Конструкционные стали.

Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).

8.1. Классификация конструкционных сталей.

Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 - 0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5 %, в среднелегированных содержится от 5 до 10 %, в высоколегированных — более 10 %.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством стали понимают 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 0,050 % S и 0,040 % P:качественные — не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные — не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественные — не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для 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 только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Вы­деление пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.

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

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют, на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные – всех классов.

8.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей.

Стали — сложные по составу железо-углеродистые сплавы. Кроме железа и углерода — основных компонентов, а также возможных легирующих элементов стали содержат некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на их свойства.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8 %, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

После отжига углероди­стые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита, кото­рый отличается высокой твер­достью и хрупкостью, увели­чивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, возрастает прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость (рис. 50). Кроме того, углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние. Каждая 0,1 % С повышает верхнюю границу этого перехода примерно на 20°С. При 0,4 % С порог хладноломкости равен 0°С, при большей концентрации углерода эта температура достигает 20 °С; такие стали менее надежны в работе.

Углерод изменяет технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

Постоянные примеси в стали: Mn, Si, S, P, а так же газы О₂, N₂, H₂.

Марганец — полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3 - 0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

Кремний — полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.

Сера — вредная примесь, вызывающая красноломкость стали —хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в видесульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов FeS, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается.

От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфид MnS, исключающий образование легкоплавкой эвтектики.

Устраняя красноломкость, сульфид MnS, так же как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды и т.п.), служат концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость сталей. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор — вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость — снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости. Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 25°С. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.

Фосфор — крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления, поэтому основной путь его снижения — повышение качества шихты.

Кислород, азот и водород — вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению.

Кислородные включения способствуют красно- и хладноломкости, снижают прочность.