Конструкционная сталь

К промышленным механизмам и строительным конструкциям предъявляются высокие требования по качеству и стойкости, поэтому для их производства применяются стали, гарантирующие безаварийную эксплуатацию в различных условиях окружающей среды. Этим требованиям соответствуют конструкционные стали, обладающие необходимыми параметрами физико-химических и механических свойств.

Справочная информация

Конструкционные стали — особые сплавы с заданным набором физико-механических свойств, обеспечивающих высокую сопротивляемость к разрушению изготовленных из нее конструкций.

Конструкционные стали делят на:

• углеродистые;
• легированные.

1. Углеродистая конструкционная сталь

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества и качественная являются дешевыми, имеют широкий диапазон свойств, однако обладают небольшой прокаливаемостью, поэтому применяются для некрупных, несложных и неответственных деталей машин.

Качество металлопроката этого типа может быть обыкновенным и высоким. Материал обыкновенного качества является более дешевым (за счет меньшей очистки от вредных компонентов) и отличается большим количеством неметаллических включений.

На качество углеродистых сталей влияет содержание в них вредных добавок:

• фосфор наделяет металлопрокат способностью к растрескиванию и поломкам по ходу механической обработки;
• сера способствует трещинообразованию под действием высокого давления во время горячей обработки (спектр красного каления).

Применение деталей из углеродистой стали с высоким содержанием фосфора и серы оправдано при необходимости повышения степени обрабатываемости изделия методом резания (автоматные виды сталей).

1.1 Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества предназначены для изготовления горячекатаного проката (сортового, фасонного), холоднокатаного тонколистового проката, ленты, проволоки, слитков, катаных и непрерывно-литых труб, поковок и штамповок и т.д.

Согласно ГОСТ 380-2005 углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества подлежит классификации по трем характерным группам:

1.2 Углеродистая конструкционная качественная сталь

Углеродистые качественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений.

Поставляются в виде проката и поковок с гарантированными химическим составом и механическими свойствами.

Для многих конструкций и машин, работающих в северных районах, большое значение приобретает температура перехода стали в хрупкое состояние.

Порог хладноломкости для мартеновской стали Ст3:

• для кипящей стали при 0°С
• для спокойной стали при -40°С

Поэтому применение кипящей и полуспокойной стали для северных регионов недопустимо. Понижение порога хладноломкости спокойной стали до -60…-100°С возможно путем улучшения (закалки с последующим высоким отпуском) или нормализации.

Качественные углеродистые стали выплавляют с повышенным контролем в отношении состава шихты, ведения плавки и разливки для обеспечения более высоких требований (ГОСТ 1050—88) по хим.составу, содержанию неметаллических включений и регламентированной макро - и микроструктурой.

2 Легированные конструкционные стали

Для конструкций в строительстве, а также для деталей машиностроения и приборостроения, наряду с углеродистыми качественными сталями, применяют легированные стали. Легирование металла наделяет готовые изделия рядом специальных свойств, улучшает технологические, прочностные и физико-химические характеристики.

Содержание углерода в этой группе сталей обычно не превышает 0,5-0,6%, а основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Si и Mn.

В зависимости от процентного содержания легирующих элементов стали подразделяются:

• низколегированные стали - до 2,5% легирующих элементов;
• среднелегированные стали – 2,5…10% легирующих элементов;
• высоколегированные стали - свыше10 % легирующих элементов.

