Конструкционная сталь и сплавы
Конструкционная сталь – это сталь, предназначенная для изготовления деталей машин (машиностроительная сталь), конструкций и сооружений (строительная сталь).
Углеродистая конструкционная сталь
Углеродистая конструкционная сталь подразделяется на сталь обыкновенного качества и качественную сталь.
Сталь обыкновенного качества бывает следующих марок — Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 (чем больше цифра, тем больше содержание углерода).
Сталь обыкновенного качества является самой дешевой. Сталь отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.
С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (sв) и текучести (s0.2) и снижается пластичность (d,y). Ст3сп имеет sв = 380-490МПа, s0.2 = 210-250МПа, d = 25-22%.
Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Такая сталь широко применяется в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций.
С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, которые не нуждаются в сварке.
Качественная углеродистая сталь выплавляется с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Содержание S<=0.04%, P<=0.035¸0.04%, а также меньшее содержание неметаллических включений.
Качественная углеродистая сталь маркируется цифрами 08, 10, 15,…, 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Низкоуглеродистая сталь (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладает высокой прочностью и высокой пластичностью. Sв = 330-340МПа, s0.2 = 230-280МПа, d = 33-31%.
Сталь без термической обработки используют для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.
Среднеуглеродистая сталь (0.3-0.5% С) 30, 35,…, 55 применяется после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (sв = 500-600МПа, s0.2 = 300-360МПа, d = 21-16%). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости.
Сталь с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,…, 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.
Легированная конструкционная сталь
Легированная сталь широко применяется в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Это стали применяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.
Сталь, в которой суммарное количество легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся к низколегированным, содержащие 2.5-10% — к легированным, и более 10% к высоколегированным (содержание железа более 45%).
Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении — легированные стали.
Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква “А”.
Строительная низколегированная сталь
Низколегированная сталь содержит не более 0.22% С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: до 1.8% Mn, до 1,2% Si, до 0,8% Cr и другие.
К этим сталям относятся стали 09Г2, 09ГС, 17ГС, 10Г2С1, 14Г2, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие. Стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки. Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются.
Для изготовления труб большого диаметра применяют сталь 17ГС (s0.2=360МПа, sв=520МПа).
Конструкционная (машиностроительная) цементируемая легированная сталь
Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистую (0.15-0.25% С) сталь. Содержание легирующих элементов в стали не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.
Хромистая сталь 15Х, 20Х предназначена для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистая сталь по сравнению с углеродистой обладает более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое, она чувствительна к перегреву и ее прокаливаемость невелика.
Сталь 20Х — sв=800МПа, s0.2=650МПа, d=11%, y=40%.
Хромованадиевая сталь. Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0.2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей.
Хромоникелевая сталь применяется для крупных деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом
Сталь 12Х2Н4А — sв=1150МПа, s0.2=950МПа, d=10%, y=50%.
Хромомарганцевая сталь применяется во многих случаях вместо дорогой хромоникелевой. Однако она менее устойчива к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевой.
В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.
Сталь 25ХГМ — sв=1200МПв, s0.2=1100МПа, d=10%, y=45%.
Хромомарганцевоникелевая сталь. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевой стали достигается дополнительным легированием их никелем.
После цементации эта сталь имеет высокие механические показатели.
Сталь 15ХГН2ТА — sв=950МПа, s0.2=750МПа, d=11%, y=55%.
Сталь, легированная бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.
В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.
Сталь 20ХГНР — sв=1300МПа, s0.2=1200МПа, d=10%, y=09%.
Конструкционная (машиностроительная) улучшаемая легированная сталь
Сталь имеет высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.
При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению — низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения К1с.
Хромистая сталь 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяется для средненагруженных деталей небольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Сталь 30Х — sв=900МПа, s0.2=700МПа, d=12%, y=45%.
Хромомарганцевая сталь. Совместное легирование хромом (0.9-1.2%) и марганцем (0.9-1.2%) позволяет получить сталь с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (40ХГ). Однако хромомарганцевая сталь имеет пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до −60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве.
Сталь 40ХГТР — sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.
Хромокремнемарганцевая сталь. Высоким показателями обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (самолетостроение). Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.
Сталь 30ХГС — sв=1100МПа, s0.2=850МПа, d=10%, y=45%.
Хромоникелевая сталь обладает высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Она применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.
Сталь 40ХН — sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.
Хромоникелемолибденовая сталь. Хромоникелевая сталь обладает склонностью к обратимой отпускной хрупкостью, для устранения которой многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали в воде для устранения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом.
Сталь 40ХН2МА — sв=1100МПа, s0.2=950МПа, d=12%, y=50%.
Хромоникелемолибденованадиевая сталь обладает высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками такоц стали являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Сталь применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.
Сталь 38ХН3МФА — sв=1200МПа, s0.2=1100МПа, d=12%, y=50%.
