Стали

Стали

Выпускаемые промышленностью стали делятся на груп­пы по следующим признакам: химическому составу — угле­родистые и легированные, способу производства — марте­новские, бессемеровские, конверторные, электростали; наз­начению— конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами,

К классу сталей относятся сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода не превышает 3,7%; кроме углерода, углеродистые стали содержат небольшие коли­чества марганца, кремния, а также примеси фосфора и серы.

Легированные стали различного назначения содержат, кроме углерода, также легирующие элементы — повышен­ное количество марганца и кремния, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и другие, что придает этим сталям особые свойства: повышенную прочность и твердость, жа­ростойкость, устойчивость против действия кислот и пр.

Сталь углеродистая обыкновенного ка­чества, изготовляемая в мартеновских печах и бессемеровских конвертерах, поставляется по ГОСТ 380—60, а из­готовляемая в конвертерах с продувкой кислородом свер­ху—по ГОСТ 9543—6 0.

В зависимости от назначения и гарантируемых показа­телей сталь подразделяется на две группы и одну под­группу:

группа А — поставляемая по механическим свойствам;

группа Б—поставляемая по химическому составу;

подгруппа В — поставляемая по механическим свойствам с дополнительными требованиями и о химическому составу.

Для стали группы А установлены следующие марки: Ст. 0, Ст. 1, Ст. 2. Ст. 3. Ст. 4Т Ст. 5, Ст. 6. Ст. 7. Если сталь относится к кипящей, то в обозначении ставится индекс «кп, если к полуспокойной «пс» (например. Ст. Зкп, Ст. 4пс и т. дг), отсутствие индекса означает, что сталь спо­койная.

Гарантируемыми характеристиками для стали группы А являются предел прочности и относительное удлинение, Спо­соб изготовления стали группы Л в обозначение марки ста­ли не вводится и указывается только в свидетельстве о качестве (сертификате).

Сталь группы Б изготовляют мартеновским, бессемеров­ским и конвертерным способами. Сталь Б мартеновская в обозначении марки HisreeT букву М, бессемеровская — Б, конвертерная — К (например, МСт,2кп, БСт3, КСт.Зпс). Бессемеровскую сталь группы Б изготовляют марок БСт.О, БСт.Зкп. БСт.4кп, БСт.5, БСт.6. Гарантируемой характе­ристикой стали группы Б является химический состав.

Сталь подгруппы В изготовляют мартеновским и конвер­терным способами. Мартеновскую сталь В изготовляют сле­дующих марок: ВСт.2кп, ВСт.Зкп, ВСт.З, ВСт.4кп, ВСт.4. ВСт.5. Конвертерную сталь подгруппы В изготовляют тех же мл рок, что и мартеновскую сталь этой подгруппу, но конвертерная имеет в обозначении марки букву К (напри­мер, ВКСт. 2 кп, ВКСт.З и т. д.). Гарантируемыми характе­ристиками для стали подгруппы В являются: предел теку­чести, предел прочности и относительное удлинение; верх­ние пределы содержании углерода, серы, фосфора и кремния; содержание хрома, никеля и меди, которое для каждого из этих элементов не должно превышать 0,30%. Для полуспокойной стали подгруппы В в обозначение мар­ки вводится индекс «пс».

В табл. 3 приведены содержание углерода и некоторые механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества.

Таблица 3
Содержание углерода и некоторые механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества

Ст.О — немаркированная строительная сталь, в которой содержание углерода и других элементов может колебать­ся в широких пределах. Она может содержать повышенные количества серь) и фосфора. Поэтому стяль Ст.О применя­ют только в неответственных конструкциях.

Влияние основных элементов на свойства углеродистой стали. По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% углерода; среднеуглеродистые —от 0,25 до 0,6% уг­лерода и высокоуглеродистые — свыше 0,5% углерода. С по­вышением содержания углерода возрастают прочность и твердость стали, но ухудшается свариваемость, уменьшает­ся пластичность и увеличивается хрупкость.

Хорошо свариваются низко- и среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35%. При более высо­ком содержании углерода сталь сваривается хуже и при сварке в ней могут появляться трещины. Поэтому сварка сталей С повышенным содержанием углерода требует при­менения qcoOoh технологии сварки, а также предварительного или сопутствующего подогрева.

Марганец в низко- и среднеуглеродиетой стали содер­жится в количестве 0,25—0,8%, доходя в некоторых марках до 0,9 %. Его добавляют в сталь для уменьшения вредного влияния кислорода и серы. Марганец при содержании его в указанных пределах существенно не изменяет механических свойств стали. При большем содержании он увеличи­вает прочность и твердость стали, но снижает ее пластич­ность и ударную вязкость. Сталь с содержанием марганца свыше 1% относится к категории легированных и труднее поддается сварке.

