Вуглецеві конструкційні сталі

Сплави заліза з вуглецем до 2,14% С (точка Е на діаграмі стану системи Fe-C) при малому вмісті інших елементів називають вуглецевими сталями. Вуглецеві сталі завершують кристалізацію утворенням аустеніту. В їх структурі відсутня евтектика (ледебуритна), вони мають високу пластичність та добре деформуються. Вуглецеві сталі виплавляють в електропечах, мартенівських печах та кисневих конверторах. Найкращі властивості має електросталь, більш чиста по вмісту шкідливих домішок — сірки та фосфору, а також газів та неметалевих включень. Вона використовується для виготовлення найбільш відповідальних деталей. По способу розкислення розрізняють киплячі, напівспокійні та спокійні сталі. При однаковому вмісті вуглецю киплячі, напівспокійні та спокійні сталі мають близькі величини міцностних властивостей та розрізняються значеннями характеристик пластичності.

Властивості вуглецевих сталей залежать від вмісту вуглецю, а також від вмісту постійних та прихованих домішок. Вуглець є найважливішим елементом, який визначає структуру та властивості вуглецевої сталі. Навіть мала зміна вмісту вуглецю здійснює помітний вплив на властивості сталі. Зі збільшенням вуглецю в структурі сталі збільшується вміст цементиту. В конструкційних вуглецевих сталях вміст вуглецю складає до 0,8%, структура цих сталей складається з фериту та перліту. Ферит має низьку міцність, але він відносно пластичний. Цементит, який міститься у перліті, характеризується високою твердістю, але він крихкий. Через це зі збільшенням вмісту вуглецю збільшується твердість та міцність, та зменшується в'язкість і пластичність сталі.

Зменшення пластичності здійснюється при вмісті в сталі до 0,8-1,0% С. При вмісті вуглецю більше 0,8% зменшується не тільки пластичність, але й міцність сталі. Це пов'язано з утворенням сітки крихкого цементиту навколо перлітних зерен, яка легко руйнується при навантаженні.

Вуглець здійснює суттєвий вплив на технологічні властивості сталі: зварюваність, оброблюваність тиском та різанням. Зі збільшенням вмісту вуглецю погіршується зварюваність, а також спроможність деформуватися в гарячому та, особливо, в холодному станах.

Краще всього оброблюються різанням середньовуглецеві сталі, які містять 0,3-0,4% С. Низьковуглецеві сталі при механічній обробці дають погану поверхню та стружку, яка важко видаляється. Високовуглецеві сталі мають підвищену твердість, що знижує стійкість інструменту у зв’язку з посиленням крихкості.

Постійними домішками у вуглецевих сталях є марганець, кремній, сірка, фосфор, а також приховані домішки — гази: кисень, азот, водень.

Корисними домішками є марганець та кремній, їх вводять у сталь у процесі виплавки для розкислення. У вуглецевій сталі міститься до 0,8% Mn. Марганець у цих кількостях повністю розчиняється у фериті та зміцнює його, збільшує прогартовуємість сталі, а також зменшує шкідливий вплив сірки, зв'язуючи її: FeS+MnÛMnS+Fe. У повністю розкисленій вуглецевій сталі міститься до 0,4% Sі. Кремній ефективно розкислює сталь та, повністю розчиняючись у фериті, сприяє його зміцненню.

Шкідливими домішками в сталі є сірка й фосфор. Основне джерело сірки в сталі — вихідна сировина (чавун). Сірка знижує пластичність та в'язкість сталі, а також надає сталі червоноламкість при деформуванні. Марганець видаляє червоноламкість, тому що сульфіди марганцю не утворюють сітки по границям зерен та мають температуру плавлення біля 1620⁰С, що вище температури гарячої деформації.

Сульфіди марганцю, як і інші неметалеві включення, також знижують в'язкість та пластичність, зменшують міцність сталі від стомленості. Через це вміст сірки в сталі повинен бути як можна меншим.

