Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали icon

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали




НазваКонструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали
Сторінка1/7
Дата23.06.2012
Розмір1.45 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4   5   6   7

РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ


Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы


8. Углеродистые стали

8.1. Классификация углеродистой стали

Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, газовых аппаратов, приборов, различных энергетических и строительных и других конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологиче­ских свойств.

Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и цик­лической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и техно­логий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, можно получать стали с различными свойствами и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назна­чению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

^ По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3 — 0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инстру­ментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, дета­лей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразде­ляют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холод­ного и горячего (до 200°С) деформирования.

^ По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качест­венные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однород­ность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологич­ность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей — серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные — не более 0,025% S и 0,025% Р. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные — углероди­стыми и легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление — про­цесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало ки­слорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде СО. Выделение пузырьков СО создает впечат­ление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали достаточно дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газовых примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточ­ное положение между спокойными и кипящими.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые — спокойны­ми, полуспокойными и кипящими.

^ По структуре в равновесном состоянии стали делятся на:

1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;

2) эвтектоидные, структура ко­торых состоит из перлита;

3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

^ 8.2. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали

Получаемая в промышленности углеродистая сталь имеет довольно сложный химический состав. Содержание железа в ней может быть в преде­лах 97,0—99,5% и попадает некоторое количество элементов, связанное с технологией производства (марганец, кремний) или невозможностью полно­го их удаления из состава металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), случайные примеси (хром, никель, медь) и, кроме того, некоторые неметал­лические включения.

В зависимости от способа выплавки (конверторный, мартеновский и крайне редко — в электропечах) стали различаются содержанием примесей .

Метод получения стали в электропечах используют только для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов, так как он наиболее дорогой.

Постоянными примесями в стали считаются такие, которые попадают в нее в процессе получения, разливки, а также из исходных материалов, топ­лива, футеровки печей и атмосферы.

Как видно из диаграммы состояния железо—углерод, фер­рит составляет основную фазу стали. Наличие в феррите растворенного в нем марганца, усиливает металлическую связь в его кристаллической решет­ке, вследствие чего возрастают значения модуля Юнга (модуля продольной упругости) и модуля сдвига.

Марганец в виде оксида МnО2 — пиролюзита — постоянно находится в железных рудах, следовательно, он присутствует в сталях и чугунах. Марга­нец также попадает в стали при раскислении ее ферромарганцем при вы­плавке, часть марганца взаимодействует с основными компонентами стали и в процессе кристаллизации переходит в ее фазовые составляющие — феррит и цементит.

Аналогично воздействует на свойства стали кремний, растворяющийся только в феррите. Кремний в виде соединения SiO2 — кремнезема — всегда имеется в железной руде (эту часть руды называют пустой породой). К раскислителям, которыми пользуются при выплавке стали, относится кремний, содержащий материал — ферросилиций, активно вступающий с закисью желе­за в реакцию обмена. Поэтому присутствие небольшого количества кремния в стали также является технологически неизбежным.

На основе вышесказанного, все марки конструкционной углеродистой стали содержат 0,3—0,8% Мn и 0,17—0,37% Si. За счет этого твердость фер­рита по Бринеллю в данной стали составляет НВ 60—80 МПа, а у чистого фер­рита— около НВ 100.

К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера. Эти элемен­ты оказывают существенное влияние на механические, технологические и другие свойства стали, поэтому их количество в различных марках строго регламентируется.

Фосфор попадает в сталь из руды, топлива и флюсов, используемых в металлургическом производстве. В большинстве случаев фосфор, находящийся в стали, растворяется в кристаллической решетке феррита и за счет ликвации располагается по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности и существенно охрупчивает сталь, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т.е. фосфор придает стали хладноломкость. Из-за этого количество фосфора в стали может находиться в пределах 0,01—0,07%.

