Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Углеродистые и легированные стали
|
|
| Углеродистой называют нелегированную сталь, содержащую 0, 04...2 % углерода. Кроме того, в состав стали входят постоянные примеси - кремний и марганец, а также вредные -фосфор и сера (их содержание не должно превышать 0, 05...0, 06 %). В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на низко- (до 0, 25 % углерода), средне- (0, 25...0, 6 %) и высокоуглеродистые (свыше 0, 65 %). С повышением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали объясняется увеличением содержания в стали твердого компонента - цементита. По назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали содержат углерода не более 0, 65 %. Их применяют для изготовления арматуры железобетонных конструкций. Используемые в строительстве конструкционные углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и специальные. Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на группы А, Б, В, учитывающие условия поставки. Сталь группы А поставляют потребителям по механическим свойствам: пределам прочности и текучести, относительному удлинению, способности к изгибу в холодном состоянии. В стали группы Б нормируют химический состав, а группы В - одновременно химический состав и механические свойства. Маркировка сталей. Каждая группа включает несколько марок стали - от СтО до Стб. С увеличением номера возрастает прочность стали и уменьшается ее пластичность. Сталь марок от Ст1 до Ст4 выпускают кипящей, полуспокойной, спокойной, марок Ст5 и Стб - полуспокойной и спокойной. Указание о степени раскисления делают в-виде индекса: кп - кипящая, пс -полуспокойная, сп - спокойная. Стали марок СтЗГпс, СтЗГсп и Ст5Гпс содержат повышенное количество марганца, на что указывает буква Г. СтО содержит углерода не более 0, 23 %, СтЗ - от 0, 14 до 0, 22 %, а Стб - от 0, 38 до 0, 49 %. Сталь группы Б изготовляют тех же марок, что и сталь группы А, но в начале обозначения марки вводят букву Б, например сталь БСт1кп. Для сталей группы А букву впереди марки не ставят. В обозначении марок сталей всех групп вводят также цифры от 1 до 6, характеризующие категорию стали. Категория определяется совокупностью механических свойств стали либо особенностями ее химического состава. Цифру 1 в сталях первой категории не указывают. Примеры обозначения марок стали: СтЗкп - группа А, сталь 3, кипящая, категория 1; БСт2пс2 - группа Б, сталь 2, полуспокойная, категория 2; ВСт2спЗ - группа В, сталь 2, спокойная, категория 3. В строительстве используют стали всех групп. Наиболее пластичные Ст1 и Ст2 применяют в конструкциях резервуаров, трубопроводах, для заклепок. Из СтЗ, Ст4 и Ст5 изготовляют строительные конструкции, а также арматуру для железобетона. В большом количестве углеродистая сталь обыкновенного качества расходуется на изготовление листового, круглого, швеллерного, двутаврового проката. Легированные стали, кроме железа, углерода и нормальных примесей, содержат легирующие элементы, например хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, которые повышают качество стали и придают ей специальные свойства. К таким элементам относят также марганец и кремний, если их содержание в стали превышает 1 %. Легирующие элементы образуют с железом химические соединения и твердые растворы замещения, которые играют роль упрочняющей фазы. Кроме того, большинство легирующих элементов образуют с углеродом простые и сложные карбиды, являющиеся, как и цементит Fe3C, хрупкими и твердыми веществами. В результате изменяется строение и существенно улучшаются механические свойства сталей. Стали, применяемые для изготовления арматуры железобетонных конструкций, содержат в качестве легирующих элементов чаще всего марганец, кремний, хром. Марганец и кремний увеличивают прочность легированной стали, но снижают ее ударную вязкость. Хром и никель повышают не только прочность, но и ударную вязкость. Практически все легирующие элементы улучшают термическую обрабатываемость сталей. По химическому составу различают низко-, средне- и высоколегированную сталь. По назначению легированные стали разделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. В строительстве наиболее часто применяют низколегированные (с суммарным содержанием легирующих элементов до 2, 5 %) конструкционные стали. Их подразделяют на стали