Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

201

этих классов характеризуется диаграммой изотермического превращения с на-

несением на нее кривой нормализации (охлаждения на воздухе).

К перлитному классу относят углеродистые и легирозанные стали с низ-

ким содержанием легирующего элемента, кривая нормализации которых пере-

секает кривую изотермического превращения в зоне образования феррито-

цементитной смеси с образованием перлита, сорбита или троостита.

К мартенситному классу относят легированные стали с более высоким

содержанием легирующего элемента, кривая изотермического превращения ко-

торых располагается правее (большая устойчивость аустенита), кривая норма-

лизации не пересекает С-образную кривую, а аустенит переохлаждается до точ-

ки М

, образуя мартен-ситную структуру.

К аустенитному классу относят легированные стали с высоким содержа-

нием легирующего элемента, в которых не только кривая изотермического пре-

вращения сдвинута вправо, но также понижена точка начала мартенситного

превращения М

; она расположена при температуре ниже комнатной. В этом

случае кривая нормализации не пересекает С-образную кривую и не доходит до

точки М

, в связи с чем в структуре сохраняется аустенит.

По применению стали подразделяют на следующие группы и подгруппы :

Конструкционные стали: строительные; машиностроительные общего на-

значения (стали, используемые без термической обработки, упрочняемые в по-

верхностном слое и упрочняемые по всему сечению); машиностроительные

202

специализированного назначения (стали пружинные, шарикоподшипниковые,

автоматные, жаропрочные и др.).

Инструментальные стали. Стали с особыми свойствами: с особыми хими-

ческими свойствами (нержавеющие стали); с особыми физическими свойствами

(магнитные, с малым и заданным коэффициентом расширения и др.).

§ 4. Маркировка сталей

Обозначение сталей обыкновенного качества - буквенно-цифровое, на-

пример СтО, Ст1 - Ст6, БСтО, БСт1 - БСт6, ВСт2 - ВСт5. Буквы Ст означают

сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки в зависимости от химического

состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки озна-

чают группу стали; группа А в обозначении марки стали не указывается. Для

обозначения степени раскисления к обозначению марки стали после номера

марки добавляют индексы: кп-кипящая, пс-полуспокойная, сп - спокойная, на-

пример, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, БСт3кп, ВСт3сп.

Углеродистые качественные конструкционные стали обозначают дву-

значными цифрами, показывающими среднее содержание углерода в стали, вы-

раженное в сотых долях процента. Например, сталь с содержанием 0,12-0,19 %

С обозначают как сталь 15, сталь с 0,27- 0,35% С-как сталь 30, сталь с 0,42-

0,50% С-как сталь 45 и т. д. Кипящая сталь в конце марки имеет индекс кп, на-

пример сталь с 0,05-0,11% С обозначают как сталь 08 кп.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом:

впереди ставят букву У, за ней цифру, обозначающую среднее содержание уг-

лерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь с содержанием

0,75-0,84% С обозначают как сталь У8, сталь с содержанием 0,95--1,04% С как

сталь У10 и т. д.

В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-

цифровая система. Легирующие элементы обозначают русскими буквами (табл.

3). Цифры с левой стороны букв означают среднее содержание углерода: если

203

две цифры-в сотых долях процента, если одна - десятых долях процента. Для

некоторых инструментальных сталей цифра, означающая содержание углерода,

отсутствует. Это означает, что содержание углерода в стали составляет ~1%.

Цифры после букв показывают примерное содержание легирующих элементов,

выраженных в целых процентах. Если содержание легирующего элемента 1-

1,5% и менее, то цифра после буквы не ставится. Например, сталь состава 0,57-

0,65% С и 1,5-2,0% Si обозначают 60С2; сталь состава 0,36-0,44% С и 0,8-1,1%

Сr-40Х; сталь состава 0,60-0,75% С и 3,2-3,8% Сr- 7X3; сталь состава 0,95-

1,10% С и 1,30-1,65% Сr-X.

Для высококачественных сталей в конце обозначения марки ставят букву

А, например сталь 3ОХГС-качественная, а сталь 3ОХГСА - высококачествен-

ная; сталь У8- качественная, У8А - высококачественная.

Все стали инструментальные легированные и с особыми свойствами все-

гда высококачественные и поэтому в обозначениях марок этих сталей буква А

не ставится.

В маркировке сталей в начале иногда ставят буквы, указывающие их

применение: А - автоматные стали, например А20 (0,15-0,25% С); Р - быстро-

режущие стали, например, Р18 (17,5- 19,0% W); Ш-шарикоподшипниковые ста-

ли, например, ШХ15 (1,30-1,65% Сr); Э-электротехнические стали, например,

Э11 (0,8-1,8% Si).

Нестандартные стали часто маркируют условно. Например, стали, вы-

плавленные на заводе «Электросталь», обозначают буквой Э, рядом ставят бук-

ву И-исследовательская или П-пробная. После буквы ставят порядковый номер,

например, ЭИ69, ЭИ868, ЭП48, ЭП590. Стали, выплавленные на Златоустов-

ском металлургическом заводе, обозначают 3И, на заводе «Днепроспецсталь» -

ДИ и т. д.

204

Таблица 3

Обозначение элементов в легированных сталях

Название

Химический

символ

Маркировоч-

ное обозначе-

ние

Название

Химический

символ

Маркировоч-

ное обозначе-

ние

Марганец

Кобальт

Со

Кремний

Алюминий

Аl

Хром

Сr

Медь

Сu

Никель

Бор

Вольфрам

Ниобий

Ванадий

Цирконий

Титан

Фосфор

Молибден

205

Глава XII

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

К конструкционным сталям, из которых изготовляют самые раз-

нообразные конструкции, детали машин для различных отраслей про-

мышленности, предъявляют требования высоких механических свойств, техно-

логичности в обработке (хорошая обрабатываемость давлением, резанием, сва-

риваемость) и дешевизны. Конструкционная сталь, в зависимости от условий

работы деталей, должна иметь высокие прочность и пластичность (как при

комнатной, так и при повышенных и низких температурах), упругость, хорошо

сопротивляться ударной нагрузке, изнашиванию, усталости, хрупкому раз-

рушению.

Современные детали машин и конструкции работают в тяжелых условиях

эксплуатации, создаваемых ростом динамических и циклических воздействий,

сложным напряженным состоянием, широким диапазоном температур рабочих

сред; они отличаются разнообразием форм и размеров. В связи с этим конст-

рукционные стали должны обладать определенным комплексом механических

свойств, которые в наибольшей степени определяют работоспособность, т. е.

стойкость и надежность деталей и конструкций, которые называют конструк-

тивной прочностью. Повышения конструктивной прочности можно достигнуть

только в совокупности металлургических, технологических и конструкторских

мероприятий.

Обеспечение конструктивной прочности имеет особое значение в свете

решений XXV съезда КПСС о значительном улучшении качества выпускаемых

машин, оборудования и приборов, повышения их технического уровня, произ-

водительности, надежности и безопасности в эксплуатации •.

206

§ 1. Конструкционные строительные стали

Для сварных и клепаных конструкций в строительстве, мостостроении,

судостроении применяют углеродистые стали обыкновенного качества (при не-

значительных напряжениях в конструкциях) и низколегированные стали с не-

высоким содержанием углерода (при более высоких напряжениях). К ним

предъявляют требования достаточно высоких прочности и ударной вязкости,

как при обычной, так и при пониженной температурах, хорошей свариваемо-

сти. Эти стали поставляют в виде горячекатаного сортового, фасонного и лис-

тового проката.

Углеродистые стали обыкновенного качества. В зависимости от на-

значения и гарантируемых характеристик качества металла сталь делят на три

группы: А - поставляемую по механическим свойствам, Б - поставляемую по

химическому составу и В - поставляемую по механическим свойствам и хими-

ческому составу.

Сталь группы А. Гарантируемые механические свойства стали этой груп-

пы в состоянии поставки приведены в табл. 4. Химический состав для этой

группы стали не регламентируется. Это связано с тем, что детали, изготовлен-

ные из стали группы А, термической обработке не подвергают. Поэтому важно

знать не химический состав, а механические свойства стали, которые сохраня-

ются в изготовленных из нее деталях.

Как видно из табл. 4, чем больше номер марки, тем выше прочность, но

ниже пластичность стали.

207

Таблица 4

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества, по-

ставляемой по группе А (ГОСТ 380-71)

Марка стали

Предел прочности при

растяжении ζ

Относительное удлинение

δ, % (для толщины образ-

ца до 20 мм), не менее

МН/м

кгс/мм

Ст0

≥310

≥31

Ст1кп

310-400

31-40

Ст1сп, Ст1пс

320-420

32-42

СтЗкп

370-470

37-47

СтЗсп, СтЗпс

380-490

38-49

Ст5сп, Ст5пс

500-640

50-64

Ст6сп, Ст6пс

≥ 600

≥60

Сталь группы Б. Для этой группы стали гарантируемой характеристикой

качества является химический состав, приведенный в табл.5

Так как известен химический состав, детали из стали группы Б можно

подвергать термической обработке.

Таблица 5

Химический состав (%) углеродистой стали обыкновенного качества, по-

ставляемой по группе Б (ГОСТ 380-71)

Марка стали

Элементы

Мn

БСт0

≤ 0,23

БСт1кп

БСт1пс

БСт1сп

0,06-0,12

0,25-0,50

≤0,05

0,05-0,17

0,12-0,30

БСт3кп

0,30-0,60

≤0,07

БСт3пс

БСт3сп

0,14-0,22

0,40-0,65

0,05-0,17

0,12-0,30

БСт6пс

БСт6сп

0,38-0,49

0,50-0,80

0,05-0,17

0,15-0,35

Сталь группы В. Механические свойства стали этой группы должны со-

ответствовать нормам для стали аналогичных марок группы А (см. табл. 4), а

химический состав - нормам для стали аналогичных марок группы Б (см. табл.

208

5). Например, механические свойства стали ВСт3сп такие же, как у стали

Ст3сп, а химический состав, как у стали БСт3сп.

Низколегированные конструкционные стали. Химический состав не-

которых сталей приведен в табл. 6.

Таблица 6

Химический состав (%) некоторых низколегированных конструкционных

сталей (ГОСТ 5058-65)

Марка

стали

Элементы

Сu

Сталь для металлических конструкций

14Г2

10ХСНД

0,12-0,18

≤0,12

0,17-0,37

0,8-1,1

1,2-1,6

0,5-0,8

≤0,3

0,6-0,9

≤0,3

0,5-0,8

≤0,3

0,4-0,65

Сталь для армирования железобетонных конструкций

18Г2С

35ГС

0,14-0,23

0,30-0,37

0,6-0,9

1,2-1,6

0,8-1,2

≤0,3

Низколегированные стали хорошо свариваются и обладают, по сравне-

нию с углеродистыми, повышенной прочностью •. Преимуществом этих сталей

является также более низкий порог хладноломкости ••. Даже при такой низкой

температуре, как -40

С, ударная вязкость их достаточно высокая - а

= 0,3-0,5

МДж/м

(3-5 кгс•м/см

). Такую ударную вязкость углеродистая сталь обык-

новенного качества группы В имеет при температуре -20 ° С.

Сталь 14Г2 применяют, например, для кожухов доменных печей и пыле-

уловителей, сталь 10ХСНД- в мостостроении, стали 18Г2С и 35ГС-для армату-

ры разного профиля и сечения.

Рассмотрим теперь конструкционные машиностроительные стали общего

назначения.

§ 2. Листовая сталь для холодной штамповки

Для холодной штамповки применяют преимущественно тонколистовую

сталь марки 08 кп. В этой стали мало углерода (0,05- 0,11%) и кремния

209

(≤0,03%), что является положительным, так как углерод и кремний снижают

способность стали к вытяжке.

На штампуемость стали сильно влияет микроструктура. Лучше всего

штампуется сталь с мелким зерном. При штамповке стали с очень крупным

зерном получается шероховатая поверхность, так называемая апельсиновая

корка. Неблагоприятно влияет неоднородная величина зерен (разнозер-

нистость). При штамповке такая сталь в разных объемах деформируется неоди-

наково, в результате чего возникают разрывы. Вредное

влияние на штампуемость оказывает структурно сво-

бодный (третичный) цементит, также вызывающий

при штамповке разрывы. Способность листовой стали

к холодной штамповке определяют испытанием на вы-

тяжку сферической лунки.

Испытание проводят путем выдавливания пуансоном 1 (рис. 128) листо-

вого материала 2, зажатого между матрицей 3 и прижимом 4. Характеристикой

штампуемости (пластичности) металла является глубина (в мм) выдавленной

лунки, соответствующая уменьшению усилия вытяжки лунки.

210

§ 3. Цементуемые (низкоуглеродистые) стали

Химический состав некоторых цементуемых сталей приведен в табл. 7.

Таблица 7

Химический состав (%) некоторых цементуемых (низкоуглеродистых)

сталей(ГОСТ 1050-74 и 4543-71)

Цементуемые углеродистые стали. Эти стали (15,20) применяют для из-

готовления деталей небольших размеров, работающих на износ при малых на-

грузках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства

(втулки, валики, оси, шпильки и др.). После цементации, закалки в воде и низ-

кого отпуска поверхность стали имеет высокую твердость HRC58-62 (структура

мартенсит), а сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется структура

феррит + перлит.

Цементуемые легированные стали. Эти стали целесообразно применять

для тяжело нагруженных деталей и в том числе для деталей, в которых необхо-

димо иметь высокую твердость и вязкость поверхностного слоя и достаточно

прочную сердцевину. В легированных цементуемых сталях, несмотря на не-

большое содержание углерода, благодаря значительному количеству легирую-

щих примесей, гораздо легче получить при термической обработке более высо-

кую прочность и вязкость сердцевины из-за образования в ней структур бейни-

Марка ста-

ли

Элементы

Другие эле-

менты

0,12-0,19

0,35-0,65

0,17-0,37 Si

0,17-0,24

0,35-0,65

0,17-0,37 Si

20Х

0,17-0,23

0,5-0,8

0,7-1,0

≤0,25

15ХФ

0,12-0,18

0,4-0,7

0,8-1,1

≤0,25

0,06-0,12 V

12ХН2

0,09-0,16

0,3-0,6

0,6-0,9

1,5-1,9

12ХНЗА

0,09-0,16

0,3-0,6

0,6-0,9

2,75-3,15

20Х2Н4А

0,16-0,22

0,3-0,6

1,25-1,65

3,25-3,65

18ХГТ

0,17-0,23

0,8-1,1

1,0-1,3

≤0,25

0,03-0,09 Ti

25ХГТ

0,22-0,29

0,8-1,1

1,0-1,3

≤0,25

0,03-0,09 Ti

18Х2Н4МА

0,14-0,20

0,25-0,55

1,35-1,65

4,0-4,4

0,3-0,4 Mo

20ХГНР

0,16-0,23

0,7-1,0

0,8-1,1

0,001-0,005 B