Сера присутствует в небольших количествах в железных рудах и метал­лургическом топливе и поэтому попадает в сталь во время металлургическо­го процесса. Сера находится в стали в связанном состоянии в виде механиче­ских примесей (FeS и MnS), которые по-разному взаимодействуют с компо­нентами стали и соответственно влияют на ее свойства. Сульфид железа об­разует с железом легкоплавкую эвтектику (tпл = 988 °С), которая располага­ется по границам зерен, и существенно снижает прочность и пластичность стали. Это отрицательно сказывается при технологической обработке стали в горячем состоянии (800—1200°С) и проявляется в виде явления краснолом­кости. Температура плавления MnS существенно выше 1620°С и присут­ствует в стали в виде мелких включений, которые не оплавляются в про­цессе ее обработки. Количество серы вызывает охрупчивание стали и поэтому содержание ее жестко отслеживается. Для ответственных дета­лей содержание серы может быть не более 0,03—0,04% , а в обычных сталях допускается 0,05%.

Из вышесказанного ясно, что постоянные примеси — марганец и крем­ний — оказывают в какой-то степени положительное влияние на механиче­ские свойства стали, а фосфор и сера ухудшают их и являются очень вред­ными примесями.

При выплавке и разливке стали в нее из окружающей атмосферы попа­дают кислород, азот, водород и другие газы.

Кислород в кристаллической решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа FeO, Fe2O3 и других эле­ментов. Эти неметаллические включения снижают прочностные и пластиче­ские свойства стали.

Азот в очень малых количествах способен растворяться в феррите, уп­рочняя и одновременно охрупчивая его. Некоторое количество азота в стали образует с железом нитриды, которые располагаются в стали в виде включе­ний и также охрупчивают ее.

При выплавке стали в нее попадает водород, растворяется в ней и, так как он не образует с железом гидридов, выходит из нее по мере сни­жения температуры. Некоторое количество оставшегося водорода в ста­ли охрупчивает ее. Этот нерастворившийся водород в стали образует флокены (микроскопические трещины). В изломе эти флокены видны как хлопьеобразные серебристые пятна. Этот дефект снижает прочность и пластичность стали и исключает ее использование как конструкционного материала.

Включения оксидов MnO, SiO2 и Аl2О3, а также некоторых других эле­ментов могут образовываться в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе выплавки, а также попасть в нее из футеровки печей. Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее механические свойства.


^ 8.3. Влияние углерода на свойства углеродистых сталей

Главным элементом стали является углерод и это единственная примесь, которая специально вводится в сталь. С повышением содержания угле­рода прочность стали существенно возрастает из-за увеличения количества цементита в фазовом составе стали.

К низкоуглеродистым относятся стали, содержащие до 0,25% С. Это достаточно мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горя­чем состоянии стали.

Среднеуглеродистые стали содержат 0,3—0,6% С. Они обладают хоро­шими прочностными свойствами при небольшой пластичности и вязкости. Стали с таким содержанием углерода являются широко распространенным конструкционным материалом для деталей, работающих в условиях обыч­ных силовых нагрузок.

Высокоуглеродистые стали содер­жат свыше 0,6% С (до 1,3—1,4 %), за счет чего они обладают высокой твердо­стью и очень низкой пластичностью и вязкостью. При содержании углерода больше 1,3% в стали значительно возрас­тает хрупкость и использование ее стано­вится очень ограниченным.

Стали с содержанием углерода бо­лее 0,7% в основном используются в штампово-инструментальном производ­стве холодного и горячего деформиро­вания. Кроме того, из этих сталей изго­тавливают еще режущий и мерительный инструменты, применяемые в различных областях народного хозяйства.

Рис.8.1.- Влияние углерода на свой­ства горячекатаных сталей



Как уже было сказано, увеличение количества углерода соответственно увеличивает и количество цементита в стали, который отличается высокой твердостью и хрупкостью. Значит, можно сказать, что с повышением содержания углерода увеличиваются прочность и твердость, а пластичность и вязкость снижаются (рис.8.1).

Кроме снижения ударной вязкости, угле­род заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние (рис.8.2). Каждая одна десятая процента углерода повышает температуру перехода приблизительно на 20°С. При содержании углерода 0,4% порог хладноломкости равен 0°С. При большей концентрации углерода температура хрупкости достигает 20°С: сталь становится менее используе­мой в работе.

Особенно сильно сказывается влияние углерода при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление ле­гированных сталей резко увеличивается с ростом углерода и достигает мак­симального значения при 4% С.

К
Рис.8.2 – Влияние углерода на хладноемкость

ак видно из рис.8.3, при большем содержании углерода ?в теряет ста­бильность из-за хрупкого разрушения стали. В этих сталях может быть дос­таточно высокое содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по массовым технологиям. Эти стали относятся к дешевым материалам, но при этом в них сочетаются неплохие механические свойства с хорошей обраба­тываемостью резанием и давлением, в чем они превосходят даже легирован­ные стали (при одинаковом содержании углерода). Углеродистые стали, в отличие от легированных, менее техноло­гичны при термической обработке. Также необходимо отметить, что у этих сталей очень небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что сужает резко размер деталей, которые можно упрочнить термической обработкой. Габаритные детали изготавливают из сталей без термической обработки — в горячекатаном или нормализованном состоянии, что увеличи­вает металлоемкость конструкций.



Рис.8.3 - Влияние углерода на свойства закаленных сталей



^ 8.4. Углеродистые стали обычного качества

На углеродистую сталь обыкновенного качества установлен ГОСТ380-71. Эта сталь изготовляется в мартеновских печах (буква М при маркировке), в бессемеровских конверторах при продувке снизу (буква Б) и в конверторах при продувке кислоро­дом сверху (буква К).

Стали обыкновенного качества применяют для строительных кон­струкций и неответственных деталей машин. Если из этой стали из­готовляют сварные строительные конструкции, то в ней ограничива­ется содержание углерода, серы, фосфора, азота и других примесей, ухудшающих качество сварки.

Углеродистая конструкционная сталь обычного качества выпускается в виде проката — листы, уголки, балки, прутки, трубы, швеллеры и т. п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на груп­пы: А, Б, В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показы­вающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повы­шением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях — «сп», полуспокойных — «пс», кипящих — «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. В их составе разное содержание кремния: спокойные — 0,12—0,30, полуспокойные — 0,05—0,17; кипящие < 0,07, например СтЗсп, БСтЗпс или ВСтЗсп5 (в конце 5-я категория). Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами (табл.8.1), без указания химического состава.


^ Таблица 8.1 - Маркировка конструкционной стали


ГОСТ

Группа

Наименование по способу производства

Марки

380-71

I

Сталь, поставляемая по механическим свой­ствам (обыкновенного качества)



Бессемеровская


Мартеновская

БСт.0; БСт.Зкп; БСт.З; БСт.4кп; БСт.4; БСт.5; БСт.б

Ст.0; Ст.1; Ст.2;Ст.Зкп; Ст.З; Сг.4; Ст.4а; Ст.5; Ст.6; Ст.7


II

Сталь, поставляемая по химическому составу (обыкновенного качества)


Бессемеровская


Мартеновская

Б09кп; Б09; Б16кп; Б23; БЗЗ

М09кп; М12кп; М18кп; Ml8; М21; М26; М31; М44; М56

III

Сталь поставляемая, одновременно по хирурги­ческому составу и по механическим свойствам (повышенного качества)




Мартеновская

М09; М12; Ml6; М18а; М21а;М26а;М31а;М44а; М56а




Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изго­товление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируе­мые стандартом.

Сталь марки СтЗ используется в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Химический состав этой группы сталей сильно ко­леблется. Ее широко применяют в строительстве для изготовления ме­таллоконструкций.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима го­рячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными в участках, не под­вергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе. Механические свойства на растяжение для каждой мар­ки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А, а химический состав — нормам для тех же номеров марок группы Б (табл. 8.2). Например, сталь ВСт4сп имеет механические свойства на растяжение, аналогичные стали Ст4сп, а химический состав одинаковый со сталью БСт4сп.


Таблица.8.2Химический состав (%) углеродистой стали обыкновенного

качества группы Б


Сталь

С

Мп

Si в стали

S

Р










кп

пс

сп

не более

БСт0

<0,23









0,06

0,07

БСт1

0,06—0,12

0,25—0,5

0,05

0,05—0,17

0,12—0,3

0,05

0,04

БСт2

0,09—0,15

0,25—0,5

0,05

0,05—0,17

0,12—0,3

0,05

0,04

БСтЗ

0,14—0,22

0,30—0,65

0,07

0,05—0,17

0,12—0,3

0,05

0,04

БСт4

0,18—0,27

0,40—0,70

0,07

0,05—0,17

0,12—0,3

0,05

0,04

БСт5

0,28—0,37

0,50—0,80



0,05—0,17

0,15—0,35

0,05

0,04

БСтб

0,38—0,49

0,50—0,80



0,05—0,17

0,15—0,35

0,05

0,04

Примечания: 1.В сталях БСт1—БСтб допускается не более 0,3% Сг; 0,3% Ni; 0,3% Сu; 0,08% As; 0,08 % N. 2.В сталях, выплавленных из керченских руд, допускается до 0,15% As и 0,05% Р.


Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предна­значены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабона­груженных деталей машин и приборов. Эти стали используются, когда рабо­тоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеро­дистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций. Спобностью к свариванию и к холодной обработке отвечают стали групп Б и В номеров 1-4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации.

Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большой проч­ностью, предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также ва­лов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйст­венных машин. Некоторые детали из этих сталей групп Б и В подвергаются термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском.

^ 8.5. Углеродистые качественные стали

В машиностроении эти стали используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. Они имеют более низкое содержание вредных приме­сей и неметаллических включений, чем стали обыкновенного качества. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механи­ческими свойствами.

В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, по­ставляемые по ГОСТ 1050-74. Содержание серы и фосфора в них допуска­ется в пределах 0,03—0,04% каждого из элементов. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05, 08, 10,15,20,…, 75, 80, 85, обозначающими сред­нее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 со­держит в среднем 0,20% С, сталь 75 — 0,75% С и т.д.

К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержани­ем марганца (0,7—1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г, …, 70Г, имеющих повышен­ную прокаливаемость (критический диаметр до 25—30 мм). В табл.8.3 при­ведены гарантируемые механические свойства после нормализации углеродистых качественных сталей.


^ Таблица 8.3Химический состав и механические свойства углеродистых качественных сталей


Марка стали

Содержание углерода, %

Хром, не более

Механические свойства, не менее

?в, Мпа

??, Мпа

?, %

?, %

KCU+20, МДж/м2

НВ после отжига или высокого отпуска, не более

1

2

3

4

5

6

7

8

9

08

0,05-0,01

0,10

330

200

33

60

-

131

10

0,07-0,14

0,15

340

210

31

55

-

143




























Продолжение табл.8.3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

15

0,12-0,19

0,25

380

230

27

55

-

149

20

0,17-0,24

0,25

420

250

25

55

-

163

30

0,27-0,35

0,25

500

300

21

50

0,8

179

40

0,37-0,45

0,25

580

340

19

45

0,6

217

50

0,47-0,55

0,25

640

380

14

40

0,4

241

60

0,57-0,65

0,25

690

410

12

35

-

255

70

0,67-0,75

0,25

730

430

9

30

-

269



Данные в табл.8.3 служат для контроля металлургического качества от­дельных плавок, а механические свойства изделий будут определяться соот­ветствующими режимами термической обработки, зависящими от размера и сечения деталей.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом соответственно «пс» и «кп». В табл. 8.3 приведены данные химического состава и свойств спокойных сталей. Кипящие стали произ­водят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные — 08пс, 10пс,15пс, 20пс.

Качественные стали применяются в машиностроении и прибо­ростроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а соответст­венно и термической обработки, можно получить широкий диапазон механи­ческих и технологических свойств.

Низкоуглеродистые стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп отличаются ма­лой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Эти стали в основном производят в виде тонкого листа и используют после отжига или нормализации для холодной штамповки с глубокой вытяжкой. Они легко штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного количест­ва кремния, что и делает их очень мягкими. Их можно использовать в авто­мобилестроении для изготовления деталей сложной формы. Глубокая вы­тяжка из листа этих сталей применяется при изготовлении консервных ба­нок, эмалированной посуды и других промышленных изделий.

Спокойные стали 08,10 применяют в отожженном состоянии для конст­рукций невысокой прочности — емкости, трубы и т. д.

Стали 10, 15, 20 и 25 также относятся к низкоуглеродистым сталям, они пластичны, хорошо свариваются и штампуются. В нормализованном состоя­нии в основном их используют для крепежных деталей — валики, оси и т. д.

