Расскажем, что такое сталь конструкционная

Расскажем, что такое сталь конструкционная

Применение стали давно уже широко вошло в нашу жизнь и не вызывает ни у кого сомнений в его целесообразности. Однако не следует забывать, что стали бывают разные. На сегодняшний день выделяется несколько видов этого материала:

1. Сталь конструкционная.
2. Сталь инструментальная.
3. Сталь индивидуального назначения с особыми свойствами.

Поговорим сегодня о конструкционных сталях. Так называют все виды, которые используются в процессе производства строительных конструкций, а также деталей машин и механизмов.

Характеристики конструкционной стали

В общем объеме производства металлопроката значительный процент приходится на долю класса конструкционных сталей. К ним относятся сплавы с точно заданным набором особых технологических параметров, обеспечивающих длительную эксплуатацию в различных условиях.

Сплавы различаются по маркам, классифицируются по различным критериям:

• процентное содержание примесей (в том числе, марганец, сера, фосфор, кремний);
• по функциональному назначению (группы А, Б, В);
• по показателям раскисления.

Выделяют две большие группы стали:

• легированные;
• углеродистые.

Общий классификационный показатель – содержание в сплаве углерода, где учитываются нижняя и верхняя границы. Верхняя граница варьируется (0,7-0,85%) нижняя – 0,5%. На принадлежность сплава к определенному виду указывают параметры диапазона текучести, процент химических элементов.

Стоимость конструкционной стали легированной выше, чем углеродистой, что объясняется высокими показателями прочности материала. Группа углеродистых сплавов подразделяется на подгруппы в зависимости от содержания углерода: с низкими, средними и высокими показателями.

Для повышения прочностных характеристики сталь легируют, добавляя в состав:

• кремний;
• никель;
• хром;
• ванадий;
• молибден;
• вольфрам.

Распространенной является марка 09Г2С, используемая для сварки металлоконструкций. Сложнолегированные стали применяются в машиностроении, изготовлении медицинского, авиационного и космического оборудования.

Производятся легированные и углеродистые стали с высокими показателями содержания углерода (свыше 0,6%). Наряду с прочностью, увеличиваются характеристики упругости, релаксационной стойкости, что позволяет использовать их для изготовления рессор, пружин, проволок.

Маркировка материалов в зависимости от качества:

• «А» – высокого качества;
• «Сталь» – качественная;
• «Ст» – обыкновенного качества (градацией по показателям раскисления);
• «Ш» – особо высококачественный продукт.

Для материалов всех групп и категорий важно правильное соотношение пластичности, вязкости, прочности.

Применение стали

Характеристики стали СТ3КП обеспечивают эффективность применения материала при изготовлении несущих и второстепенных конструкций, деталей машин и оборудования. Использовать ее можно исключительно при плюсовой температуре среды. Более универсальные изделия получают из проката 5 категории. Их можно применять при температуре -40/+425 градусов, а также при действии переменной нагрузки.

Шпунт Ларсена из СТ3КП

Создание сложных конструкций предполагает проведение термообработки в качестве заключительной стадии производства. Наибольшей популярностью пользуется отжиг, позволяющий снизить напряжения в элементах после сварки.

Область применения СТ3КП охватывает изготовление арматуры Ат-400С. Листы, произведенные из сплава, подвергают холодной штамповке без снижения технических характеристик. Наибольшее распространение получили корыта для сбора смазочно-охлаждающих жидкостей и масел, баки, крышки станков, кожухи и т.д.

Поговорим про состав

Важной составляющей стали является углерод. Сталь 3 имеет в своем составе небольшое количество углерода (0,14-0,22%). Этого достаточно для того, чтобы придать сплаву прочность и твердость, но не снизить пластичность и вязкость сплава. Ведь чем больше углерода в составе, тем тверже сталь, но тем она более хрупка.

Также в составе присутствуют и другие важные примеси: вредные и полезные. Нормативный документ, государственный стандарт, который устанавливает требования к содержанию примесей — это ГОСТ 380-2005. Согласно ГОСТу состав стали 3 – такой:

• углерод – 0,14 — 0,22%,
• кремний – 0,05 — 0,17%,
• марганец – 0,4 — 0,65%,
• никель, медь, хром — до 0,3%,
• мышьяк до 0,08%,
• сера и фосфор — до 0,05 и 0,04% соответственно.

Вредные примеси

На всех примесях подробно не будем останавливаться, охватим лишь самые важные. Фосфор и сера важны потому, что они — вредные. То есть важно нормировать их количество в сплаве.

Фосфор снижает пластичность металла при высоких температурах и повышает хрупкость при низких. Сера — приводит к красноломкости металла. И так же повышенное содержание данных примесей очень негативно влияет на свариваемость стали, какой бы то ни было. Сварной шов при участии большого количества этих примесей — пористый, склонный к трещинам. В составе стали ст3 допускается не более 0,05% серы и 0,04 % фосфора.

Полезные примеси

Одним из основных раскислителей при выплавке сталей является кремний. Кремний увеличивает прочность, почти не снижая пластичности. При концентрации кремния в сплаве от 0,14 до 0,30 % он полностью растворяясь, связывает свободный кислород и косвенно увеличивает количество очагов кристаллизации, способствуя образованию мелкозернистой структуры. Достичь мелкозернистости стремятся при всех видах использования и обработки стали (к примеру, сварка или любой другой нагрев). Чем меньше зерно — тем выше показатели (например стойкость к трещинообразованию).

Другой полезный элемент, присутствующий в стали — марганец. Его применяют для удаления из стали кислорода и серы. Марганец благоприятно влияет на качество поверхности во всем диапазоне содержания углерода, а также снижает риск красноломкости. Марганец повышает ковкость и свариваемость сталей, делает ее более твердой и устойчивой к износу.

С целью улучшения технологических свойств стали ее легируют. Данный процесс предусматривает введение в сплав легирующих элементов Ni, Мо, Wo, Сr, Аl, В, Тl, V, Mn, Si и др. Согласно суммарному процентному содержанию легированных элементов стали делятся на:

• низколегированные (до 2,5%);
• среднелегированные (2,5-10%);
• высоколегированные (свыше 10%).

По назначению стали делятся на:

• конструкционные (строительные, цементируемые, высокопрочные, автоматные, холодной штамповки, пружинные, улучшаемые, подшипниковые, износостойкие); (коррозионно-стойкие). Сюда относятся криогенные, жаростойкие стали;
• инструментальные (легированные и углеродистые). В данную группу входят штампованные стали, а также стали для измерительных, режущих инструментов, холодного деформирования, валковые.

По качеству стали делятся на:

• рядовые (обыкновенного качества) с содержанием углерода до 0,6%;
• качественные (легированные и углеродистые). При их выплавке соблюдаются более строгие требования к составу шахты, плавке и разливке;
• высококачественные. Содержат фосфор и серу в количестве не более 0,03%;
• особовысококачественные. Подвергаются электрошлаковому переплаву и содержат не более 0,025% фосфора и 0,01% серы (к примеру, 18ХГ-Ш или 20ХГНТР-Ш).

Классификация стали по структуре:

• в нормальном состоянии (например, перлитные, мартенситные);
• в отожженном состоянии (сюда входят карбидные, ферритные, аустенитные и др.)

Углеродистые стали с невысоким содержанием легирующих элементов относятся к перлитному классу, со среднем — к мартенситному, с высоким – к аустенитному.

ВИДЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

1. Углеродистые, автоматные

Идеальны для производства крепежа.

Сплавы хорошо обрабатываются резанием. Для этого увеличивают % серы и фосфора до 0,1 – 0,2%, добавляют селен и свинец. Обозначают металл литерой А и числами, которые указывают на дозу углерода в сотых долях %: А30, А20, А12.

При введении свинца от 0,15 до 0, 30% к маркировке добавляют букву С: АС11, АС14. При введении других легирующих элементов маркируют как обычные конструкционные сплавы: АС35Г2, АС38ГХМ.

2. Строительные

В них содержится 0,1 – 0,25% углерода. Легируют кремнием, марганцем, хромом, никелем, медью. За счет этого строительные прочнее углеродистых.

Основное требование – свариваемость. Строительные стали должны содержать не больше 0,25% углерода. В противном случае есть опасность образования холодных трещин.

Если металл содержит 1,5% Mn и 0,7% Si, предел текучести составляет σ_0,2 = 360 Мпа. Это в 1,5 раза больше, чем в углеродистых марках обычного качества.

Марка качественной конструкционной стали. Область применения:

• Армирование железобетона. Марки 25Г2С, 30ХГСА. C (углерод) = 0,3%.

3. Цементируемые сплавы

В составе не больше 0,2% углерода. Годятся для деталей, которые используются в условиях поверхностного износа и испытывают нагрузки. При цементации дополнительно упрочняется сердцевина. Много упрочняющих компонентов – больше прочность. Твердость готовой детали 20 – 40 HRC.

Выделяют 3 вида цементируемых сталей:

I. Неупрочняемая сердцевина. Сюда причисляется марка качественной конструкционной стали 10, 15, 20. Ее используют для маленьких деталей и элементов с малой ответственностью.

II. Слабоупрочняемая сердцевина. Это хромистые сплавы с небольшим количеством упрочняющих компонентов: 15Х, 20Х.

III. Сильноупрочняемая сердцевина. Производят детали, которые испытывают ударные нагрузки, с большим сечением или непростой формой, а также конструкции, испытывающие знакопеременное напряжение. Такие сплавы содержат никель – 20Х4, 12ХНЗА, 12Х2Н4А. Часто элемент подменяют марганцем с добавлением титана и ванадия – 18ХГТ.

Хромоникелевые стали упрочняют вольфрамом или молибденом – 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА и используют для габаритных конструкций со сверхнагрузками – зубчатые колеса, оси.

Таблица № 1

4. Улучшаемые

В составе 0,3 – 0,5% углерода и не больше 5% упрочняющих элементов. Закаливаются в масле, отпускаются при 550 – 650 ⁰С. Эта марка качественной конструкционной стали отлично переносит ударные нагрузки.

Основные преимущества – прочная, вязкая, хорошо прокаливается, а также не реагирует на очаги напряжения. В сплавах, как правило, находится 0,17 – 0,37% кремния, 0,5 – 0,8% марганца и не больше 0,035% серы и фосфора.

Таблица № 2

Улучшаемые стали разбиты на 5 фракций:

Фракция 1. Включает углеродистые сплавы 35, 40, 45. Критический диаметр D95 до 10 мм.

Фракция 2. Включает хромистые стали 30Х, 40Х. D95 = 15 – 20 мм. Расположены к отпускной хрупкости 2-ой степени. Сплавы нужно после отпуска незамедлительно охладить в масле, воде.

Фракция 3. Хромистые марки, в дополнение упрочненные несколькими компонентами – 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ. D95 = 20 – 25 мм. Чтобы она лучше прокаливалась, добавляют марганец (40ХГ) и бор (40ХР). Уменьшение отпускной хрупкости 2-го рода дает молибден (30 ХМ). Хромансили 20ХГС, 30ХГС отлично свариваются и имеют высокую прочность σ_В = 1200 Мпа и KCU = 0,4 МДж/м2. Такие марки подвержены отпускной хрупкости 2-го рода.

Фракция 4. Включает в себя хромоникелевые стали, в которых до 1,5% Ni: 40ХН, 40ХНМ. D95 = 40 мм. В отличие от групп 1, 2, 3 при минусовых температурах имеют запас вязкости.

Фракцию 5 составляют комплексно легированные сплавы с 3 – 4% никеля: 38ХНЗМ, 38ХНЗМФА. Это лучшие марки представленного вида. Небольшая склонность к хрупкому разрушению при D95 ≥ 100 мм. Из нее изготавливают сложные детали, которые испытывают большие ударные нагрузки. Минусы – имеют тенденцию к флокенообразованию и их сложно обрабатывать резанием.

5. Высокопрочные

Сплавы с временным сопротивлением больше 1500 Мпа. Прочность достигается благодаря термомеханической обработке и использованию высокопрочных составляющих – мартенситно-стареющих сплавов (МСМ) и сталей с пластичностью, наведенной превращением (ПНП).

Прочность мартенситно-стареющих сталей В ≥ 2000 Мпа, вязкость и пластичность большие ≥ 50%, KCU≥ 5 МДж/м2. Углерод не превышает 0,03%, поэтому вероятность хрупких разрушений уменьшается.

Упрочняют сталь, совмещая мартенситное превращение и старение мартенсита. Ведущий легирующий компонент – никель (17 – 26%). Чтобы старение мартенсита было эффективнее, в стали добавляют титан, алюминий, молибден, ниобий, кобальт.

Широко распространена марка качественной конструкционной стали 03Н18К9М5Т. Она содержит не более 0,03% углерода, 17 – 19% никеля, 7 — 9% кобальта, 4 — 6% молибдена и 0,5% титана.

Ее закаливают при 800 – 850⁰C. После закаливания сталь имеет следующие свойства: σ_В = 1200 Мпа, σ_0,2 = 1000 Мпа, δ = 20%, ψ = 75%, KCU= 2,0 МДж/м2. Она отлично поддается сварке, обрабатывается давлением и резанием.

Мартенситно-стареющие стали применяют в самолето-, ракетостроении и криогенной технике.

ПНП-сплавы относят к аустенитным. Одна из марок содержит 0,3% углерода, по 8 – 10% хрома и никеля, 4% молибдена, 1 – 2,5% марганца и до 2% кремния. После закалки при 100 – 1100⁰С сталь деформируют при 450 -600 ⁰С. В итоге прочность ПНП-сталей σ_в ≥ 1200 Мпа, σ_0,2 ≥ 1400 МПа, δ ≥ 30%.

6. Рессорно-пружинные

Основные требования – большой запас упругости, выносливости и релаксационной стойкости с сохранением упругих свойств длительное время. Сплавы также должны хорошо закаливаться и прокаливаться. Сплав обладает трооститной структурой и содержит 0,5 – 0,7% углерода. Закаливается со средним отпуском при 350 – 450 ⁰С.

Свойства углеродистых рессорно-пружинных сталей после термической обработки:

σ_0,2 = 800 – 1000 МПа, σ_В = 1000 — 1200 МПа, δ = 5 — 8%, ψ = 25 – 30%. Предел выносливости при изгибающей нагрузке 500 – 600 МПа, при кручении – 300 МПа. Предел усталости повышается в 1,5 – 2 раза после обработки дробеметным оборудованием .

Таблица № 3

При легировании возрастает прочность до σ_В = 1300 — 1800 МПа, σ_0,2 = 1100 – 1600 МПа при δ = 5 -8%, ψ = 25 – 30%.

Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых соединений выдерживают температуру не больше 200 ⁰С. До 300 ⁰С применяют детали из марок 50 ХФА, до 500 ⁰С – 3Х2В8Ф, до 600 ⁰С – Р18.

При эксплуатации в агрессивных средах используют пружины марка качественной конструкционной стали 40Х13, 95Х18.

7. Подшипниковые стали

Для изготовления деталей в условиях циклической нагрузки (шарики, ролики, кольца подшипников, втулки) используют стали четырех типов:

I хромистые с высоким содержанием углерода;

II цементируемые низкоуглеродистые;

III коррозионностойкие высокоуглеродистые с высоким содержанием хрома;

IV теплостойкие с хромом и вольфрамом.

Подшипниковые стали должны выдерживать высокие нагрузки и сопротивляться контактной усталости. Их маркируют буквами Ш и Х. Цифра после Х указывает на долю хрома в десятых долях %. Углерода содержится около 1%.

Таблица № 4

Подшипники закаливают с 820 – 850 ⁰С с низким отпуском при 150 – 170 ⁰С. После закалки сохраняется 8 – 15% остаточного аустенита, он не оказывает воздействие на габариты деталей.

Прецизионные подшипники дополнительно обрабатывают низкими температурами -70/-80 ⁰С. Твердость готового проката HRC 60 – 64.

Подшипники для работы в агрессивных средах производят из высокохромистых сталей с 1% углерода.

Таблица № 5

Сталь 95Х18-III мартенситного класса применяют для подшипников средних и крупных размеров.

Коррозионностойкую с молибденом 11Х18М-ШД используют для маленьких подшипников, которые эксплуатируются с температурой до 350 ⁰С.

Марки 8Х4В9Ф2-Ш и 8Х4МВ2Ф1-Ш легируют вольфрамом и молибденом. Они выдерживают температуру 500 – 600 ⁰С.

8. Износостойкие

Твердость стали определяет растворенный при закалке углерод. Больше углерода — выше износостойкость, но при этом снижаются прочность и вязкость сплава.

Прокаливаемость, твердость и теплостойкость увеличивают легирующие элементы. Молибден, вольфрам и ванадий повышают сопротивление износу при больших температурах. А хром увеличивает износостойкость в условиях мокрого истирания и других видах коррозии.

В условиях ударно-абразивного изнашивания и повышенного давления используют аустенитные стали с высоким содержаниям марганца. Их часто применяют в литом состоянии.

Марка качественной конструкционной стали 110Г13Л содержит 0,9 – 1,4% углерода, 11,5 – 15% марганца, 0,5 – 1% кремния. После закалки при 1100 ⁰С малая твердость сплава 180 — 220 НВ, σ_В = 780 – 980 МПа, σ_0,2 = 255 – 390 МПа, δ = 40 – 50%, ψ = 40 — 50%. Соединение 110Г13Л плохо поддается резанию. Износостойкие стали используют для крестовин железнодорожных стрелок, зубьев экскаваторных ковшей, конусов и щек дробилок, звеньев гусеничных машин, бронефутеровочных плит разных мельниц.

Конструкционная углеродистая сталь

Вторая разновидность представлена тоже несколькими видами, такими как:

• Машиностроительная. Сталь конструкционная этого вида применяется в производстве автомобилей.
• Автоматная. Именно из этой стали делают различные крепежные элементы. Она никоим образом не подходит для сварки, все детали обрабатываются на станках.
• Котельная. Незаменима там, где речь идет об изготовлении котлов и сосудов, которые должны выдерживать большие температуры. Такая сталь имеет хорошую свариваемость.

Сталь конструкционная – тот материал, без которого изготовление некоторых видов конструкций и деталей становится невозможным.