Кремний содержится в низко- и среднеуглеродистой ста­ли в количестве 0,05—0,35%, добавляется при выплавке ста­ли для ее раскисления. В этих пределах он не изменяет ме­ханических свойств стали. Повышение содержания кремния делает сталь более прочной, упругой и твердой, но и более хрупкой.

Сера является крайне вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое соединение, называемое сернистым железом. Сталь с примесью серы делается «крас­ноломкой», т. е. дает трещины при прокатке и ковке в на­гретом состоянии. Это объясняется тем, что сернистое же­лезо расплавляется раньше основного металла и становится жидким уже тогда, когда весь металл нагрет еше только до тестообразного {пластичного) состояния. При ковке такого металла жидкое сернистое железо нарушает связь между его зернами, что вызывает появление трещин. Содержание серы не должно превышать: в мартеновской и конвертерной сталях 0,055% (в Ст,0 — 0,060%), в бессемеровской стали 0,060% (в Ст.0 — 0,070%).

Фосфор также является вредной примесью в стали. Об­разуемое им химическое соединение — фосфористое железо — более хрупко, чем сама сталь. При большом содержании фосфора сталь становится «хладноломкой», т, е, хруп­кой при нормальной температуре. Содержание фосфора не должно превышать: в мартеновской и конвертерной сталях 0,045% {в Ст. 0 — 0,070%), и бессемеровской стали 0,080% (в Ст. 0-0,090%).

Вредными примесями в стали являются также кислород и азот. Кислород присутствует в стали в виде окислов же­леза, марганца и кремния. Кислород способствует красно­ломкости стали. Наиболее вредны лги являются окислы же­леза и кремния. Азот присутствует в стали в виде соедине­ний с железом (нитридов). Азот вызывает «старение» стали, выражающееся в повышении ее хрупкости с течением вре­мени. Бессемеровская сталь, содержащая повышенное ко­личество азота, склонна по этой причине к старению.

Стальной прокат. Применяемую в сварных конст­рукциях сталь используют в виде проката, штампованных заготовок, литья и поковок. Наиболее широко применяют стальной прокат: листовой, сортовой и фасонный. К листо­вому прокату относятся тонкие листы толщиной до 3 мм и толстые от 4 мм и выше, шириной до 3000 мм, и длиной до 12000 мм, а также полосы шириной от 200 до 1050 мм. Сор­товой прокат выпускается в виде различных профилей: двутавровых балок, уголков равнобоких и неравнобоких, швеллеров, прутков круглых, квадратных и шестигранных, проката с периодически изменяющимся сечением профиля и др. К фасонному прокату относятся рельсы, специальные профили для судостроения и др. Особым видом проката являются трубы, которые используются также для соору­жения легких конструкций с помощью сварки. В настоящее время значительно расширено производство гнутых профи­лей разнообразных форм из стальных листов, полос и лент; гнутые профили особенно пригодны для изготовления лег­ких, прочных и экономичных конструкций с помощью сварки.

Качественные углеродистые конструкци­онные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций и выпускают по ГОСТ 1050—60, который гарантирует механические свойства и химический «оста в стали. Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050—60 маркируются цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например, марки 05; 08; 10: 15i 20 и т. д. означают, что сталь содержит в среднем углерода соответственно 0,05; O.US; 0,10; 0,15; 0.20% и т. д. Сталь по ГОСТ 1050—60 наготавливают двух групп:

группа I — с нормальным содержанием марганца (0,25-0,80%);

группа II — с повышенным содержанием марганца (0.70-1.20%).

В марке стали группы II ставится буква Г, указываю­щая, что сталь имеет повышенное содержание марганца, tp

Легированные стали содержат в своем составе легирующие элементы: марганец, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, титан и др, Они существенно изменяют свойства стали, придают ей большую прочность, твердость, способность выдерживать большие нагрузки, удары, дейст­вие кислот, высокие температуры и пр. При небольших до­бавках легирующих элементов (до 2,5%) стали называют низколегированными в отличие от среднелегированных, со­держащих от 2,5 до 10%, и высоколегированных сталей, со­держащих свыше 10% легирующих элементов.

Низколегированные стали с малым содержанием угле­рода хорошо свариваются. Обладая повышенной прочно­стью по сравнению с обычной углеродистой сталью, низко­легированные стали находят широкое применение в про­мышленности, так как их использование дает значительную экономию металла при производстве сварных конструкций.

Среднелегированные и высоколегированные стали ис­пользуют при изготовлении различной аппаратуры для неф­теперерабатывающей, химической, пищевой и других отрас­лей промышленности. Свариваемость этих сталей зависит от химического состава к, особенно, содержания в них угле­рода, хрома, марганца. Для некоторых марок этих сталей приходится применять специальную технологию сварки й последующую термическую обработку по заданному режиму.

