Углеродистые стали, их виды и марки

В соответствии с ГОСТами выплавляются следующие основные виды углеродистых сталей: низкоуглеродистые (менее 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С); по назначению: на конструкционные обыкновенного качества и качественные (в том числе – цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные), инструментальные для режущего и измерительного инструмента, а также штампов холодного (менее 200 °С) и горячего прессования.

Сталь углеродистая обыкновенного качества конструкционная выплавляется по ГОСТ 380–85 и поставляется потребителю в виде прутков, листов и других профилей проката. В зависимости от назначения и гарантируемых металлургическим заводом характеристик сталь подразделяется на три группы: А, Б, В, которые, в свою очередь, делятся на категории.

Сталь группы А поставляется по механическим свойствам и изготовляется следующих марок: Ст0, Ст1 кп (сп), Ст2 кп (пс и сп), Ст3 кп (пс, гпс, гсп), Ст4 кп (пс), Ст5 пс, Ст6сп (пс).

Сталь группы Б поставляется по гарантированному химическому составу и изготовляется следующих марок: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6.

Сталь группы В поставляется по гарантированным механическим свойствам и химическому составу и изготовляется следующих марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Знание химического состава необходимо в том случае, когда сталь у потребителя подвергается горячей штамповке, а изготовленные из неё детали – термической обработке, поскольку температура нагрева выбирается в зависимости от содержания углерода в стали.

По степени раскисления сталь всех групп с номерами 1, 2, 3, 4 изготовляется кипящей, спокойной и полуспокойной, а с номерами 5 и 6 - только спокойной и полуспокойной. Стали Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяются. Сталь марок ВСт1, ВСт2, ВСт3 всех степеней раскисления поставляется с гарантией свариваемости.

Расшифровка марок:

а) буквы Б и В перед буквами Ст – группа стали; группа А не указывается, например Ст3, БСт3, ВСт3;

б) буквы Ст – сталь, цифры, от 0 до 6 – условный номер марки; с повышением номера растет содержание углерода в стали и ее прочность. Например, в сталях Ст3 и Ст5 содержание углерода соответственно: 0,14–0,22 и 0,23–0,37 %; временное сопротивление σ_В: 380–490 (38–49) и 560–640 (56–64) МПа (кгс/мм²);

в) буквы, добавляемые после номера марки, – степень раскисления: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная, например Ст3кп;

г) буква Г – повышенное содержание марганца (Ст3Гпс, ВСт3Гсп);

д) цифра в конце марки – категория стали (Ст3пс2, БСт3кп2, ВСт3Гпс3).

Сталь качественная конструкционная выплавляется по ГОСТ 1050–88, поставляется по химическому составу и механическим свойствам следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Марка означает среднее содержание (массовую долю) углерода в сотых долях процента. Помимо указанных, поставляются стали марок 05 и 58 (55 пп – сталь пониженной прокаливаемости).

По раскисленности выплавляются стали: кипящие (кп) – 05 кп, 08 кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп; полуспокойные (пс) – 08 пс, 10 пс, 15 пс, 20 пс (листовая сталь для холодной штамповки); спокойные (сп) – 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 (индекс сп в марке не ставится).

По состоянию сталь изготовляется без термической обработки, термически обработанная Т (отожженная, высокоотпущенная или нормализованная) и нагартованная Н (калиброванная, серебрянка).

По назначению различают подгруппы стали: а – для горячей обработки давлением; б – для холодной механической обработки (обточки, фрезерования, строжки и т.д.); в - для холодного волочения.

Рессоры и пружины изготовляются из сталей, выплавляемых по ГОСТ 14959–79 (сталь рессорно-пружинная углеродистая и легированная). Углеродистая рессорно-пружинная сталь поставляется в виде прутков круглого, квадратного и профильного сечения, полос и мотков следующих марок: 65, 70, 75, 80 и 85.

Сталь инструментальная углеродистая выплавляется по ГОСТ 1435–90, поставляется по химическому составу и механическим свойствам (твердости). По химическому составу сталь делится на качественную и высококачественную. Качественные стали содержат вредные примеси серы не более 0,03 и фосфора 0,035 %. В высококачественных сталях – серы не более 0,02 % и фосфора 0,03 %, меньше чем в качественных сталях неметаллических включений, а также более сужены пределы содержания, кремния и марганца. Сталь поставляется в отожженном состоянии твердостью НВ 187–217. Твердость после закалки HRC 62.

Марки сталей: качественных – У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественных – У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Выпускаются также стали с повышенным содержанием марганца марок У8Г и У8ГА, в которых содержание марганца находится в пределах 0,35–0,60 %.

В обозначении марки буква У означает углеродистую инструментальную сталь, цифры - среднее массовое содержание углерода в десятых долях процента, буква А – сталь высококачественную, буква Г – повышенное содержание марганца.

– зубила, молотки, отвертки, центры токарных станков (У7, У7А);

– пуансоны, матрицы, ножницы, пилы (У8, У8А);

– керны, деревообрабатывающий инструмент (У9, У9А);

– резцы, метчики, развертки, фрезы (У10, У10А);

– штампы вырубные, пилы, пресс-формы (У11, У11А);

– резцы, сверла, фрезы, метчики (У12, У13,У13А).

Сталь автоматная выплавляется по ГОСТ 1414–75 следующих марок: А11, А12, А20, А30, А35Е, А40Г. Стали содержат вредные добавки серы 0,08–0,25 и фосфора 0,06–0,15 %. Для улучшения обрабатываемости резанием в стали вводят свинец (до 0,3 %), марганец (до 1,5 %) и селен (до 0,1 %) (АС14, АС35Г и А35Е).

Область применения:

– детали крепежа (болты, гайки);

– втулки, валики, детали двигателя.

Сталь литейная выплавляется по ГОСТ 977–79 следующих марок: 15Л, 20Л, …, 55Л.

Легированные стали, их виды и марки

Легированные стали отличаются от углеродистых сталей:

– повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии;

– значительной ударной вязкостью;

– высокими значениями σ_т и γ;

– большим электросопротивлением;

– обладают лучшей прокаливаемостью;

– увеличивают количество остаточного аустенита.

В диаграмме состояния Fe –легирующий элемент Ni и Mn – расширяют область существования γ-фазы; Мо, Тi – сужают область существования γ-фазы; Si, Al, W, Sn, Mo и Ti – расширяют область α-фазы. Основными легирующими элементами в стали являются Cr, Ni, Si, Mn. Никель – увеличивает пластичность и вязкость стали; уменьшает температуру порога хладноломкости [1 % Ni – на 60–80 °С]; уменьшает чувствительность стали к концентрации напряжения. Хром увеличивает жаростойкость и коррозионную стойкость стали; увеличивает электрическое сопротивление; уменьшает коэффициент линейного расширения; увеличивает прокаливаемость стали; замедляет распад мартенсита. Кремний увеличивает жаростойкость стали [5 % Cr + 1 % Si →12 % Cr]; затрудняет формирование и рост цементитных частиц; используется как раскислитель при плавке стали.

W, Mo, V, Ti, B – дополнительно улучшают свойства стали. Mo и W – увеличивают прокаливаемость стали (+ Ni); способствуют измельчению зерна; подавляют отпускную хрупкость стали.

V, Ti, Ni, Zr – образуют труднорастворимые в аустените карбиды; (до 0,15 %) измельчают зерна; снижают порог хладноломкости.

В – повышает прочность и прокаливаемость стали (0,001–0,005 %).

Эффективность легированных элементов достигается при их оптимальном содержании в стали.

легированные стали классифицируют:

- по типу равновесной структуры;

- структуре после нормализации;

- химическому составу;

- назначению.

Легированные стали относят: к доэвтектоидным (феррит + легированный перлит); заэвтектоидным (легированный перлит + карбиды); эвтектоидным.

