Достоинства и недостатки конструкционной стали

Спрос на конструкционную сталь продолжает расти. Для производства строительных конструкций и механизмов промышленного назначения этот материал является незаменимым. Это обусловлено его прочностью, устойчивостью к разрушению и пластичностью.

Особенности конструкционной стали

Высокие требования прочности, предъявляемые к конструкциям и механизмам, требуют использования при их производстве материала с определенными характеристиками. Одним из материалов, с соответствующими физическими, химическими и механическими параметрами является конструкционная сталь. Она устойчива к постоянным и переменным нагрузкам, обладает определенной износостойкостью и антикоррозийными качествами. Для усиления или дополнения свойств материала может использоваться легирование.

Структура конструкционной стали включает железо, медь, марганец и другие элементы. Главным среди них является углерод. Он обеспечивает составу определенную прочность и наделяет его ключевыми особенностями. Количество углерода влияет на такие параметры стали:

хладноломкость;
устойчивость к внешним факторам и нагрузкам.

В зависимости от состава конструкционная сталь делится на несколько классов. Чем выше количество серы и фосфора в сплаве, тем ниже порог его хладноломкости и красноломкости.

Классификация сталей по содержанию фосфора и серы:

до 0,05% — обыкновенного качества;
до 0,035% — качественные;
до 0,025% — высококачественные;
до 0,015 % — особо качественные.

Классификация

Российские марки можно классифицировать по такому принципу:

низколегированные углеродистые стали (ГОСТ 1050);
низколегированные конструкционные стали с углеродом (ГОСТ 5058);
среднелегированные (ГОСТ 4543);
качественные стали по ГОСТ 14959;
Специальные конструкционные стали – высоколегированные, со специальными характеристиками и антикоррозийной защитой.

Сталь можно отнести к категории конструкционных, при наличии в составе готового сплава определенного процента углерода. Минимальный показатель при этом регламентируется и составляет 0,05%, а верхняя граница не имеет жесткого ограничения и может составлять как 0,7%, так и 0,85%.

Для точного отнесения к конструкционным сталям можно использовать и такие параметры:

Текучесть. Характеризует максимальное значение сжатия, при котором не происходит разрушение. Стали с большим значением относятся к конструкционным, с маленьким – к инструментальным.
Концентрация примесей.

На производстве может использоваться и такая классификация для стали:

углеродистая;
низколегированная;
легированная;
автоматная;
подшипниковая;
пружинная;
теплостойкая.

Применение

Конструкционная сталь является универсальным материалом, благодаря своим качественным характеристикам. Легированные стали применяются в машиностроительной отрасли, строительстве и на производстве. Низколегированные стали используются при изготовлении локомотивов, вагонов, другого жд транспорта и трамваев, инженерных сооружений и различных конструкций. Подшипниковая сталь предназначена для производства элементов, на которые возможно точечное воздействие – шарики, ролики, беговые дорожки и т.п. Из пружинной стали производят пружины и рессоры. Автоматная сталь востребована при изготовлении крепежей и мелких деталей.

Преимущества и недостатки конструкционной стали

Для получения стали с необходимыми характеристиками обязательно проводят термическую обработку, после которой конструкционный материал способен обеспечить такие характеристики:

эффективное сопротивление пластическим деформациям;
способность к сильному прокаливанию;
использование мягких охладителей при термообработке исключает трещины и коробления;
оптимальный запас вязкости;
высокая хладноломкость.

Есть у материала и недостатки:

подверженность обратимой отпускной хрупкости;
увеличение мягкости после температурной обработки;
потеря однородности в местах деформирования.

Выбор с учетом маркировки

Для точности выбора необходимо разбираться в правилах маркировки. Сочетание Ст указывает на принадлежность с тали к углеродистым обыкновенного качества. Номер марки отражается в цифрах от 0 до 6. Следующее обозначение – степень раскисления:

сп – спокойные;
пс – полуспокойные;
кп – кипящие.

При маркировке углеродистых качественных сталей, указанной в названии значение говорит о количестве углерода. Степень раскиления указывается таким же образом, но в маркировке спокойных индекс сп не указывается.

При использовании литой макроструктуры указывается индекс Л. При наличии в составе определенных элементов, используется такое их обозначение:

алюминий – Ю;
бор – Р;
ванадий – Ф;
вольфрам – В;
кобальт – К;
кремний – С;
марганец – Г;
медь – Д;
молибден – М;
никель – Н;
ниобий – Б;
титан – Т;
хром – Х.

Читайте так же:

Как разобрать утюг бош видео

Следующая за определенной буквой цифра говорит о проценте содержания вещества. если она отсутствует, значит содержание менее 1%.

Первая цифра в названии указывает количество углерода в легированной стали. Большая буква А в конце названия указывает на принадлежность к высококачественным сталям. Особо высококачественные стали маркируются буквой Ш. Низколегированные конструкционные стали маркируются буквой С и содержат число, отражающее предел текучести. При наличии в маркировке буквы Д сталь имеет антикоррозийные свойства, К – специальный химсостав, Т – усиленная прочность после термообработки.

Легированные стали: классификация и маркировка

Легированная сталь — это сталь, содержащая специальные легирующие добавки, которые позволяют в значительной степени менять ряд ее механических и физических свойств. В данной статье мы разберемся, что из себя представляет классификация легированных сталей, а также рассмотрим их маркировку.

Круглый прокат из легированной стали

Классификация легированных сталей

По содержанию в составе стали углерода идет разделение на:

среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода); (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий:

низколегированная (не более 2,5%);
среднелегированная (не более 10%);
высоколегированная (от 10% до 50%).

Свойства, которыми обладают легированные стали, определяет и их внутренняя структура. Поэтому признаку классификация легированных сталей подразумевает разделение на следующие классы:

доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

По своему практическому применению легированные конструкционные стали могут быть: конструкционные (подразделяются на машиностроительные или строительные), инструментальные, а также стали с особыми свойствами.

Назначение конструкционных легированных сталей:

Машиностроительные — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку.
Строительные — чаще всего используются при изготовлении сварных металлоконструкций и термической обработке подвергаются в редких случаях.

Классификация машиностроительных легированных сталей выглядит следующим образом.

Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, при производстве которых используют закалку, применяются для изготовления сильно нагруженных деталей, испытывающих нагрузки переменного характера. Отличаются чувствительностью к концентрации напряжения в рабочей детали.
Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, как можно понять по названию, подвергаются цементации и следующей после нее закалке. Их применяют для изготовления всевозможных шестерен, валов и других похожих по назначению деталей.

Зависимость толщины цементованного слоя от температуры и времени обработки

Классификация строительных легированных сталей подразумевает их разделение на следующие виды:

Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности — хорошо противостоит хрупкому разрушению.
Судостроительная хладостойкая высокой прочности — для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур.
Для горячей воды и пара — допускается рабочая температура до 600 градусов.
Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Читайте так же:

Вспененная резина с клеевой основой

Применение инструментальных легированных сталей

Инструментальная легированная сталь широко используется при производстве разнообразного инструмента. Но помимо явного превосходства над углеродистой сталью в плане твердости и прочности, у легированной стали есть и слабая сторона — более высокая хрупкость. Поэтому для инструмента, который активно подвергается ударным нагрузкам, такие стали не всегда подходят. Тем не менее при производстве огромного перечня режущего, ударно-штампового, измерительного и прочего инструмента именно инструментальные легированные стали остаются незаменимыми.

Отдельно можно отметить быстрорежущую сталь, отличительными особенностями которой являются крайне высокая твердость и красностойкость до температуры 600 градусов. Такая сталь способна выдерживать нагрев при высокой скорости резания, что позволяет увеличить скорость работы металлообрабатывающего оборудования и продлить срок его службы.

К отдельной категории относятся легированные конструкционные стали, наделенные особыми свойствами: нержавеющие, с улучшенными электрическими и магнитными характеристиками. От того, какие элементы, а также в каких количествах преимущественно содержатся в них, они могут быть хромистыми, никелевыми, хромоникельмолибденовыми. Также они делятся на трех-, четырех- и более компонентные по числу содержащихся в них легирующих добавок.

Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей

Маркировка легированных сталей указывает на то, какие добавки в ней содержатся, а также на их количественное значение. Но также важно знать и то, какое именно влияние на свойства металла оказывает каждый из этих элементов в отдельности.

Добавка хрома увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали.

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

При содержании до 1-15% кремний повышает прочность, сохраняя вязкость. При увеличении процента содержания кремния повышается магнитопроницаемость и электросопротивление. Также данный элемент увеличивает упругость, стойкость к коррозии и сопротивляемость к окислению, но также повышает хрупкость.

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Таблица назначения некоторых видов стали

Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность.

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали.

Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали.

Азот и кислород

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Маркировка легированных сталей

К категории легированных относится большое разнообразие сталей, что и вызвало необходимость в систематизации их буквенно-цифрового обозначения. Требования к их маркировке оговаривает ГОСТ 4543-71, согласно которому сплавы, наделенные особыми свойствами, обозначаются маркировкой, где на первой позиции стоит буква. По этой букве как раз и можно определить, что сталь по своим свойствам относится к определенной группе.

Читайте так же:

Кованые откатные ворота с калиткой фото

Пример расшифровки маркировки легированной стали

Так, если маркировка легированных сталей начинается с букв «Ж», «Х» или «Е» — перед нами сплав нержавеющей, хромистой или магнитной группы. Сталь, которая относится к нержавеющей хромоникелевой группе, обозначается буквой «Я» в ее маркировке. Сплавы, относящиеся к категории шарикоподшипниковых и быстрорежущих инструментальных, обозначаются буквами «Ш» и «Р».

Стали, относящиеся к легированным, могут принадлежать к категории высококачественных, а также особо высококачественных. В таких случаях в конце их марки ставится буква «А» или «Ш» соответственно. Стали, которые обладают обычным качеством, таких обозначений в своей маркировке не имеют. Специальное обозначение также имеют сплавы, которые получены прокатным методом. В таком случае в маркировке присутствует буква «Н» (нагартованный прокат) или «ТО» (термически обработанный прокат).

Точный химический состав любой легированной стали можно посмотреть в нормативных документах и справочной литературе, но получить такую информацию позволяет и умение разбираться в ее маркировке. Первая цифра позволяет понять, сколько углерода (в сотых долях процента) содержит легированная сталь. После этой цифры в марке перечисляются буквенные обозначения легирующих элементов, которые содержатся дополнительно.

Обозначение легирующих элементов в маркировке стали

После каждой такой буквы проставляется количественное содержание указанного элемента. Выражается это содержание в целых долях. После буквы, обозначающей элемент, может не стоять никакой цифры. Означает это то, что его содержание в стали не превышает 1,5%. Государственный стандарт 4543-71 регламентирует обозначение легирующих добавок, входящих в состав легированной стали: А — Азот, Б — Ниобий, В —Вольфрам, Г — Марганец, Д — Медь, К — Кобальт, М — Молибден, Н — Никель, П — Фосфор, Р — Бор, С — Кремний, Т — Титан, Ц — Цирконий, Ф — Ванадий, Х — Хром, Ю — Алюминий.

Использование легированных сталей

Сегодня сложно найти сферу жизни и деятельности, в которых бы не использовалась легированная сталь. Из инструментальных и конструкционных сталей производится практически любой инструмент: резцы, фрезы, штампы, измерительные устройства, шестерни, пружины, подвески, растяжки и многое другое. Нержавеющие легированные стали активно используются и в быту, из них изготавливают посуду, корпуса и другие элементы многих видов бытовой техники.

Легированная конструкционная сталь

Конструкционная легированная сталь делится на качественную, высококачественную А и особовысококачественную Ш (электрошлакового переплава).

В зависимости от основных легирующих элементов эта сталь подразделяется на группы:

Хромистая сталь имеет очень широкое применение. Хром оказывает положительное влияние и является недорогой примесью. Сталь марок 15Х, 20Х, 30ХА применяются для деталей автотракторной и автомобильной промышленности. Хромистые стали с высоким содержанием углерода (0,9-1,1%) и хрома (0,8-1,65%) идут на изготовление колец, шариков и роликов шарикоподшипников. Их марки: ШХ6, ШХ9, ШХ15СГ, ШХ10. Обладают хорошей твердостью.

Марганцевая сталь после соответствующей химико-термической обработки приобретает высокую твердость, не снижая пластичности. Обрабатывается лучше, чем углеродистая. В производстве широко применяется сталь марок 15Г, 20Г, 30Г и др. Высокая износоустойчивость.

Хромоникелевая сталь является одной из самых распространенных конструкционных сталей, так как после термообработки приобретает высокую твердость, прочность, упругость и сопротивление ударным нагрузкам; ее марки — 20ХНА, 12Х2Н4А, 12ХН3А.

Хромокремнистая сталь обладает высокой твердостью и упругостью после термической обработки и широко применяется для изготовления рессор и пружин.

Назначение рессорно-пружинной хромокремнистой стали

60С2, 60С2А	Для рессор из полосовой стали толщиной 3 — 16 мм и пружинной ленты толщиной 0,08 — 3 мм; для витых пружин из проволоки диаметром 3 — 16 мм. Обрабатываются резанием плохо. Максимальная температура эксплуатации 250°С.
70СЗА	Для тяжелонагруженных пружин ответственного назначения. Сталь склонна к графитизации.
50ХГ, 50ХГА	Для рессор из полосовой стали толщиной 3 — 18 мм. Обрабатывается резанием плохо.
50ХФА, 50ХГФА	Для ответственных пружин и рессор, работающих при повышенной температуре (до 300°С); для пружин, подвергаемых многократным переменным нагрузкам.
60C2XA	Для крупных высоконагруженных пружин и рессор ответственного назначения.
60C2H2A, 65C2BA	Для ответственных высоконагруженных пружин и рессор, изготовляемых из калиброванной стали и пружинной ленты.

Читайте так же:

Как проверить работу транзистора

Хромомарганцевая сталь частично заменяет хромоникелевую (в целях экономии никеля). Широко применяется сталь марок 20ХГ, 20ХГР, 40ХГР, 30ХСС, 18ХГТ; последняя идет для автомобильных деталей.

Хромомарганцевокремнистая сталь (хромансиль) является заменителем хромомолибденовых сталей. При малом содержании углерода хорошо штампуется и сваривается. Марка — 25ХГСД, 14ХГСА, 30ХГСА.

Хромованадиевая сталь обладает высокой прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью. Сталь марки 50ХВА идет для ответственных пружин, марки 15ХФ — для валов, шестерен, муфт.

Хромомолибденовая сталь обладает высокой пластичностью и хорошей свариваемостью, многие из этих сталей теплоустойчивы при температурах 400-500°C. Сталь марок 30ХМА служит для изготовления роторов, осей, зубчатых колес.

Хромоникелевольфрамовая и хромоникелемолибденовая стали предназначаются для нагруженных деталей машин, зубчатых колес, коленчатых валов, высоконагруженных шатунов. Марки этой стали — 30ХНВА, 40ХНВА, 40ХНМА, 25Х2Н4ВА.

Применение других распространенных легированных конструкционных марок сталей

1. Углеродистые и легированные конструкционные стали: назначение, термическая обработка, свойства

Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь—серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки. Эти стали являются основным материалом для изготовления таких деталей машин, как валы, шпиндели, винты, гайки, упоры, тяги, цилиндры гидроприводов, звездочки цепных передач, т. е. деталей различной степени нагружения. Различные специальные виды термообработки углеродистых сталей проводятся с целью обеспечения необходимых параметров вязкости, упругости и твердости. В конечном итоге термическая обработка данных сталей и деталей приводит к увеличению их износостойкости и надежности. Углеродистые качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами, чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и других неметаллических включений. По видам обработки углеродистые конструкционные стали подразделяются на горячекатаные, кованые, калиброванные и серебрянку (со специальной отделкой поверхности). В зависимости от состояния материала указанные стали выпускаются без термической обработки, термически обработанные (Т) и нагартованные (Н). В соответствии с назначением горячекатаная и кованая углеродистые конструкционные стали делятся на подгруппы: «а» – для горячей обработки давлением; «б» – для механической обработки резанием на станках; «в» – для холодного волочения.

Легированными называют стали, которые, кроме обычных примесей (марганца, кремния, серы и фосфора), содержат ряд элементов, специально вводимых в сталь при ее выплавке для получения заданных свойств. Эти элементы называют легирующими. В качестве легирующих элементов чаще всего применяют никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий. Конструкционные легированные стали подразделяются на горячекатаную, кованую, калиброванную и сталь—серебрянку, применяемую в термически обработанном состоянии. Горячекатаная и кованая стали поставляются как в термически обработанном состоянии (отожженные, вы—сокоотпущенные, нормализованные или нормализованные с высоким отпуском), так и без термообработки, стали калиброванная и серебрянка – нагартованными или термически обработанными (отожженными, отпущенными, нормализованными, закаленными с отпуском). Стандартом (ГОСТом) предусмотрен выпуск и изготовление 13 групп конструкционных легированных сталей, каждая из которых получила название по преобладающему в ней легирующему элементу. Например, хромистые легированные стали – 15Х, 15Ха, 20Х, 30Х, 30ХРА, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х; из этих сталей изготовляют детали, от которых наряду с высокой износостойкостью требуется минимальная деформация при термообработке, улучшенные и закаленные детали, работающие при средних скоростях и высоких удельных давлениях (шестерни, кольца, зубчатые рейки и т. д.), нагруженные детали автомобилей и тракторов, а также крупные детали, требующие высокой прокаливаемости и общей повышенной прочности.

Читайте так же:

Маленькие изделия из металла

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Достоинства и недостатки конструкционной стали