Для увеличения поверхностной прочности этих сталей их цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например слабонагруженных зубчатых колес, кулачков и т. д. За счет твердого поверхностного слоя резко возрастает износостойкость изде­лий, а сердцевина при этом остается пластичной и вязкой. Поверхностный слой с покрытием можно упрочнить закалкой в воде с последующим низким отпуском. Сердцевина же из-за низкой прокаливаемости этих сталей практи­чески не упрочняется.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные стали с по­вышенным содержанием марганца З0Г, 40Г и 50Г в нормализованном со­стоянии отличаются повышенной прочностью, но соответственно меньшей вязкостью и пластичностью (табл.8.4).


^ Таблица 8.4Марки конструкционных сталей качественных


ГОСТ

Группа

Наименование по способу производства

Марки

1050-74

I

Сталь с нормальным содержанием марганца


Мартеновская или электросталь

05кп; 05; 08кп; 08; 10; 10кп; 15кп; 15;20кп;20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 65; 70; 75; 80; 85

II

Сталь с повышенным содержанием марганца

Мартеновская или электросталь

15Г;20Г;З0Г;40Г;45Г; 50Г; 60Г; 65Г; 70Г; 10Г2; 15Г2; 20Г2; З0Г2; 35Г2; 40Г2; 45Г2; 50Г2




В зависимости от условий работы деталей из этих сталей к ним применяют различные виды термической обработки: нор­мализацию, улучшение, закалку с низким отпуском, закалку ТВЧ и др.

В табл.8.5 приведены механические свойства сталей после нормализа­ции (числитель) и закалки с отпуском (знаменатель). Для каждой стали вы­брана такая температура отпуска, при которой временное сопротивление улучшенной стали равно временному сопротивлению нормализованной ста­ли (для сталей 25 и 35 температура отпуска равна 700°С, для стали 45 — 650°С, для стали 55 — 620°С).


^ Таблица 8.5Механические свойства сталей после термической обработки


Свойства

Марка стали

25

35

45

55

?в, Мпа

460/460

550/550

660/660

750/750

??, Мпа

240/280

280/330

340/380

380/440

?, %

27/30

22/25

17/22

12/17


Приведенные данные показывают, что при одинаковом временном со­противлении нормализованной и улучшенной стали такие свойства, как пре­дел текучести и относительное удлинение, выше после закалки с высоким отпуском за счет более дисперсной структуры (сорбит). Закалка с отпуском обеспечивает и более высокую ударную вязкость и хладостойкость, чем нормализация. Эти стали применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические нагрузки. В крупногабаритных деталях больших сечений из-за плохой прокаливаемости механические свойства значительно снижаются.

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85, а также с повышен­ным содержанием марганца 60Г, 65Г и 70Г в основном используют для изго­товления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с вы­сокой упругостью и износостойкостью. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру тростит (?в>800 Мпа) в сочетании с удовлетвори­тельной вязкостью и хорошим пределом выносливости.

^ 8.6.Строительные стали

Наиболее широко в строительстве применяют основную мартенов­скую сталь. Для элементов строительных конструкций, не подвержен­ных динамической нагрузке и влиянию низких температур, ранее при­меняли бессемеровскую сталь. В сварных конструкциях эту сталь применяли только для малоответственных назначений. Применение кислорода в конверторном производстве позволило практически пол­ностью заменить бессемеровскую сталь и значительно расширить об­ласть применения стали в строительной технике.

^ Строительные конструкционные стали в основном предназначены для работы в атмосферных условиях при обычных и пониженных тем­пературах.

Строительные стали должны обладать хорошей свариваемостью (не образовывать трещин в процессе сварки и не снижать ударную вязкость металла вблизи сварного шва), пластичностью, хорошей обра­батываемостью резанием.

Малоуглеродистую сталь обыкновенного качества применяют для изготовления строительных конструкций. По данным институтов электросварки им. Патона и Проектстальконструкции, оптимальный химический состав строительной малоуглеродистой стали следующий: 0,13—0,18% С; 0,1% Si; 0,4—0,6% Мn; до 0,035% S; до 0,04% Р.

Сталь обычного назначения (ГОСТ 380—71) широко применяется в строительной технике; поэтому остановимся на ней более подробно. Сталь группы А подразделяют на три категории. Первая категория этой стали нормирует показатели временного сопротивления разрыву и относительного удлинения. Вторая категория кроме первых двух показателей, учитывает также изгиб в холодном состоянии, а третья еще
и предел текучести стали.

Сталь группы В гарантирует не только механические свойства, но и химический состав, что очень важно для строительных сварных конструкций.

