Лекция 3. Конструкционные стали

План

3.1 Строительные стали

3.1.1 Горячекатаные стали

3.1.2 Низколегированные стали

3.1.3 Перспективные направления в создании строительных сталей

3.2 Арматурные стали

3.2.1 Совершенствование режимов термоупрочнения стержневой арматурной стали

3.3 Машиностроительные стали

3.3.1 Стали для глубокой вытяжки

3.3.2 Стали для цементации и нитроцементации

3.3.4 Азотируемые стали

3.3.5 Легкообрабатываемые стали

3.3.6 Пружинные и рессорные стали

3.3.7 Шарикоподшипниковые стали

Стали, применяемые для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должны обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого–либо одного свойства. Материал идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали – сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными. Таким образом, детали машин должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности имеет сталь, поэтому сталь является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам.

Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования являются эффективным способом повышения механических характеристик стали. На механические характеристики стали влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклеп. Упрочнение обычно ведет к уменьшению вязкости и пластичности. Износостойкость, коррозионная стойкость, выносливость, жаропрочность и некоторые другие показатели характеризуют долговечность. Сталь превосходит другие сплавы по прочности, уступая по некоторым, обычно менее существенным, свойствам как плотность, коррозионная стойкость, коэффициент линейного расширения, демпфирующая способность; поэтому в подавляющем числе случаев она является основным конструкционным материалом. При разработке составов конструкционных сталей и режимом их термической обработки нужно рассматривать в первую очередь такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени. Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1 %С и достигает всего лишь 1000 МПа, тогда как порог хладноломкости лежит ниже 0°С лишь при содержании углерода не более 0,4 %. Таким образом, предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с феррито–перлитной структурой составляет 0,4 %. Влияние легирующих элементов двояко: с одной стороны, они углубляют прокаливаемость и тем самым снижают порог хладноломкости, с другой стороны, они, растворяясь в феррите, повышают порог хладноломкости. Поэтому легировать конструкционные стали надо в меру, когда превалирует первый фактор, но, когда достигнута сквозная прокаливаемость, тогда первый фактор перестает действовать и такое избыточное легирование становится вредным. И исключение составляет никель, который понижает порог хладноломкости, хотя при полностью вязком разрушении, т. е. выше порога хладноломкости Ni, как и другие элементы понижает пластичность.

Под конструкционной прочностью понимают интегральную характеристику, которая включает показатели надежности и прочности, а также характеристики долговечности. Это следующие факторы:

· Статическая и динамическая прочность;

· Сопротивление хрупкому разрушению;

· Износостойкость;

· Сопротивление усталостному разрушению;

· Коррозионная стойкость и др.

К конструкционным сталям относятся:

1) строительные и арматурные стали;

2) машиностроительные стали:

– стали для глубокой вытяжки;

– цементуемые и азотируемые стали;

– улучшаемые стали;

– пружинные и рессорные стали;

– шарикоподшипниковые стали.

Строительные стали

Строительные стали – это углеродистые (низкоуглеродистые) или низколегированные стали, применяющиеся для изготовления металлоконструкций массового назначения: ферм мостов, телебашен, кожухов цистерн и др. Главные требования, предъявляемые к данным сталям:

– сочетание требуемых прочностных и пластических свойств, ударной вязкости, сопротивления разрушению с очень важными технологическими свойствами: свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием, хорошей деформируемостью в холодном и горячем состоянии;

– экономичность.

Свариваемость во многих случаях определяет возможность использования термически упрочненной стали в качестве конструкционного материала. Свариваемость характеризуется двумя основными особенностями: склонностью данной стали к закалке и чувствительностью ее к разупрочнению в околошовной зоне. Склонность к закалке обусловливает появление закалочных трещин; это свойство появляется тем более резко, чем ниже температура g®a превращения, т. е. чем более высоко содержание углерода и легирующих элементов, повышающих устойчивость аустенита. Поэтому для свариваемых сталей установлено определенное соотношение между содержанием углерода и легирующих элементов, определяемое так называемым углеродным эквивалентом:

= С …£ 0,46–0,48.

Хорошая свариваемость определяется тем, что может быть получено равнопрочное соединение при современных механизированных способах сварки (автоматическая и полуавтоматическая сварка).

Горячекатаные стали

Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380–71) в зависимости от назначения и гарантируемых при поставке свойств подразделяют на три группы: А, Б и В. В зависимости от нормируемых показателей (механических свойств, химического состава) сталь каждой группы подразделяется на категории. Категории определяют те характеристики, которые испытываются в данной стали. Категории в группах следующие: группа А – 1, 2, 3; группа Б – 1, 2; группа В – 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисленности изготовляют кипящей, полуспокойной и спокойной; сталь с номерами 5 и 6 – полуспокойной и спокойной.

Стали группы А (Ст2кп, Ст5сп, Ст3 и др.) поставляют с регламентированными механическими свойствами. Химический состав их не нормируется. Поэтому стали этой группы наиболее часто применяют в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке – ковке, штамповке, термообработке, следовательно, механические свойства горячекатаной стали сохраняются.

Стали группы Б (БСт3кп, БСт5пс, БСт6 и др.) поставляют с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Поэтому их применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от состава стали, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.

Стали группы В (ВСт2пс, ВСт3сп и др.) поставляют с регламентированными механическими свойствами и химическим составом. Как правило, такие стали применяют для изготовления сварных металлоконструкций, так как свариваемость стали определяется составом стали, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных изделий.

Строительные стали различаются по прочностным характеристикам:

1) Нормальной прочности, например, С 380¤260 (s_В = 380 МПа, s_Т = 260 МПа).

2) Стали повышенной прочности, например, С 460¤330, С 520¤400.

3) Высокопрочные стали, например, С 600¤450, С 700¤600, С 850¤750.