В зависимости от основных легирующих элементов, сталь легированная конструкционная выпускается следующих групп (согласно ГОСТ 4543-71):

• хромистая (15Х, 15ХА, 40Х, 45Х и др.);
• марганцовистая (15Г, 30Г, 10Г2, 40Г2, 50Г2 и др.);
• хромомарганцевая (16ХГ,30ХГТ, 35ХГ2 и др.);
• хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС);
• хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая (15ХМ, 20ХМ, 30Х3МФ и др.);
• хромованадиевая (15ХФА, 40ХФА);
• никельмолибденовая (15Н2М, 20НМ);
• хромоникелевая и хромоникелевая с бором (20ХН, 40ХН, 20ХНР и др.);
• хромокремнемарганцевая и хромокремнемарганцевоникелевая (20ХГСА, 25ГСА, 30ХГС и др.);
• хромомарганцево-никелевая и хромомарганцево-никелевая с титаном и бором (15ХГН2ТА, 20ХГНР, 38ХГН, 20ХГНТР);
• хромоникельмолибденовая (18Х2Н3МА, 40ХН2А, 25Х2Н4МА и др.);
• хромоникельмолибденовая и хромоникелеванадиевая (30ХН2МФ, 20ХН4ФА и др.);
• хромоалюминиевая и хромоникелеалюминиевая с молибденом (38Х2Ю, 38Х2МЮА и др.).

Легированная конструкционная сталь применяется для ответственных узлов механизмов, работающих при тяжелых нагрузках. Для обеспечения высокой конструктивной прочности такие детали обязательно проходят окончательную термообработку.

В зависимости от назначения легированные конструкционные стали делят на:

• Строительные стали
• Высокопрочные стали
• Цементуемые стали
• Улучшаемые стали
• Рессорно-пружинные стали
• Подшипниковые стали
• Автоматные стали
• Стали для холодной штамповки (низкоуглеродистые качественные марки сталей)

2.1 Строительные стали

В качестве строительных сталей используют:

• Углеродистые стали обыкновенного качества,
• Низколегированные стали

Основное требование к строительным сталям – хорошая свариваемость.

Низколегированные стали содержат не более 0,18% С и в небольших количествах Cr, Mn, Si(для увеличения закаливаемости), а также могут содержать V, Ni, Nb и Cu.

2.2 Высокопрочные стали

Высокопрочные стали имеют высокий предел прочности (примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей). Такой уровень прочности можно получить у среднеуглеродистых легированных марок: 30ХГСН2А, 40ХН2МА, 30ХГСА, 38ХН3МА, 03Н18К0М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ

Стали этого вида применяют в космической, ракетной, авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения.

Основные технико-экономические факторы, определяющие эффективность применения высокопрочных сталей в металлоконструкциях:

• получение новых эксплуатационных характеристик в виде повышенной прочности металла (хладостойкость);
• повышение надежности и долговечности конструкций из высокопрочных сталей;
• уменьшение веса конструкций (при сохранении высокой прочности) и, следовательно, снижение расходов на изготовление, монтаж, транспортировку и эксплуатацию.

Высокопрочные стали при необходимой прочности должны иметь достаточные пластичность, сопротивление динамическим нагрузкам, ударную вязкость, усталостную прочность, а для сварных конструкция и хорошую свариваемость.

Получение сталей высокой прочности неизбежно ведет к понижению характеристик пластичности и, прежде всего, хрупкому разрушению.

Надежность стали в конструкции может быть охарактеризована конструктивной прочностью.

Параметры конструктивной прочности:

• предел текучести (σ_т, σ_0,2)
• параметр вязкости разрушения (трещиноустойчивости) –К_1с

Основные группы высокопрочных сталей:

1. Высокопрочные строительные стали
2. Высокопрочные машиностроительные стали
3. Мартенситно-стареющие стали

1. Высокопрочные строительные стали

К этим сталям относятся низколегированные стали с пределом текучести σ_т = 400…750 МПа

Получение оптимального соотношения прочности и пластичности стали достигают несколькими способами:

• карбонитридным упрочнением
• термической обработкой
• контролируемой прокаткой
• созданием малоперлитных и бейнитных сталей

Карбонитридное упрочнение

Карбонитридное упрочнение – это способ воздействия на структуру и свойства сталей посредством образования упрочняющих дисперсных фаз при легировании стали ванадием и ниобием (иногда дополнительно алюминием и титаном) в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,03%).

Главными факторами карбонитридного упрочнения являются дисперсионное упрочнение и измельчение зерен стали.

Такие стали обладают наивысшей прочностью и наименьшей температурой перехода из вязкого состояния в хрупкое.

Марки представители: 15ГФ, 15Г2СФ, 10Г2Б, 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ, 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ.

Стали с карбонитридным упрочнением применяются для изготовления наиболее ответственных сварных металлоконструкций, эксплуатируемых как в обычных климатических условиях, так и в районах с температурой ниже -40°С. Достигаемая при этом экономия металла в сравнении с его расходом из обычной низколегированной стали типа 10Г2С1 и 14Г2 составляет 15-30%, а по сравнению с конструкциями из углеродистой стали Ст3 – около 30-50%.

Малоперлитные и бейнитные стали

Малоперлитные стали

Имеют пониженное содержание углерода (до 0,1%), что приводит к повышению ударной вязкости и пластичности, снижению порога хладноломкости и улучшению свариваемости.

Снижение прочностных характеристик компенсируется введением в сталь карбонитридообразующих элементов – ванадия, ниобия, азота и алюминия.

Низкоуглеродистые бейнитные стали

Благодаря специальному легированию имеют такую устойчивость переохлажденного аустенита, которая обеспечивает после контролируемой прокатки превращение аустенита с образованием продуктов промежуточного превращения – игольчатого феррита.

Бейнит- игольчатая структура железоуглеродистых сплавов, образующаяся при термообработке в результате промежуточного превращения аустенита. Отсюда свое название получили бейнитные стали.

2. Высокопрочные машиностроительные стали

К высокопрочным машиностроительным сталям относят стали с временным сопротивлением σ_в> 1600 МПа и σ_0,2> 1400 МПа. Стали с пределом текучести более 2000 МПа называют сверхвысокопрочными.

Основные виды высокопрочных машиностроительных сталей:

• легированные низкоотпущенные стали (легируют хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, кремнием);
• дисперсионно-твердеющие стали – используют для изготовления высокопрочных изделий с высокой устойчивостью к повышенным температурам;
• стали со сверхмелким зерном (диаметр зерна менее 10 мкм) – способ получения: специальные методы сверхскоростного нагрева и спец.схемы охлаждения;
• ПНП-стали (ПНП – пластичность, наведенная превращением).

3. Мартенситно-стареющие стали

Мартенситно-стареющие стали это стали с низким содержанием углерода (0,03 % и менее). Их упрочнение происходит при отпуске за счет выделения в мартенсите не карбидных, а интерметаллидных фаз.

Для достижения высокой прочности мартенситно-стареющие стали легируют никелем и хромом, которые образуют с другими легирующими элементами упрочняющие интерметаллидные фазы.

Высокие прочностные свойства в мартенситно-стареющих сталях сочетаются с более высокими по сравнению с углеродистыми сталями параметрами трещиностойкости.

Мартенситно-стареющие стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей свариваемостью. Из-за высокой прочности при термической обработке они не коробятся и в процессе старения не меняют своих размеров. Высокое содержание хрома и никеля обеспечивает высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах и особенно высокое сопротивление коррозии под напряжением.

Мартенситно-стареющие стали являются дорогостоящими, но тем не менее из-за сочетания высоких механических свойств с хорошей технологичностью, их достаточно широко используют как конструкционные материалы в наиболее важных отраслях: для изготовления деталей ракет, самолетов, космических аппаратов; в инструментальной промышленности - для изготовления матриц штампов горячего прессования, пресс-формы для литья и т.д.

2.3 Цементуемые стали

К этой группе относят малоуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,1-0,3%), и некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН, 12ХН3А и др.)

После цементации проводят закалку и низкий отпуск.

Цементуемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом незначительные динамические нагрузки.

2.4 Улучшаемые стали

Стали этой группы содержат 0,3-0,5% С и подвергаются улучшению (закалке и высокому отпуску).

К улучшаемым сталям относятся:

- среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50)

- хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х..)

- хромистые стали с бором (30ХРА, 40ХР..)

- хромоникелевые

- хромокремниемарганцевые

- хромоникельмолибденовые

Применяются для изготовления деталей, работающих при средних и высоких нагрузках: шпинделей и валов в подшипниках скольжения, червячных валов, роторов, крепежных деталей, работающих при высоких температурах, крупных зубчатых колес, валков горячей прокатки и т.д.

2.5 Рессорно-пружинные стали

Эти стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости), высоким пределом усталости при достаточной пластичности, высокой прокаливаемостью и отсутствием отпускной хрупкости. В основном пружинные стали содержат 0,5-0,7% С и подвергаются закалке и среднему отпуску.

Пружинные стали бывают низколегированными и среднеуглеродистыми, поставляются по строго заданным нормируемым характеристикам: химический состав, механические свойства и назначение.

К пружинным относят углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, повышающими предел упругости – кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Из рессорно-пружинной стали изготавливают рессоры, пружины общего назначения, пружины клапанов автомобилей, амортизаторов, замковые шайбы, диски сцепления, эксцентрики, бандажи, тормозные барабаны и ленты, фрикционные диски, шайбы пружинные, торционные валы и другие детали, от которых требуется высокая упругость и износостойкость, в том числе тяжело нагруженные пружины и рессоры для большегрузных автомобилей, тракторов и железнодорожных вагонов.

2.6 Подшипниковые стали

Подшипниковые стали имеют высокие механические свойства (особенно после закалки): твердость, прочность, ударную вязкость, износостойкость, теплостойкость и контактную выносливость. Также к ним предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости.

Технологические свойства подшипниковых сталей: ковкость, обрабатываемость резанием, шлифуемость, прокаливаемость и низкая склонность к отпускной хрупкости; свариваемость ограниченная.

К подшипниковым сталям предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости.

Из этой стали изготавливают шарики, ролики, кольца, плунжеры, втулки, нагнетательные клапаны и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Основные подшипниковые стали содержат около 1% С и легированы Cr. Обычно такие стали характеризуются наличием хрома (ШХ15, ШХ9)

Подшипниковая сталь, легированная кремнием и марганцем, идет на изготовление подшипников, работающих при повышенных температурах.

2.7 Автоматные стали

Автоматные стали обладают высокими технологическими свойствами: ковкостью, свариваемостью и особенно хорошо обрабатываются при больших скоростях резания с получением высокого качества поверхности. Применение автоматных сталей позволяет снизить расход режущего инструмента.

Эффективным способом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой.

Вредное влияние серы в этих сталях нейтрализуется повышенным содержанием марганца, который образует с серой сульфиды MnS, представляющих из себя вытянутые вдоль прокатки включения, способствующих образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфидов марганца.

Фосфор, повышая прочность, твердость и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.

Конструкционные стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием обладают повышенными вязкостью, пластичностью и усталостью, поэтому имеют ограниченное применение. Недостаток таких сталей – пониженная пластичность.

Углеродистые сернистые стали используют для изготовления неответственных крепежных малонагруженных деталей массового производства (обрабатываемых на станках-автоматах), к которым предъявляются требования высокой точности и низкой шероховатости поверхности: винты, болты, гайки и др.. Другие группы автоматных сталей используют для деталей, работающих при более высоких напряжениях и нагрузках. Например, стали марок А12, А20, А30 и А40Г идут на изготовление осей, зубчатых колес, шестерен, винтов, болтов, втулок, колец и других деталей сложной формы, получаемых на станках-автоматах и требующих высокого качества поверхности.

Используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.), обрабатываемых на станках-автоматах.

3 Маркировка

С учетом требований к содержанию вредных примесей, маркировка конструкционных сплавов отличается следующими особенностями:

Пример маркировки