В строительстве применяют также низколегированные стали (см. ниже).

Стальные фасонные гнутые профили изготавливают из стали марок Ст0, Ст1, Ст2, СтЗ по ГОСТ 380—71 и стали марок от 08 до 25 включи­тельно по ГОСТ 1050—74.

Стали, предназначенные для изготовления ответственных металлоконструкций, подвергают испытанию на чувствительность к старению после наклепа. Для этого образцы деформируют на 10%. Один обра­зец испытывают на ударную вязкость до старения, другой — после. Старение производят в течение 1 ч при 250° С с последующим охлаж­дением на воздухе.

Показатель чувствительности стали к деформационному старению определяют по формуле


(8.1)


где — ударная вязкость образца в исходном состоянии; ас' — то же после старения.


Если этот показатель более 0,5, из такой стали не разрешают изготовлять металлоконструкции.

Несущие (расчетные) сварные и клепаные конструкции зданий и сооружений изготовляют из мартеновской и кислородно-конверторной стали. Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для свар­ных конструкций, воспринимающих только статические нагрузки, применяют в основном мартеновскую сталь.

^ Нерасчетные элементы конструкций (не несущие большие нагруз­ки) изготовляют из мартеновской и бессемеровской стали. В случае применения сварки следует использовать стали этих марок по группе Б (ГОСТ 380—71). Сталь группы Б, предназначаемую для изготовле­ния строительных конструкций, проверяют на свариваемость по спе­циальному стандарту.

Стали группы А (ГОСТ 380—71) применяют для неответственных элементов строительных конструкций.

^ Кровельное железо изготовляют из стали марок МСт1кп, КСт1кп. Поставляют его в виде отожженных листов толщиной 0,38—0,82 мм. Листы испытывают на перегиб с образованием двойного кровельного замка; при этом не должны появляться отслаивания, трещины, на­дрывы и изломы.

^ Конструкции из листовой стали: резервуары, газгольдеры, трубо­проводы и другие изделия изготовляют из стали различных марок: мартеновской или конверторной, кипящей или полуспокойной. Эти ста­ли малочувствительны к концентрации напряжений, не склонны к хрупкому разрушению и старению после наклепа, обладают хорошей свариваемостью, достаточно высокой ударной вязкостью.

^ Арматурная сталь для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций подразделяется на четыре класса: А-І, А-П, А-ІІІ и A-IV. Стержни класса А-І изготовливают из стали: СтЗкп, СтЗсп, СтЗпс, ВСтЗкп2, КСтЗпс2: стержни класса А-П диаметром от 10 до 40 мм — из стали марки ВСт5сп2.

^ Мостовые металлические конструкции изготовляют из металлокатаной малоуглеродистой мартеновской стали (ГОСТ 6713—53).

Сварные конструкции мостов изготовляют из стали марки М16С.

^ Клепаные конструкции мостов изготовляют из стали марки МстЗмост. Структура мостовых сталей должна быть мелкозернистой, однород­ной, без внешних дефектов (раковины, пористость, трещины, воло­совины).

Прочностные характеристики (предел прочности, предел теку­чести, относительное удлинение, ударная вязкость) имеют решающее значение при выборе марки стали для элементов мостовых конструкций.

До последнего времени строительные стали не подвергали упрочнению термической обработкой. Однако исследования показали, что термическое упрочнение малоуглеродистой стали повышает ее механические свойства (предел прочности и предел текучести стали марки МСтЗкп увеличился на 20—30%).

Углеродистые стали специального назначения имеют дополни­тельные индексы, например стали для мостовых конструкций — СТ3 мост.

К недостаткам углеродистых сталей обыкновенного качества можно от­нести то, что они часто не обеспечивают требуемых свойств по хладностойкости при эксплуатации сварных металлоконструкций в условиях , где более суровые климатические условия. Кроме того, существенным недостатком строительных углеродистых сталей является их малая прочность, что приводит к большому расходу металла и увеличению массы металлоконструкций. Поэтому повышение прочности строительных сталей и увеличение их хладностойкости являются важными народно­хозяйственными проблемами. Решаются эти задачи путем термического уп­рочнения углеродистых сталей и применения низколегированных сталей.

Строительные стали можно упрочнить холодной обработкой давлением, а также высокотемпературной термомеханической обработкой при прокатке.

^ 8.7. Автоматные стали

Эти стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием за счет повышенного содержания серы и фосфора. Оба эти элемента повышают стойкость инструмента. Обрабатываемость связана с интенсивностью изна­шивания режущего инструмента, скоростью резания, чистотой поверхности резания, формой стружки и т. д. Необходимо также отметить связь механиче­ских свойств стали с обрабатываемостью. Здесь необходимо учитывать и ско­рость резания и разогрев инструмента во время этого процесса. Обработка пластичных сталей затруднена из-за трудноломающейся стружки. Обрабаты­ваемость низкоуглеродистых сталей повышают холодной пластической де­формацией, что способствует формированию легкоотделяющейся стружки.

Очень эффективным металлургическим приемом является введение в сталь серы, селена, теллура, кальция, которые изменяют состав неметалличе­ских включений, а также свинца, который образует собственные включения. В табл.8.6 в соответствии с ГОСТ 1414—75 приведен химический состав некоторых автоматных сталей.


^ Таблица 8.6Химический состав автоматных сталей


Марка стали



Содержание элементов, %

С

Мn

Si

S

Р

Рb

Se

А11

0,07—0,15

<0,1

0,8—1,20

0,15—0,25

<0,10





А12

0,08—0,16

0,7—1,0

0,15—0,35

0,08—0,20

0,08—0,15





А20

0,17—0,24

0,7-1,0

0,15—0,35

0,08—0,15

<0,06





А30

0,27—0,35

0,7—1,0

0,15—0,35

0,08—0,15

<0,06





А40Г

0,37—0,45

1,2—1,55

0,15—0,35

0,18—0,30

<0,05





АС14

0,10—0,17

1,0—1,3

<0,12

0,15—0,20

<0,1

0,15—0,3

0,04

А35Е

0,32—0,40

0,5—0,8

0,17—0,37

0,06—0,12

< 0,035



0,10



Эти стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающи­ми среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС» (АС14). Чтобы не проявлялась красноломкость, в сталях увеличе­но количество марганца. Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяет в 2—3 раза сократить расход режущего инструмента.

Улучшение обрабатываемости достигается модифицированием кальцием (вводится в жидкую сталь в виде силикокальция), который глобулизирует сульфидные включения, что положительно влияет на обрабатываемость, но не так активно, как сера и фосфор.

Сера образует большое количество сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее действие, нару­шая при этом сплошность металла. Фосфор повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во время процесса резания. Оба эти элемента способствуют уменьшению налипания на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности.

Однако необходимо помнить, что повышение содержания серы и фос­фора снижает качество стали. Стали, содержащие серу, имеют ярко выра­женную анизотропию механических свойств и пониженную коррозионную стойкость.

Стали А11, А12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявля­ются высокие требования по точности размеров и чистоты поверхности.

Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.

Свинецсодержащие стали широко применяют для изготовления деталей двигателя.

В автоматных селеносодержащих сталях повышается обрабатываемость за счет образования селенидов, сульфоселенидов, которые обволакивают твердые оксидные включения и тем самым устраняют их истирающее дейст­вие. Кроме того, селениды сохраняют глобулярную форму после обработки давлением, поэтому практически не вызывают анизотропии свойств и не ухудшают коррозионную стойкость стали, как сера. Применение этих сталей снижает расход инструмента в два раза и до 30% повышает производительность.

^ 8.8. Углеродистые инструментальные стали

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформиро­вания. Основные свойства, которые необходимы для инструмента, — изно­состойкость и теплостойкость. Для обеспечения износостойкости инстру­мента необходима высокая поверхностная твердость, а для сохранения формы инструмента (смятия и выкрашивания рабочих кромок) сталь должна быть прочной, твердой и относительно вязкой. От теплостойкости стали за­висит возможная температура разогрева режущего инструмента, т.е. ско­рость резания или производительность инструмента работающего, в среднем до 200°С.

Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента и для штампово-инструментальной оснастки регламентированного размера.

Углеродистые стали (ГОСТ 1435—74) производят качественные — (У7, У8, У9,…, У13) и высококачественные — (У7А, У8А, У9А, У13А). Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра — среднее содержа­ние углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжи­га на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 187—217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и де­формируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высоко­производительные методы изготовления инструмента.

Из-за низкой прокаливаемости (10—12 мм) углеродистые стали приме­няются для мелкого инструмента. Если сечение достигает 25 мм, то сердце­вина остается незакаленной, а достаточно твердая режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники и т.д.). Несквозная закалка оставляет сердцевину вязкой и способствует за счет этого инстру­менту работать на удар, смягчая деформацию при эксплуатации. Инструмент с незакаленной сердцевиной меньшего сечения для уменьшения деформаций и опасности растрескивания охлаждают в масле или расплавах солей при 160—200°С.

Стали марок У7, У8, У9 подвергают полной закалке и отпуску при 275—350°С на тростит (HRC 48—51), так как они более вязкие, то их используют для производства деревообделочного, слесарного, кузнечного и прессового инструмента.

Заэвтектоидные стали марок У10, У11,У12и У13 подвергают неполной закалке и низкому отпуску при 150—180°С на структуру мартенсит отпуска с включениями цементита. Инструмент из этих марок сталей обла­дает повышенной износостойкостью и высокой твердостью (HRC 62—64) на рабочих гранях. Необходимо учитывать, что при нагреве выше 200°С твердость резко снижается. В связи с этим инструмент из этих сталей пригоден для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания.

Заэвтектоидные стали используют для изготовления мерительного инструмента (калибры), режущего (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы и т. д.) и небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.

Сталь марки У13 применяют для изготовления инструментов, требую­щих наиболее высокой твердости: шаберов, гравировального инструмента.

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качествен­ные, но из-за несколько лучшей вязкости их чаще используют для инстру­ментов с более тонкой режущей кромкой.

Недостатком инструментальных углеродистых сталей является потеря прочности при нагреве выше 200°С (отсутствие теплостойкости). Ин­струмент, изготовленный из этих сталей, применяют для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания или деформирования.


Контрольные вопросы



  1. Углеродистые стали, их классификация.

  2. Какую роль играют постоянные примеси в углеродистых сталях?

  3. Дайте подробное объяснение о роли углерода в сталях.

  4. Сравните свойства углеродистых сталей обычного качества с качественными сталями.

  5. Правила маркировки углеродистых сталей.

  6. Какие марки стали используются в газовой промышленности и энергетики? Подробно поясните на примерах.

  7. Какими способами можно добиться повышение качества строительных сталей?


  1   2   3   4   5   6   7

Схожі:

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconВ. А. Мазур Металлические конструкции гражданских зданий и инженерных сооружений Краткий курс лекций
Мазур В. А. Металлические конструкции гражданских зданий и инженерных сооружений: Учебно-методическое пособие для студентов строительных...
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconГосударственный стандарт союза сср электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки классификация и общие технические условия гост 9466-75
Настоящий стандарт распространяется на изготовленные способом опрессовки покрытые металлические электроды для ручной дуговой сварки...
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconТребования к оформлению материалов в сборнике трудов конференции материалы до четырех полных страниц
Материалы до четырех полных страниц разместить на белой бумаге формата А4 (210х297) с полями 25 мм со всех сторон. Страницы не нумеровать....
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconМеталлургия чугуна и стали
Металлургия чугуна и стали: Библиографический указатель литературы [Текст] /сост. И. В. Протазанова. – Кривий Рог : Научная библиотека...
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconСписок літературИ
Беленя Е. И. Предварительно напряженные несущие металлические конструкции. – М., 1975
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconГосударственный стандарт союза сср стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные марки
Настоящий стандарт распространяется на деформируемые стали и сплавы на железоникелевой и никелевых основах, предназначенные для работы...
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconДокументи
1. /Уч материалы/стр 1-62 Часть 1.doc
2. /Уч...

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconСумский государственный университет учебно-методические материалы
Учебно-методические материалы по развитию связной речи для студентов подготовительного отделения цмо / Составители: Е. А. Голованенко,...
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconПравила оформления материалов
Оргкомитет оставляет за собой право отклонять материалы, не соответствующие условиям конференции за стилистикой и содержанием или...
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы Углеродистые стали iconГосударственный стандарт союза сср система стандартов безопасности труда пожаровзрывоопасность веществ и материалов
Настоящий стандарт распространяется на простые вещества, химические соединения и их смеси в различных агрегатных состояниях и комбинациях,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи