Металловедение
.pdf201
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 Мн, 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 Мн; она расположена при температуре ниже комнатной. В этом случае кривая нормализации не пересекает С-образную кривую и не доходит до точки Мн, 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% Сr7X3; 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 У8качественная, 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 |
Маркировоч- |
Название |
Химический |
Маркировоч- |
|
символ |
ное обозначе- |
|
символ |
ное обозначе- |
|
|
ние |
|
|
ние |
Марганец |
Mn |
Г |
Кобальт |
Со |
К |
Кремний |
Si |
С |
Алюминий |
Аl |
Ю |
Хром |
Сr |
X |
Медь |
Сu |
Д |
Никель |
Ni |
Н |
Бор |
B |
Р |
Вольфрам |
W |
В |
Ниобий |
Nb |
Б |
Ванадий |
V |
Ф |
Цирконий |
Zr |
Ц |
Титан |
Ti |
Т |
Фосфор |
Р |
П |
Молибден |
Mo |
M |
|
|
|
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 |
Относительное удлинение |
|
|
растяжении ζв |
|
δ, % (для толщины образ- |
||
|
МН/м2 |
|
кгс/мм2 |
|
ца до 20 мм), не менее |
|
|
|
|
|
|
Ст0 |
≥310 |
|
≥31 |
|
23 |
Ст1кп |
310-400 |
|
31-40 |
|
35 |
Ст1сп, Ст1пс |
320-420 |
|
32-42 |
|
34 |
СтЗкп |
370-470 |
|
37-47 |
|
27 |
СтЗсп, СтЗпс |
380-490 |
|
38-49 |
|
26 |
Ст5сп, Ст5пс |
500-640 |
|
50-64 |
|
20 |
Ст6сп, Ст6пс |
≥ 600 |
|
≥60 |
|
15 |
|
|
|
|
|
|
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 |
|
|
|
С |
Мn |
Si |
|
|
|
|
БСт0 |
≤ 0,23 |
|
|
|
|
|
|
БСт1кп |
0,06-0,12 |
0,25-0,50 |
≤0,05 |
БСт1пс |
|
|
0,05-0,17 |
БСт1сп |
|
|
0,12-0,30 |
БСт3кп |
|
0,30-0,60 |
≤0,07 |
|
|
|
|
БСт3пс |
0,14-0,22 |
0,40-0,65 |
0,05-0,17 |
БСт3сп |
|
|
0,12-0,30 |
БСт6пс |
0,38-0,49 |
0,50-0,80 |
0,05-0,17 |
БСт6сп |
|
|
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 |
Элементы |
|
|
|
|
|
стали |
|
|
|
|
|
|
|
C |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
Сu |
|
|
|
|
|
|
|
Сталь для металлических конструкций |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
14Г2 |
0,12-0,18 |
0,17-0,37 |
1,2-1,6 |
≤0,3 |
≤0,3 |
≤0,3 |
10ХСНД |
≤0,12 |
0,8-1,1 |
0,5-0,8 |
0,6-0,9 |
0,5-0,8 |
0,4-0,65 |
Сталь для армирования железобетонных конструкций |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
18Г2С |
0,14-0,23 |
0,6-0,9 |
1,2-1,6 |
≤0,3 |
≤0,3 |
≤0,3 |
35ГС |
0,30-0,37 |
0,6-0,9 |
0,8-1,2 |
≤0,3 |
≤0,3 |
≤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 -400 С, ударная вязкость их достаточно высокая - ан = 0,3-0,5
МДж/м2 (3-5 кгс•м/см2). 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)
Марка ста- |
Элементы |
|
|
|
Другие |
эле- |
ли |
С |
Mn |
Cr |
Ni |
менты |
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
0,12-0,19 |
0,35-0,65 |
- |
- |
0,17-0,37 Si |
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
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 |
0,7-1,0 |
0,8-1,1 |
0,001-0,005 B |
|
|
|
|
|
|
|
|
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-