Конструкційні вуглецеві сталі і сплави

У сплавів можна одержувати більш високі механічні характеристики, електричний опір, стійкість до корозії і т.д.

Більшість сплавів, крім сплавів з неорганічної розчинністю компонентів в твердому стані, можна представити як систему, що складається з декількох фаз, що знаходяться в рівновазі при певних зовнішніх умовах (температурі, тиску).

Сталями називають сплави заліза з вуглецем і деякими іншими хімічними елементами. Зміст вуглецю в сталях може доходити до 2,14. Однак у сталях, що застосовуються в машинобудуванні і будівництві, вуглецю міститься не більше 1,3%.

Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталей.

При змісті вуглецю більше 1,3% сталі стають занадто тендітними, і суттєво ускладнюється їх обробка ріжучим інструментом. На сьогоднішній день стали є основним конструкційним матеріалом для виготовлення навантажених деталей машин, споруд, елементів рухомого складу. У електро-і радіотехніці сталі (деякі її сорти) використовують головним чином як феромагнетика і обмежено - як провідникового матеріалу, а як конструкційний матеріал - в електроустановках при виготовленні несучих конструкцій, органів управління і т.п.

Крім заліза і вуглецю в сталях містяться корисні та шкідливі домішки. Сталь - основний металевий матеріал, широко застосовуваний для виготовлення деталей машин, літальних апаратів, приладів, різних інструментів і будівельних конструкцій. Широке використання сталей обумовлено комплексом механічних, фізико-хімічних і технологічних властивостей. Методи широкого виробництва сталі були відкриті в середині ХІХ ст. У цей же час були вже проведені і перші металографічні дослідження заліза і його сплавів. Стали поєднують високу жорсткість з достатньою статичної та циклічної міцністю. Ці параметри можна змінювати в широкому діапазоні за рахунок зміни концентрації вуглецю, легуючих елементів і технологій термічної і хіміко-термічної обробки. Змінивши хімічний склад, можна отримати, сталі з різними властивостями, і використовувати їх у багатьох галузях техніки і народного господарства.

Якщо сталь має в своєму складі тільки Fе, С і деяку кількість постійної домішки, то таку сталь називають вуглецевої. Якщо в вуглецеву сталь спеціально введені один або декілька так званих легуючих елементів (Сr, Ni, W та інших) з метою поліпшення її службових і технологічних властивостей, то таку сталь називають легованої. При легуванні можуть виникати нові властивості, не притаманні вуглецевої сталі.

Класифікація конструкційних сталей

Стали класифікують за хімічним складом, якістю, ступеня розкислення, структурі, міцності і призначенням.

За хімічним складом сталі класифікують на вуглецеві і леговані. Залежно від концентрації вуглецю ті й інші поділяють на низько вуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві низьковуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві

(0,3-0,7% C) і високовуглецеві (> 0,7% С).

За призначенням сталі класифікують на конструкційні та інструментальні. Конструкційні сталі, представляють найбільш велику групу, призначену для виготовлення будівельних споруд, деталей машин і приладів. До цих сталей відносять цементуємих, покращувані, високоміцні і ресорно-пружинні. Інструментальні сталі, поділяють на сталі для ріжучого, вимірювального інструменту, штампів холодного і

гарячого (до 200 º С) деформування.

За якістю сталі, класифікують на звичайної якості, якісні, високоякісні. Під якістю стали розуміється сукупність властивостей, визначених металургійним процесом її виробництва. Однорідність хімічного складу, будови і властивості сталі, а також її технологічність багато в чому залежать від вмісту газів (водню, кисню) і шкідливих домішок - сірки та фосфору. Сталі звичайної якості бувають тільки вуглецевими (до 0,5% З), якісні та високоякісні - вуглецевими і легованими.

За ступенем розкислення і характером затвердіння стали класифікують на спокійні, напівспокійних і киплячі.

Розкислення - процес видалення з рідкого металу кисню, що проводиться з метою запобігання крихкого руйнування стали при гарячої деформації.

Спокійні стали раскисляют марганцем, кремнієм і алюмінієм. Вони містять мало кисню і тверднуть спокійно без газовиділення. Киплячі стали раскисляют тільки марганцем. Перед розливанням у них міститься підвищена кількість кисню, який при затвердінні, частково взаємодіючи з вуглецем, видаляється у вигляді СО. Виділення бульбашок СО створює враження кипіння стали, з чим і пов'язана її назва. Напівспокійних стали за ступенем розкислення займають проміжне положення між спокійними і киплячими.

За призначенням конструкційні сталі поділяють на машинобудівні, призначені для виготовлення деталей машин і механізмів, і будівельні, використовувані для металоконструкцій і споруд.

Вуглецеві сталі

На частку вуглецевих сталей припадає 80% від загального обсягу. Це пояснюється тим, що вуглецеві стали дешеві і поєднують задовільні механічні властивості з хорошою оброблюваністю різанням і тиском. При однаковому змісті вуглецю по оброблюваності різанням і тиском вони значно перевершують леговані сталі. Однак вуглецеві стали менш технологічні при термічній обробці. Через високу критичної швидкості гартування вуглецеві сталі охолоджують у воді, що викликає значні деформації і викривлення деталей. Крім того, для отримання однакової міцності з легованими сталями їх слід піддавати відпуску при більш низькій температурі, тому вони зберігають більш високі гартівні напруги, знижують конструкційну міцність.

За статистичною міцності стали відносяться переважно до сталей нормальної міцності. Вуглецеві конструкційні сталі випускають двох видів: звичайної якості і якісні.

Сталі звичайної якості випускають у вигляді прокату (прутки, балки,

листи, куточки, труби, швелери тощо) у нормалізованому стані. У вуглецевих сталях звичайної якості допускається вміст шкідливих домішок, а також газонасиченості і забрудненість неметалевими включеннями. І в залежності від призначення та комплексу властивостей підрозділяють на групи: А, Б, В.

Стали маркуються поєднанням букв Ст і цифрою (від 0 до 6), що показує номер марки, а не середній вміст вуглецю в ній, хоча з підвищенням номера вміст вуглецю в сталі збільшується. Стали груп Б і В мають перед маркою букви Б та В, що вказують на їх приналежність до цих груп. Група А в позначенні марки стали не вказується. Ступінь розкислення позначається додаванням індексів: у спокійних сталях - «сп», напівспокійних - «пс», киплячих - «кп», а категорія нормованих властивостей (крім категорії 1) зазначається подальшої цифрою.

Стали групи А використовують у стані поставки для виробів, виготовлення яких не супроводжується гарячої обробкою. У цьому випадку вони зберігають структуру нормалізації і механічні властивості, які гарантуються стандартом.

Сталь марки Ст3 використовується в стані поставки без обробки тиском і зварюванням. Її широко застосовують у будівництві для виготовлення металоконструкцій, у сільському господарському машинобудуванні (валики, осі, важелі, виготовлені холодним штампуванням, а також Цементовані деталі: шестерінки, порневие пальці).

Стали групи Б застосовують для виробів, що виготовляються із застосуванням гарячої обробки (кування, зварювання і в окремих випадках термічна обробка), при якій вихідна структура і механічні властивості не зберігаються. Для таких деталей важливі відомості про хімічний склад, необхідні для визначення режиму гарячої обробки.

Стали групи В дорожче, ніж стали груп А і Б, їх застосовують для відповідальних деталей (для виробництва зварних конструкцій).

Вуглецеві сталі звичайної якості (всіх трьох груп) призначені для виготовлення різних металоконструкцій, а також слабонавантажених деталей машин і приладів. Ці сталі, використовуються, коли працездатність деталей і конструкцій забезпечується жорсткістю. Вуглецеві сталі звичайної якості широко використовуються в будівництві при виготовленні залізобетонних конструкцій. Здатністю до зварювання і до холодної обробки тиском відповідають стали груп Б та В номерів 1-4, тому з них виготовляють зварні ферми, різні рами і будівельні металоконструкції, крім того, кріпильні вироби, частина з яких піддається цементації.

Низьковуглецеві стали відрізняються малою міцністю і високою пластичністю в холодному стані. Ці сталі в основному роблять у вигляді тонкого листа і використовують після відпалу або нормалізації для холодного штампування з глибокою витяжкою. Вони легко штампуються з-за малого змісту вуглецю і незначної кількості кремнію, що і робить їх дуже м'якими. Їх можна використовувати в автомобілебудуванні для виготовлення деталей складної форми. Глибока витяжка з листа цих сталей застосовується при виготовленні консервних банок, емальованого посуду та інших промислових виробів.