Разделяют стали на 3 основных класса:

– перлитный (сорбит, тростит и бейнит);

– мартенситный (в легированных);

– аустенитный (в высоколегированных).

Легированные стали делятся:

– по химическому составу: на хромистые; марганцовистые; хромоникелевые; хромоникельмолибденовые и т.д.;

– по общему количеству легирующих элементов в них: на низколегированные (до 2,5 %); легированные (2,5–10 %); высоколегированные (свыше 10 %);

– по назначению: на конструкционные (цементуемые, улучшаемые); инструментальные; с особыми свойствами («автоматные» пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и др. стали).

Маркировка легированных сталей: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, Т – титан, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные, Ю – алюминий.

Машиностроительные цементируемые улучшаемые стали содержат 0,1–0,3 % углерода и 0,2 – 4,4 % легирующих элементов. После насыщения углеродом, закалки и низкого отпуска детали из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (до 58–63 HRC) при вязкой центральной части. Стали 15ХФ, 15Х, 20Х (с пределом текучести до 700 МПа) используют для изготовления небольших нагруженных деталей, испытывающих средние по величине знакопеременные и ударные нагрузки. Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А (с пределом текучести более 700 МПа) используют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания, при повышенных нагрузках. Особо ответственные детали, например зубчатые колеса авиационных и судовых двигателей, изготавливают из сталей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Экономно легированные стали 18ХГТ, 30ХГ, 25ХГТ имеют наследственную мелкозернистую структуру, что позволяет сократить технологический цикл обработки детали. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей крупносерийного и массового производства.

Машиностроительные улучшаемые легированные стали содержат 0,3–0,5 % углерода и до 5 % легирующих элементов. Используются преимущественно после улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500 – 600 °С на сорбит). Основное применение – ответственные детали машин, эксплуатируемые при воздействии циклических или ударных нагрузок. Для изготовления средненагруженных небольших деталей машин и механизмов без значительных динамических нагрузок применяют хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержа­ния углерода возрастает прочность этих сталей, но несколько снижается их вязкость и пластичность. Из хромоникелевых сталей 40ХН, 50ХН, а также из хромокремнемарганцевых сталей 30ХГСА, 35ХГСА, которые обладают высокими прочностными и вязкостными свойствами, изготавливают ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.

Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38ХМЗМА обладают повышенными механическими свойствами при температуре до 450 °С.

Мартенситостареющие высокопрочные стали (с пределом прочности 1800–2000 МПа) – безуглеродные (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Высокие механические свойства сталей HI8K9M5T, H12KI5M10 достигаются за счет совмещения мартенситного g ® a-превращения, старения мартенсита и легирования твердого раствора. Эти стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали теплоустойчивы до температур 500 – 700 °С. Находят применение для ответственных деталей в авиации, судостроении.

Износостойкие конструкционные стали обладают высоким сопротивлением контактной усталости и истиранию за счет высокой твердости, однородности структуры, минимального содержания неметаллических включений и металлургических дефектов. Термическая обработка (закалка и низкий отпуск) стали ШХ15ГС обеспечивает их твердость HRC 60–66. Для деталей, работающих в агрессивных средах (морской воде, слабых растворах кислот, щелочах), применяют коррозионностойкую высокоуглеродную сталь 95X18. Детали, эксплуатируемые при воздействии ударных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп, а следовательно, снижение износостойкости обычных сталей, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали Г13Л. Для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения скольжения, применяют графитизированную сталь, имеющую структуру ферритно-цементитной смеси и графита. Последний играет роль смазочного материала, предотвращающего схватывание контактирующих деталей.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы устойчивы к коррозии на воздухе, в воде (в т.ч. морской), в ряде кислот, солей и щелочей. Из хромистых сталей Х25Т, Х28, имеющих ферритную структуру, изготавливают детали, эксплуатируемые в высокоагрессивных средах, например в кипящей азотной кислоте. Хромоникелевые стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х12Н10Т, имеющие аустенитную структуру, используют в авиа- и судостроении.

Жаропрочные стали и сплавы обеспечивают эксплуатацию деталей при температуре свыше 500 °С. Для деталей, эксплуатируемых в среде с температурой 500 – 580 °С, используют низкоуглеродистые стали, имеющие структуру пластинчатого перлита, легированные кобальтом, молибденом, ванадием, в частности 16М, 25ХМ, 12Х1МФ. Нагруженные детали, эксплуатируемые в среде с температурой до 450-470 °С, изготавливают из высокохромистых сталей 15X11НМФ, 1ХКВНМФ, имеющих в зависимости от температуры отпуска структуру сорбита или троостита.

Пластичность

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины (τ_к). Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу наименьшая. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая (на рисунке плоскости скольжения 1 – 1, 2 – 2, 3 – 3, в отличие от плоскостей скольжения, показанных штриховыми линиями). Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Под действием внешней силы первой «заработает» та группа параллельных плотноупакованных плоскостей, которые составляют с осью растяжения угол 45 градусов. На площадках расположенных под этим углом к оси растяжения, касательные напряжения максимальны. Деформирование поликристаллических металлов, состоящих из множества зерен – монокристаллов, сопровождается сдвигом одних слоев металла в пределах каждого зерна относительно соседних по плоскостям скольжения. В результате каждое зерно вытягивается в осевом направлении и сжимается в двух других. (Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации).

Многочисленные эксперименты показывают, что плотность металлов при их пластической деформации практически не изменяется.

Процесс скольжения не следует, представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой синхронный, сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающие те, при которых в действительности протекает процесс деформации. (Касательное напряжение, необходимое для начала скольжения – одного порядка с модулем сдвига. Например для чистого железа G = 8·10⁴ МПа, а τ_упр ≈ 10 МПа. Расчеты Я.И.Френкеля).

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций.

Все атомы, участвующие в движении дислокации смещаются на расстояния, порядка межатомного. Если мы взглянем на кристалл (рисунок), то дислокация спроектируется в прямую линию которая будет стремится занять симметричное положение между двумя соседними плоскостями (позиция 4). Эта линия должна будет перейти в соседнюю аналогичную позицию, преодолев барьер, обозначенный пунктиром. Вначале в новое положение переходит лишь небольшая часть дислокации – позиция 5, а затем вся остальная.

Сколько дислокаций необходимо для обеспечения сдвиговой деформации заданной величины. Предположим, что касательное напряжение τ стремится вызвать сдвиг γ вправо части кристалла размерами l₁ и l₂. Когда дислокации пробегут путь l₁ от левой до правой грани кристалла, каждая из них даст на поверхности ступеньку величиной b. Пока ступенька есть только на левой грани кристалла, значит изменение его размера в направлении оси x, связанное с одной дислокацией, меньше b. Это изменение размера δ, составляет такую же долю от b, какую пробег дислокации x от l₁: . При x= l₁, получим δ=b. Полное изменение Δ, размера кристалла в направлении оси x будет равно сумме смещений δ, связанных с каждой дислокацией:

Δ = δ₁+ δ₂+…+ δ_n = (bnx)/ l₁, где n – число дислокаций, x – усредненная по всему кристаллу длина пробега дислокаций. Относительная деформация сдвига в плоскости xy равна изменению размера вдоль оси x, деленному на исходный размер вдоль оси y:

.

Но – плотность дислокаций ρ, поэтому приняв, что средний пробег дислокаций равен среднему расстоянию между ними , получим . В металлических кристаллах b равно (2 – 3)·10^{-8 см, для получения деформаций порядка процентов необходимо ~ 1013} дислокаций на 1 см².

Такая плотность дислокаций близка к предельной, так как среднее расстояние между ними порядка десятка межатомных расстояний. В кусочке сильно деформированного металла размером с булавочную головку суммарная длина дислокационных линий превышает расстояние от Земли до Луны.

Типичные значения плотности дислокаций в металле после затвердевания 10⁶ – 10⁸ см².