные стали и сплавы подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.
Конструкционные стали, как углеродистые, так и легированные, идут на изготовление различных деталей машин, сварных строительных конструкций и т. д. К этим сталям предъявляются определенные требования по химическому составу, механическим, технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам. Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обработке, другие — только термической обработке. По технологическим признакам конструкционные стали подразделяются на штампуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости резанием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электротехнические, строительные и др.
|
|
|
По химическим свойствам конструкционные стали подразделяются на коррозионно-стойкие, кислотостойкие, окалиностойкие и др. В зависимости от химической стойкости эти группы сталей выпускаются конструкционные и специального назначения.
К конструкционным углеродистым сталям относятся стали обыкновенного качества (марок Ст0, Ст1 и т. д.), а также качественные стали (марок 05, 10, 15 и т. д.). К легированным конструкционным сталям относится большая группа низко- и среднелегированных сталей, подвергаемых химико-термической и термической обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).
Инструментальные углеродистые и легированные стали идут на изготовление режущего, измерительного и ударного инструмента, штампов для деформирования в горячем и холодном состоянии. К инструментальным углеродистым и легированным сталям предъявляются высокие требования по прокаливаемости, красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки) и др.
Специальные легированные стали и сплавы — это, как правило, конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся коррозионно-стойкие, жаростойкие, магнитные, электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением, теплостойкие стали и др. Эту группу составляют высоколегированные стали и сплавы, имеющие массовую долю легирующих элементов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель, марганец и др. Применение тех или иных легирующих элементов определяется требуемыми свойствами. Например, коррозионностойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %, жаростойкие — в зависимости от требуемой температуры — 9 … 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содержат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).
По способу раскисления стали подразделяются на три категории: кипящие, спокойные и полуспокойные.
Раскисление — это процесс удаления из стали в жидком состоянии оксида железа (FеО), который образуется в процессе плавки и придает стали активную склонность к коррозии. Кроме того, в процессе раскисления из стали в жидком состоянии удаляются азот и водород. Раскисление производят путем добавки перед выпуском стали в разливочный ковш кремния, марганца или алюминия в зависимости от требуемой степени раскисления.
Практически установлено, что при наличии в стали кислорода, вступившего в реакцию с железом (FеО), при горячей деформации образуется высокая хрупкость. Кроме того, оксид железа способствует понижению прочности при отрицательных температурах и образует высокую склонность к межкристаллитной коррозии.
Кипящие стали раскисляют марганцем. При охлаждении стали в изложницах выделяются газы, которые создают ложное впечатление, что сталь при затвердевании кипит. Кипящие стали производят как обыкновенного качества, так и качественными. Как правило, эти стали бывают низкоуглеродистыми.
Спокойные стали раскисляют алюминием, марганцем и кремнием. В этих сталях кислород практически полностью вступает в реакцию с раскислителями, всплывает вверх и удаляется со шлаком. При охлаждении они затвердевают спокойно, без газовыделения. Все легированные качественные и углеродистые стали выпускаются спокойными.
Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными сталями. Их раскисляют марганцем и алюминием. Полуспокойные стали выпускают только углеродистыми.
На структуру стали большое влияние оказывают массовая доля углерода, легирующие элементы и состояние поставки. В связи с этим по структуре стали классифицируются в отожженном (равновесном) и нормализованном состоянии.
В отожженном состоянии структура сталей подразделяется на шесть классов:
- доэвтектоидные — структура феррита и перлита (см. рис. 2, а);
- эвтектоидные — структура перлита (см. рис. 2, б );
- заэвтектоидные — структура перлита и цементита;
- ледебуритные — структура первичного ледебурита или карбида (рис. 2, в);
- аустенитные — структура твердых растворов, перенасыщенных углеродом (рис. 2, г);
- ферритные — структура твердых растворов со слабо насыщенным углеродом.
Рис. 2. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в отожженном состоянии: а — ферритная; б — ферритно-перлитная; в — легированная ледебуритная сталь; г — легированная аустенитная сталь
Рис. 3. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в нормализованном состоянии:а — сталь ферритного класса; б — сталь перлитного класса; в — сталь мартенситного класса
Углеродистые стали имеют структуру первых трех классов, легированные — всех шести классов. Ледебуритные, аустенитные и ферритные классы структур образуются при введении в состав никеля, ванадия, вольфрама и других легирующих элементов. При определенном сочетании возможно образование промежуточных классов структур, например полуферритных, полуаустенитных и др.
В нормализованном состоянии стали имеют четыре класса структур: ферритные, перлитные, мартенситные (рис. 3) и аустенитные.
Структура стали ферритного класса неустойчивая. В зависимости от скорости охлаждения на воздухе эта сталь может приобрести структуру перлита, троостита или сорбита. К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стали.
Низкоуглеродистые стали с массовой долей углерода до 0,15 %, легированные хромом (12 … 15 %), образуют устойчивую структуру феррита. При нагревании и охлаждении этот класс сталей свою структуру не меняет.
Стали мартенситного класса имеют высокую устойчивость, при охлаждении образуют твердую мелкодисперсную структуру. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса образуются при высокой массовой доле никеля и марганца в сочетании с хромом. Стали этого класса имеют высокую ударную вязкость.
Углеродистые конструкционные стали
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества (общего назначения). Сталь углеродистая обыкновенного качества (общего назначения) по ГОСТ 380—2005 выпускается в виде различного горячекатаного проката (Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст5Гсп, Ст6пс и др.).
Буквы Ст в маркировке сталей обозначают сталь обыкновенного качества; буква Г — повышенное содержание марганца. Буквы кп (сталь кипящая), пс (сталь полуспокойная), сп (сталь спокойная) обозначают способ раскисления. Цифры, стоящие после букв Ст, обозначают условный номер марки в зависимости от массовой доли химических элементов и механических свойств стали. Чем больше номер, тем больше углерода и других химических элементов в стали, а также выше ее механические свойства. В обычных марках массовая доля основного сплавляемого химического элемента (углерода) — 0,06 … 0,49 %, марганца — 0,25 … 0,65 %. При повышенном содержании марганца (0,8 … 1,1 %) сплав содержит 0,1 … 0,3 % кремния и по 0,05 … 0,06 % серы и фосфора. Кроме этих химических элементов углеродистые стали обыкновенного качества содержат хром, никель, медь в пределах 0,3 … 0,4 %, а отдельные марки сталей, выплавляемых из Керченских руд, содержат 0,08 % магния. Это случайные примеси, и в маркировке эти химические элементы не указываются.
Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества имеют прочность σв = 310 … 600 МПа (31 … 60 кгс/мм2); твердость в состоянии поставки 103 … 158 НВ; относительное удлинение δ = 15 … 35 %.
Эти стали хорошо свариваются, куются, штампуются и обрабатываются резанием. Закалке не подвергаются. Улучшение механических свойств деталей машин, изготовленных из этих сталей, производят путем цементации и только после этого осуществляют закалку с последующим отпуском. Температуру нагрева для закалки цементированных деталей выбирают в зависимости от диффузии углерода.
Стали марок Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2Гпс, Ст2сп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс и Ст3Гсп поставляются с гарантией свариваемости. В этом случае в нормативно-технической документации после марки указываются буквы св.
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества применяется для изготовления сварных строительных конструкций, крепежных изделий, малонагруженных деталей машин, а также стандартных и нормализованных деталей: рукояток, кнопок, ручек, заглушек, пробок, петель шарнирных и т. д. (табл. 1).
Углеродистая конструкционная качественная сталь. Качественная углеродистая конструкционная сталь выпускается в виде различного сортового горячекатаного и калиброванного проката (ГОСТ 1050—88*) следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс, 10пс, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 и 60. Сталь этой группы выпускается также в виде проката со специальной отделкой поверхности (серебрение) диаметром (или толщиной) до 250 мм.
Цифры в маркировке углеродистой конструкционной качественной стали указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Например, сталь марки 05кп содержит не более 0,06 % углерода, сталь 10 — 0,07 … 0,14 %, сталь 50 — 0,47 … 0,55 %. Буквы кп, пс обозначают способ раскисления (кп — кипящие, пс — полуспокойные). В марках, где способ раскисления не указан, сталь спокойная. Сталь марки 58 (55п) — пониженной прокаливаемости, имеет массовую долю марганца 0,1 … 0,3 %.
Углеродистая качественная сталь содержит 0,05 … 0,65 % углерода, до 0,37 % кремния, 0,25 … 0,50 % (группа низкоуглеродистых сталей) или 0,5 … 0,8 % (группа среднеуглеродистых сталей) марганца. Серы во всех качественных сталях содержится не более 0,04 %, фосфора — не более 0,035 %. Кроме того, в сталях этой группы имеется медь и никель, массовая доля которых не должна превышать 0,25 % для каждого элемента.
| Таблица 1. Области применения углеродистой конструкционной стали обыкновенного качества (общего назначения) | ||
| Марка стали | Область применения | |
| Ст0 Ст1 | Тонколистовая сталь; кровельная сталь; ограждающие кожухи и т. д. | 
|
| Ст4 Ст5 Ст6 | Детали машин, подвергаемые цементации: mшестерни, звездочки, валы, оси, кронштейны, рычаги и т. д. | 
|
| Ст2 Ст3 Ст4 | Неответственные сварные конструкции, крепежные детали, винты, болты, шпильки, шайбы, гайки, шплинты, заклепки, гвозди, шурупы | 
|
| Ст5 Ст6 | Стандартизованные детали: рукоятки, кнопки, ручки, заглушки, пробки, оседержатели, петли шарнирные, скобы для скрепления труб и т. д. | 
|
В состоянии поставки без термической обработки углеродистая конструкционная качественная сталь имеет следующие механические свойства: твердость по Бринеллю 131 … 255 НВ, предел прочности при растяжении σв = 330 … 690 МПа (33 … 69 кгс/мм2), относительное удлинение δ до 33 % и относительное сужение Ψ = 35 … 60 %. Механические свойства зависят от массовой доли углерода и состояния проката. Нагартованная сталь имеет более высокие твердость и прочность и пониженную пластичность. Марки сталей с минимальной массовой долей углерода имеют низкие величины механических свойств. С увеличением массовой доли углерода повышаются механические свойства.
По механическим свойствам сталь этой группы подразделяется на категории 1, 2, 3, 4 и По состоянию проката сталь поставляется без термической обработки, термически обработанная (Т) и нагартованная со специальной отделкой поверхности (Н).
В зависимости от вида обработки горячекатаная и кованая сталь подразделяется на подгруппы:
- для горячей обработки давлением — подгруппа а;
- для холодной механической обработки — подгруппа б;
- для холодного волочения (подкат) — подгруппа в.
Качество поверхности калиброванной стали по ГОСТ 1051—73* подразделяется на группы Б и В.
Сталь со специальной отделкой поверхности по ГОСТ 14955—77* подразделяется на группы В, Г и Д. Группа стали зависит от класса шероховатости поверхности.
Сортовая горячекатаная сталь производится в виде прутков круглого, квадратного, шестигранного и прямоугольного сечений. Сортовая круглая сталь по ГОСТ 2590—2006 диаметром от 4 до 250 мм выпускается трех классов точности проката: В — высокой, Б — повышенной, Д — обычного класса.
Сортовая квадратная сталь со стороной квадрата от 5 до 200 мм поставляется в прутках и мотках трех классов точности: А, Б и В. Шестигранная сталь размером под ключ от 8 до 100 мм выпускается двух групп точности: П(Б) и В.
Полосовая сталь (ГОСТ 103—76*) выпускается двух групп:
- повышенной точности — А,
- нормальной точности — Б.
Сталь кованая круглая и квадратная (ГОСТ 1133—71) изготавливается диаметром или шириной квадрата от 40 до 200 мм.
Сортовая калиброванная сталь имеет более точные размеры по сечению и шероховатости поверхности.
Подгруппы, группы и классы стали указываются в нормативнотехнической документации, сопровождающей поставку.
Низкоуглеродистая сталь имеет высокую штампуемость, ковкость и свариваемость, а также обрабатываемость резанием. Эта группа сталей закалке не подвергается. Улучшение механических свойств деталей машин, изготовленных из низкоуглеродистых сталей, производят методом химико-термической обработки (цементация). Среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,3 % и более, кроме того, хорошо воспринимает закалку, отпуск и нормализацию. У всех марок улучшаемых сталей этой группы практически отсутствует склонность к отпускной хрупкости.
Из низкоуглеродистых качественных сталей марок 05, 08кп, 08пс, 10, 10пс, 10кп и 11кп изготавливают детали штамповкой и холодной высадкой: трубки, прокладки, колпачки, крепежные детали, шайбы, вилки, втулки и тяги.
Стали марок 15, 18, 20, 25 всех степеней раскисления идут на изготовление малонагруженных деталей машин — валиков, втулок, пальцев, упоров, копиров, осей, шестерен и других деталей, работающих при температурах 40 … 425 °С.
Стали марок 30 — 60 идут на изготовление ответственных деталей машин, улучшаемых путем закалки с последующим отпуском и нормализацией: шатунов, коленчатых валов, шлицевых валиков, тяг, штоков, сухарей, зубчатых колес и др.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 78; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!