Підвищений вміст сірки (до 0,2%) допускається лише в автоматних сталях для виготовлення кріпильних деталей невідповідального призначення. Сірка покращує обробку сталі.

Основне джерело фосфору — руди, із яких виплавляється вихідний чавун. Фосфор є шкідливою домішкою, спроможною розчинятись у фериті до 1,2%. Розчиняючись у фериті, фосфор зменшує його пластичність. Фосфор різко відрізняється від заліза по кристалічній гратці, діаметру атомів та їх будові. Фосфор сприяє покрихченню зерен, тому що розташовується поблизу границь зерен, підвищуючи температурний поріг холодноламкості.

Приховані домішки — кисень, азот, водень — знаходяться в сталі або у виді твердого розчину у фериті, або утворюють хімічні сполуки (нітриди, оксиди), або присутні у вільному стані в порах металу. Кисень та азот забруднюють сталь крихкими неметалевими включеннями, сприяючи зниженню в'язкості та пластичності. Водень знаходиться у твердому розчині та особливо сильно покрихчує сталь. Підвищений вміст водню, особливо в хромистих та хромонікелевих сталях, приводить до утворення внутрішніх тріщин-флокенів.

Навіть невеликі концентрації газів здійснюють різко негативний вплив на властивості, погіршуючи пластичні та в'язкі характеристики сталі. Через це вакуумування є важливою операцією для поліпшення властивостей сталі.

Вуглецеві сталі класифікують по структурі, способу виробництва та розкислення, по якості.

По структурі розрізняють: а) доевтектоїдну сталь, яка містить до 0,8% С, структура її складається з фериту та перліту; б) евтектоїдну, яка містить біля 0,8% С, структура складається тільки з перліту; в) заевтектоїдну, яка містить 0,8-2,14% С, структура складається із зерен перліту і вторинного цементиту, який звичайно розташований по границях перетвореного аустеніту.

По якості розрізняють сталі звичайної якості та якісні сталі. Сталі звичайної якості містять не більше 0,05% S та не більше 0,04% P. Якісні сталі містять не більше 0,04% S та не більше 0,035% P, вони менш забруднені неметалевими включеннями та газами. В особливо відповідальних випадках ці сталі містять менше 0,02% S та 0,03% P. Через це при однаковому вмісті вуглецю якісні сталі мають більш високі пластичність та в'язкість, особливо при низьких температурах. Якісним сталям віддають перевагу при виготовленні виробів, які експлуатуються при низьких температурах, а саме, в умовах Півночі та Сибіру.

Сталі звичайної якості виготовляють за ГОСТом 380-88. Позначають їх літерами “Ст” та цифрами від 0 до 6 (Ст0, ... Ст6). Літери “Ст” позначають “сталь”, цифри — умовний номер марки сталі в залежності від її хімічного складу. Наприкінці позначення марки стоять букви “КП”, “СП”, “ПС”, які вказують на спосіб розкислення: “КП” — кипляча, “СП” — спокійна, “ПС” — напівспокійна.

Чим більше цифра умовного номеру сталі, тим вищий вміст вуглецю. Вміст сірки в сталях усіх марок, крім Ст0, повинен бути не більше ніж 0,050%, фосфору не більше 0,040%, у сталі марки Ст0 сірки не більше 0,060%, фосфору — не більше 0,070%.

Якісні вуглецеві сталі виготовляють за ГОСТом 1050-88. Якісні сталі поставляють по хімічному складу і по механічним властивостям. До них пред'являють більш жорсткі вимоги по вмісту шкідливих домішок (сірки не більше 0,04%, фосфору не більше 0,035%). Для сталі марок Ст11КП та Ст18КП, які використовують для плакування, вміст сірки не повинен перевищувати 0,035%, фосфору — 0,030%.

Якісні вуглецеві сталі маркірують двозначними цифрами 05, 10, 15, ... 60, які вказують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотку. По вмісту вуглецю якісні вуглецеві сталі ділять на низьковуглецеві (до 0,25% С), середньовуглецеві (0,3-0,5% С) та високовуглецеві конструкційні сталі (до 0,65% С). При позначенні киплячої або напівспокійної якісної сталі ступінь розкислення не вказують.

Вуглецеві конструкційні сталі використовують як будівельні та машинобудівельні матеріали.

Автоматні сталі

Автоматними сталями є сталі з підвищеним вмістом сірки та фосфору (таблиця 6.1). Маркують автоматні сталі літерою А та двома цифрами, які вказують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотку (наприклад, А12, А20, А30…).

Автоматні сталі використовують для масового виготовлення кріпильних деталей на автоматичних станах. Основні вимоги, що пред’являються до автоматних сталей: гарна оброблюємість різанням, яка досягається за рахунок збільшення вмісту сірки та фосфору до 0,1-0,2% та за рахунок легування свинцем та селеном. Домішки сірки та фосфору покращують оброблюємість сталі і підвищують стійкість ріжучого інструменту в 2-2,5 рази. Добра оброблюємість автоматних сталей пов’язана з наявністю в структурі сталі великої кількості неметалевих включень сірнистого марганцю, який порушує сплошність металу, й більш крихкого зміцненого фосфором фериту. Тому при обробці автоматних сталей ріжучими інструментами утворюється крихка стружка, що особливо важливо при роботі на швидкохідних станках-автоматах.

Таблиця 6.1 – Хімічний склад автоматних сталей

Недоліком автоматних сталей є їх знижена динамічна міцність, у зв’язку з чим їх використовують для виготовлення маловідповідальних деталей (кріпильних та інших виробів).

Будівельні сталі

До будівельних сталей відносять конструкційні сталі, які використовуються для виготовлення металевих конструкцій та споруд, а також для арматури та залізобетону. Будівельні сталі використовують для виготовлення металоконструкцій будинків, споруд, мостів, кранів, вагонів, машин, естакад, бункерів, резервуарів. Ці сталі повинні мати певні сполучення міцностних та пластичних властивостей, високу в'язкість, корозійну стійкість, малу схильність до крихкого руйнування, а також мати гарні технологічні властивості: зварюваність, оброблюваність різанням, здатність до згинання, правлення та ін.

Будівельні сталі для металічних конструкцій ділять по категоріях міцності на декілька класів. Кожний клас міцності характеризується мінімально гарантованими значеннями часового опору розриву (чисельник) та межі текучості (знаменник): до класу міцності С380/230 відносять сталі нормальної міцності, до класів С460/330 та С520/400 прийнято відносити будівельні сталі підвищеної міцності, а до класів С600/450, С700/600, С850/750 — сталі високої міцності. Арматурні будівельні сталі в залежності від механічних властивостей ділять на класи від А-I до A-VII. Часовий опір при розтягуванні та межа текучості є основними розрахунковими характеристиками при проектуванні металоконструкцій та споруд. Від їх значень залежить перетин елементів конструкцій, а, відповідно, і їх вага.

Не менш важливим критерієм, який визначає експлуатаційну надійність будівельних конструкцій, є їх схильність до крихкого руйнування, яка найбільш часто характеризується температурою переходу з в'язкого в крихкий стан (поріг холодноламкості).

По холодостійкості будівельні сталі ділять на сталі без гарантованої холодостійкості, сталі холодостійкі до –40⁰С та сталі для металоконструкцій, які експлуатуються нижче –40⁰С (сталі “північного виконання”).

Зварюваність — одна з головних технологічних вимог, які пред'являються до будівельних сталей. Одним із найважливіших технологічних показників зварюваності є вуглецевий еквівалент:

С_ЕКВ=С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14+Cu/13+P/2 (6.1)

де вміст відповідних елементів викладений у відсотках (% ваг).

Вуглецевий еквівалент будівельних сталей не повинен перевищувати 0,45-0,48%. Найбільший вміст вуглецю в низьколегованих будівельних сталях, як правило, не перевищує 0,18%, і встановлюється тим нижче, чим більш легована сталь.

Будівельні вуглецеві сталі звичайної якості. В будівництві широко використовують вуглецеві сталі звичайної якості, як найбільш дешеві, технологічні, які мають комплекс властивостей, достатніх для багатьох металоконструкцій масового призначення. В основному ці сталі використовують у гарячекатаному стані без додаткового термічного оброблення. Як правило, вони мають ферито-перлітну структуру. У ряді випадків прокат піддають термічному зміцненню.

Крім будівництва, вуглецеві сталі звичайної якості використовують у машинобудуванні та інших галузях народного господарства.

1. Гарячекатані сталі.Вуглецеві гарячекатані сталі звичайної якості (ГОСТ 380-71) у залежності від призначення та властивостей, що гарантуються при поставці, підрозділяють на три групи: А, Б, В.

Сталі групи А поставляють із регламентованими механічними властивостями. Їх хімічний склад не нормується. Тому сталі цієї групи використовують у конструкціях та вузлах, що не піддають штампуванню та гарячій обробці.

Сталі групи Б поставляють із регламентованим хімічним складом, без гарантії механічних властивостей. Тому їх використовують для виробів, що піддають гарячій обробці, технологія якої залежить від складу сталі, а кінцеві механічні властивості визначаються саме обробкою.

Сталі групи В поставляють з регламентованими механічними властивостями та хімічним складом. Такі сталі використовують для виготовлення зварних металоконструкцій, тому що зварюваність сталі визначається складом сталі, а механічні властивості поза зоною зварювання визначаються в стані поставки. Сталі групи В дорожчі, ніж сталі групи А та Б, їх використовують для відповідальних виробів.

Кожна марка будівельної сталі може мати різну категорію, в залежності від кількості нормованих показників.

Позначаються будівельні вуглецеві сталі звичайної якості літерами “Ст”, за якими стоїть цифра, що вказує на порядковий номер марки сталі. Групи Б та В указують попереду марки. Група А в позначенні марки не вказується. Для позначення ступеню розкислення після номеру марки додають один з індексів “СП”, “ПС”, “КП”, а категорію нормованих властивостей (крім категорії 1) вказують наступною цифрою. Напівспокійні сталі можуть мати підвищений вміст марганцю (до 1,2%). У цьому випадку після номеру сталі ставлять букву “Г”.

Так, 1) ВСт3сп5 означає, що сталь Ст3 спокійна, групи В, категорії 5 (нормованими для цієї групи показниками є: хімічний склад, часовий опір при розтягуванні, межа текучості, відносне подовження, вигин у холодному стані, ударна в'язкість при –20⁰С та після механічного деформаційного старіння);

2) Ст2кп означає, що це сталь Ст2, кипляча, групи А, категорії 1 (нормовані показники: часовий опір при розтягуванні та відносне подовження);

3) БСт5Гпс2 означає, що це сталь Ст5, напівспокійна, з підвищеним вмістом марганцю, групи Б, категорії 2 (нормується вміст C, Mn, Si, P, S, As,N, Cr, Ni, Cu).

Найбільше використання в будівництві для виготовлення зварних металоконструкцій знаходить Ст3. Порівняно з нею сталі марок від Ст4 до Ст6 значно гірше зварюються, а сталі Ст0 до Ст2 — менш міцні.

Як арматурна з числа вуглецевих найбільше використання знаходить Ст5.

Суттєвим недоліком вуглецевих сталей є їх мала міцність та низька холодостійкість при експлуатації зварних металоконструкцій в умовах Півночі. Підвищення міцності та збільшення холодостійкості здійснюється шляхом термічного зміцнення вуглецевих сталей та використанням низьколегованих сталей.