для металлоконструкций и стали для армирования железобетонных конструкций. Для обозначения марок легированной стали по ГОСТу используют буквенно-цифровую систему. В начале обозначения приводят цифры, указывающие содержание углерода в сотых долях процента. Далее ставят буквы, обозначающие легирующий элемент: Ю - алюминий, Р - бор, Ф - ванадий, В - вольфрам, С - кремний, Г - марганец, Д - медь, М - молибден, Н -никель, Т - титан, X - хром, Ц - цирконий. Наконец, цифра, стоящая за буквами, указывает содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента не превышает 1 %, то цифру не ставят. При содержании I...1, 5 % ставят цифру 1, свыше 1, 5 до 2 % - цифру 2. Например, марка стали 20ХГ2С означает: легированная сталь с содержанием углерода 0, 20 %, хрома - менее 1 %, марганца - 2 %, кремния - менее 1 %. Сталь для металлических конструкций обладает высокими пластичностью и ударной вязкостью, причем эти свойства незначительно ухудшаются при отрицательных температурах (до -40...50 °С). Основная характеристика такой стали - предел текучести - составляет в среднем 350 МПа, в то время как у углеродистой стали он равен 225 МПа. Низколегированные строительные стали весьма пластичны: относительное удлинение в них достигает 18...20 %. Для изготовления металлоконструкций чаще всего применяют стали марок 10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС, 10Г2СД, 09Г2, 14Г2. Сталь для армирования лселезобетонных конструкций должна обладать хорошей свариваемостью, высокой прочностью и быть достаточно пластичной. Этим условиям отвечают легированные стали марок ЮГТ, 18Г2С, 25Г2С, 35ГС, 20ХГ2Ц, 80С, 23Х2Г2Т и 20Х2Г2СР. |
К низколегированным относятся стали, в которых содержание легирующих компонентов в сумме составляет менее 2, 5% (кроме углерода). При содержании легирующих элементов в сумме от 2, 5 до 10% сталь называется среднелегированной, при содержании свыше 10% легирующих элементов— высоколегированной. В наименовании стали легирующие компоненты указываются в порядке убывания их содержания (например, хромомолибденовая, хромокремнемарганцовая, хромоникелевая и т. п.).
Влияние того или иного элемента на свойства стали зависит от содержания в ней как данного, так и других элементов и особенно углерода.
В обозначении марок легированных сталей по ГОСТ входят буквы и цифры. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в сталь, а стоящие за ней цифры — среднее содержание элемента в процентах. Если данного элемента содержится в стали менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. В обозначении марок конструкционных низколегированных сталей впереди всегда стоят две цифры, обозначающие содержание в стали углерода в сотых долях процента. Буква А означает, что сталь содержит пониженное количество серы и фосфора и является высококачественной. Буква Т в конце обозначения марки указывает, что сталь содержит титан, а буква Б — ниобий. Например, высоколегированная сталь 0Х18Н9Т содержит: углерода менее 0, 1%, хрома в среднем 18%, никеля в среднем 9% и титана до 1%.
Низколегированная хромокремненикелемедистая сталь 15ХСНД по ГОСТ 5058—65 (прежние марки НЛ2 или СХЛ2) содержит 0, 12—0, 18% углерода; 0, 4—0, 7% марганца; 0, 4—0, 7% кремния; 0, 2—0, 4% меди; 0, 6—0, 9% хрома; 0, 3—0, 6% никеля; до 0, 04% фосфора и не более 0, 04% серы. Временное сопротивление этой стали 50 кгс/мм2, относительное удлинение 21%, ударная вязкость 6 кгс-м/см2. Сталь 10ХСНД (НЛ1 или СХЛЗ) отличается от стали 15ХСНД содержанием углерода, которого в ней до 0, 12%. У этой стали временное сопротивление 54 кгс/мм2, относительное удлинение 19% и ударная вязкость 8 кгс-м/см2. Стали 10 ХСНД и 15ХСНД хорошо свариваются и в незначительной степени подвержены коррозии; их используют для сварных строительных конструкций высокой надежности, а также в судостроении.
Для сварных мостов, газопроводов и других ответственных сооружений применяют низколегированную конструкционную крем-немарганцевую сталь 10Г2С1 (МК) по ГОСТ 5058—65. Эта сталь содержит до 0, 12% углерода; 1, 3—1, 65% марганца; 0, 9— 1, 2% кремния; не более 0, 035% фосфора и 0, 04 серы; по 0, 30% хрома и никеля; 0, 30% меди. Сталь 10Г2С1 имеет временное сопротивление 46—52 кгс/мм2, относительное удлинение — 21%, повышенную коррозионную стойкость, пониженную хладноломкость и удовлетворительно сваривается.
Молибденовые, хромомолибденовые и хромо-молибденованадиевые низколегированные теплоустойчивые стали применяют для изготовления паровых котлов, турбин и трубопроводов, подверженных в процессе работы действию высоких температур и давлений. Для температур 450— 500° С предназначаются молибденовые стали 15М и 25М-Л, содержащие 0, 4—0, 6% молибдена; для 540°С — хромомолибденовые 15ХМ, 20ХМ-Л, содержащие 0, 4—0, 6% молибдена и 0, 8—1, 1% хрома; для 585° С — хромомолибденованадиевые 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Для труб, предназначенных для поверхностного нагрева котлов, применяют хромомолибденованадиевую сталь 12Х2МФСР, дополнительно легированную кремнием и бором, а для крупных отливок паровых турбин — сталь 15Х2М2ФБС-Л, легированную кремнием и ниобием. Для более высоких температур используются трубы из высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей.
Хромокремнемарганцевые стали (хромансиль) обладают большой прочностью, упругостью и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Содержат углерода (%): сталь 20ХГСА — 0, 15—0, 25; сталь 25ХГСА —0, 22—0, 30 и сталь 3ОХГСА — 0, 25—0, 35. Стали этих марок, кроме углерода, содержат также (%): марганца 0, 8—1, 1; кремнияТ), 9—1, 2 и хрома 0, 8— 1, 1. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0, 03% Для каждого из этих элементов. В термически обработанном состоянии имеют временное сопротивление 80 кгс/мм2, относительное удлинение 10%, ударную вязкость 6 кгс-м/см2.
Сварка низколегированных сталей: при выполнении вертикальных и потолочных швов ток уменьшают на 10—20% и применяют электроды диаметром не более 4 мм.
Для уменьшения скорости охлаждения металла шва следует применять стыковые и бортовые соединения, так как при тавровых и нахлесточных соединениях скорость охлаждения выше. Рекомендуется избегать соединений, имеющих швы замкнутого (жесткого контура), если же необходимы такие соединения, то их сваривают короткими участками, обеспечивая подогрев и замедленное охлаждение.
Сварку стыковых соединений металла толщиной до 6 мм и валиковых швов с катетом до 7 мм выполняют в один слой (однопроходную), что уменьшает скорость охлаждения. Более толстый металл сваривают в несколько слоев длинными участками. Каждый слой должен иметь толщину 0, 8—1, 2 диаметра электрода. Сверху шва накладывают отжигающий валик, края которого должны располагаться на расстоянии 2—3 мм от границы проплавления основного металла. Отжигающий валик накладывают при температуре предыдущего слоя около 200° С. Для металла толщиной до 40—45 мм применяют многослойную сварку способом «горки» или «каскада». Длину участков (300—350 мм) выбирают с таким расчетом, чтобы предыдущий слой не успевал охладиться ниже 200° С при наложении следующего слоя.
Если сталь склонна к закалке или при сварке на морозе, перед выполнением первого шва применяют местный подогрев горелкой или индуктором до 200—250° С. Предварительный подогрев и последующий отпуск необходимы, если твердость в зоне влияния после сварки составляет 250 единиц по Бринеллю и выше.
При выполнении подварочных швов и заварке прихваток необходимо выполнять условия, для сварки низкоуглеродистых сталей.
Сварку конструкционных низкоуглеродистых сталей производят электродами с фтористокальциевыми покрытиями марок УОНИ-13/45; УОНИ-13/55; УОНИ-13/85; ОЗС-2; ЦУ-1; ДСК-50, ЦЛ-18; НИАТ-5 и другими, дающими более плотный и вязкий наплавленный металл, менее склонный к старению. Электроды с руднокислыми покрытиями (ОММ-5, ЦМ-7 и др.) применять при сварке ответственных конструкций из низколегированных сталей не рекомендуется.
Низколегированные конструкционные стали лучше сваривать электродами типа Э42А, так как металл шва получает дополнительное легирование за счет элементов расплавляемого основного металла и временное сопротивление его повышается до 50 кгс/мм2; при этом металл шва сохраняет высокую пластичность. Сварка электродами типа Э60А дает более прочный, но менее пластичный металл шва вследствие более высокого содержания в нем углерода.
Газовая сварка низколегированных сталей производится нормальным пламенем мощностью 75—100 дм3/н при левой и 100— 130 дмг/ч ацетилена при правой сварке на 1 мм толщины металла. В качестве присадки используют проволоку Св-08, Св-08А или Св-10Г2 по ГОСТ 2246—60. Целесообразно проковывать шов при светло-красном калении (800—850°С) с последующей нормализацией нагревом горелкой.
Электрошлаковая сварка низколегированных сталей. Низколегированные стали применяют для изготовления сварных конструкций ответственного назначения, работающих под давлением, при ударных или знакопеременных нагрузках, в условиях низких температур - до 203 К (-70° С) или высоких - до 853К (580° С), в различных агрессивных средах и т. д. Конструкции из этих сталей используют в тяжелом, химическом и нефтяном машиностроении, судостроении, гидротехническом строительстве и т. д.
Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали содержат, как правило, менее 0, 18% С и подразделяются на стали повышенной и высокой прочности.
Низколегированные низкоуглеродистые стали повышенной прочности (09Г2С, 16ГС, 10ХСНД и др.) поставляют по ГОСТ 19282-73 и специальным техническим условиям в горячекатаном или нормализованном состоянии. Они легированы обычно до 1, 70% Мn, - 1, 20% Si, ~ 0, 90% Сr или - 1, 30% № и имеют ферритно-перлитную структуру.
Низколегированные высокопрочные стали подразделяют на стали с нитридным упрочнением (14Г2АФ, 16Г2АФ и др.) и термически улучшенные (14Х2ГМР и др.).
Низколегированные ферритноперлитные стали, упрочненные дисперсными нитридами (наиболее часто нитридами алюминия, ванадия или ниобия), поставляют в нормализованном состоянии со следующими характеристиками: oт 450 МН/м2 (45 кгс/мм2) и ов> 600 МН/м2 (60 кгс/мм2). Еще более высокие механические свойства высокопрочных низколегированных сталей (σ т = 600-800 МН/м2, σ в = 650-850 МН/м2, aн выше 0, 35 МДж/м2 при 233 К) достигаются путем получения структур отпущенного мартенсита или бейнита. В этих целях сталь легируют обычно молибденом (0, 15-0, 55%) в сочетании с бором, марганцем, хромом или никелем и термически улучшают закалкой и отпуском.
Низколегированные теплоустойчивые стали 12ХМ, 12МХ, 16ГНМ и др., применяемые в котло-турбостроении, а также в химическом и нефтяном машиностроении, легированы до 0, 55% Мо и до 1, 1% Сг для повышения жаропрочности и жаростойкости. Их поставляют в нормализованном состоянии.
Низколегированные среднеуглеродистые конструкционные стали 20ГСЛ, 35XMЛ и др., поставляемые в термообработанном состоянии (нормализованном или закаленном), наряду с легированием до 1, 6% Мn, Cr, Ni и 0, 6% Мо содержат повышенное количество углерода (0, 15-0, 45%). Требования по ударной вязкости для них (ан = 0, 3 - 0, 45 МДж/м2) оговорены обычно только при комнатной температуре. Наиболее широко низколегированные среднеуглеродистые стали применяют в тяжелом и энергетическом машиностроении для изготовления фасонных отливок.
| Краткие обозначения: | ||||
| σ в | - временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа | å | - относительная осадка при появлении первой трещины, % | |
| σ 0, 05 | - предел упругости, МПа | Jê | - предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа | |
| σ 0, 2 | - предел текучести условный, МПа | σ изг | - предел прочности при изгибе, МПа | |
| δ 5, δ 4, δ 10 | - относительное удлинение после разрыва, % | σ -1 | - предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| σ сж0, 05 и σ сж | - предел текучести при сжатии, МПа | J-1 | - предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| ν | - относительный сдвиг, % | n | - количество циклов нагружения | |
| sв | - предел кратковременной прочности, МПа | R и ρ | - удельное электросопротивление, Ом·м | |
| ψ | - относительное сужение, % | E | - модуль упругости нормальный, ГПа | |
| KCU и KCV | - ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см2 | T | - температура, при которой получены свойства, Град | |
| sT | - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа | l и ë | - коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) | |
| HB | - твердость по Бринеллю | C | - удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T), [Дж/(кг·град)] | |
| HV | - твердость по Виккерсу | pn и r | - плотность кг/м3 | |
| HRCэ | - твердость по Роквеллу, шкала С | а | - коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T), 1/°С | |
| HRB | - твердость по Роквеллу, шкала В | σ tТ | - предел длительной прочности, МПа | |
| HSD | - твердость по Шору | G | - модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа |
|
|