В обозначения марок легированных сталей входят бук­вы и цифры. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в сталь, а стоящие за ней цифры — среднее содер­жание элемента а процентах- Если элемента содержится менее l%, то цифры за буквой не ставятся. В конструкционных легированных сталях перед первой буквой всегда стоят две цифры, обозначающие содержание в стали углерода в сотых долях процента. В инструментальных легиро­ванных сталях в начале стоит одна цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Для эле­ментов приняты следующие буквенные обозначения: Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — ко­бальт, М — молибден, Н — никель, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ю — алюминии. Буква А означает, что сталь содержит пониженное количество серы и фосфора и является высококачественной. Стали, предназ­наченные для изготовления стальных отливок, имеют в кон­це обозначения марки букву Л.

Термическая обработка стали. Процесс тер­мической обработки состоит из следующих стадий: 1-я — на­грев до заданной температуры, 2-я — выдержка при этой температуре установленное время и 3-я — охлаждение с не­обходимой скоростью. Для стали применяются следующие способы термообработки.

Нормализация стали. Состоит в нагреве до температуры, на 30— 50°С превышающей критическую точку (800—950аС) для данной стали, некоторой выдержке при этой температу­ре до полного равномерного прогрева п перекристаллиза­ции, а затем охлаждения на воздухе. При нормализации углеродистые, низколегированные и легированные стали получают мелкозернистую структуру, состоящую из ферри­та и перлита (механическая смеси феррита с цементитом). Нормализацию применяют для улучшения структуры изде­лий и снятия оставшихся внутренних напряжений в метал­ле после гибки, ковки к сварки.

Отжиг стали. Режим нагрева тот же, что и при нормализации, но охлаждение более медленное, осуществляемое вместе с охлаждением печи; применяют для повышения пластично­сти металла перед гибкой, вытяжкой и сваркой. В зависи­мости от целей термообработки применяют различные виды отжига, а именно: полный перекристаллизационный отжиг для измельчения зерна и снятия внутренних напряжений; диффузионный отжиг с нагревом до 1100 —1150°С для вы­равнивания химического состава слитков; отжиг на зернис­тый перлит для улучшении обрабатываемости инструмен­тальных сталей; изотермический отжиг для полного превра­щения аустенита s перлит и получения равномерной структуры. В зависимости от вида применяемого отжига сталь получает ту или иную структуру, сообщающую метал­лу нужные свойства

Закалка стали. Режим нагрева тот же, но охлаждение быстрое в воде, в 10%-ном растворе едкого натра (для углеродис­тых сталей) или в трансформаторном масле (для специаль­ных сталей) . При этом углеродистые, низколегированные и легированные стали приобретают мартенситную структуру. Мартенситом называется пересыщенный твердый раствор углерода в чистом железе (феррите). Мартенсит обладает высокой твердостью, но отличается хрупкостью, Скорость охлаждения при закалке в первый момент охлаждения должна быть выше критической скорости закалки, т. е. наи­меньшей скорости охлаждения (град/сек), при которой об­разуется структура чистого мартенсита. Например, для углеродистых сталей, содержащих 0,8—1,0% углерода, критическая скорость закалки равна 400 град/сек, а для сталей, содержащих менее 0,3% углерода, — более 1200 град/сек. Стали, содержащие более 0,3 и менее 0,8% углерода, имеют критическую скорости закалки туг 400 до 600 град/сек.

При обработке низколегированных и легированных ста­лей закалку применяют для увеличения твердости и проч­ности, за счет частичного снижения пластичности стали. Высоколегированные стали закаливают для получения ха­рактерной для них структуры — аустенитнон или ферритной. Малоуглеродистые стали при закалке не изменяют своих механических свойств и поэтому закалке не подвергаются.

Отпуск стали. Состоит в нагреве до температуры критической точил (720°С), некоторой выдержке при этой температуре до полного равномерного нагрева и последующем охлажде­нии на воздухе или в масле. Получаемая структура зависит от температуры нагрева. Для среднеуглеродистых, высоко-углеродистых, низколегированных и легированных сталей можно получить следующие структуры: сорбитную (550— 700С), трооститную* (400—550°С), мартенситную (200— 400° С).

Отпуск производят после закалки с целью уменьшения твердости и снятия закалочных напряжений. Отпуск после сварки, называемый также низким отжигом (600—680°С), применяют для снятия внутренних термических напряже­ний, возникших в изделии в процессе сварки.

* Сорбит и троостит — структуры, сходные с перлитом, щие собой механическую смесь феррита в цементита, которые отли­чаются только размерами пластинок составные частей сплава.