2. Термозміцненні сталі.Термозміцнення є ефективним методом підвищення міцності вуглецевих сталей.

Сутність методу зміцнення прокату складається з того, що по закінченню деформування сталь з аустенітного стану охолоджується прискорено, що суттєво впливає на будову продуктів розпаду аустеніту, і концентрацію в них дефектів атомної структури.

Помітна зміна структури сталі в результаті термозміцнення в порівнянні з гарячекатаною викликає суттєву зміну механічних властивостей сталі (табл. 6.2).

Таблиця 6.2 - Механічні властивості гарячекатаної (чисельник) та термозміцненої (знаменник) вуглецевої сталі

К*=s_{В ТЗМІЦ}/s_ВГК. — ступінь зміцнення

Термозміцнення вуглецевих будівельних сталей дозволяє підвищити міцностні характеристики сталі в 1,3-1,5 і більше раз, знизити поріг холодноламкості, при цьому характеристики пластичності сталі залишаються відповідними нормам стандартів. У результаті використання термозміцненого прокату в будівництві досягається економія металу від 15 до 60% та підвищується надійність металоконструкцій та споруд. Термозміцнення з прокатного нагріву дозволяє одержати в металургії велику економію капіталовкладень, палива та енергії, зменшити втрати металу в окалину. Термозміцнена вуглецева сталь для зварних металевих конструкцій позначається ВСтТсп, ВСтТпс, ВСтТкп. У відповідності з ГОСТ 14637-79 така сталь містить 0,10-0,21% С та 0,4-0,65% Mn. Для листів з товщиною 10-40 мм гарантуються наступні механічні властивості: s_В 430 МПа, s_Т 295 МПа, d 16%, КСU 0,3 МДж/м².

Термозміцненню піддають арматуру, лист, сортовий та фасонний профіль, катанку, труби, рейки та ін.

Арматурні сталі

Арматурна сталь у виді гладких та періодичного профілю стержнів, використовується для армування залізобетонних конструкцій, які бувають ненапруженими або попередньо напруженими. Арматурні стержні в попередньо напруженій залізобетонній конструкції працюють на розтягування та зазнають великих навантажень.В залежності від напруги використовують сталь різних класів міцності. Арматурні сталі гарячекатані поставляють по ГОСТ 5781-82, а термомеханічно і термічно зміцнені по ГОСТ 10884-81. В таблиці 6.3 наведені гарантовані механічні властивості для семи класів арматурних сталей.

Вуглецеві та низьколеговані сталі класів А-I, А-II, А-III використовують для ненапружених конструкцій, а більш високоміцні сталі класу A-IV та вище, використовують для армування попередньо напруженого залізобетону.

Таблиця 6.3 – Механічні властивості (не менше) деяких арматурних сталей

Гарячекатані сталі задовольняють вимогам класів від A-I до A-V. По мірі збільшення класу міцності зростає ступінь легування сталей.

На металургійних заводах для покращення властивостей широко використовують термічне зміцнення арматури. Технологія термозміцнення подібна технології термозміцнення з прокатного нагріву сталей для будівельних металоконструкцій.

Термічне зміцнення стержневої арматури проводять на виході стержня з прокатної кліті. На спеціальних пристроях здійснюється перерване охолодження, яке забезпечує самовідпуск сталі.

Технологія, що використовується, дозволяє здійснювати високотемпературне термомеханічне оброблення.

В результаті термооброблення отримують дрібнозернисту структуру з дисперсною ферито-карбідною сумішшю, яка забезпечує вимагаєму міцність у сполученні з високими характеристиками пластичності. Термомеханічне зміцнення дозволяє підвищити на один-два класи міцності рівень властивостей певної сталі порівняно з гарячекатаним станом, що забезпечує економію легуючих елементів та знижує собівартість арматури. Термічне зміцнення арматури сталі дозволяє отримати економію металу в середньому на 22%.

Поиск по сайту: