Механические свойства стали

Механические свойства стали

Без сомнения наиболее важными свойствами сталей, благодаря которым они находят такое широкое применение, являются их механические свойства. Эти свойства включают комбинацию очень высокой прочности со способностью к значительному изменению формы, например, пластическому прогибу, перед окончательным разрушением. Чтобы характеризовать прочность и пластичность (меру пластического прогиба) сталей и других металлов разработаны различные методы испытаний.

• Прочность сталей
• Пластичность сталей
• Твердость сталей
• Соотношение прочности и твердости сталей
• Вязкость сталей
• Усталость сталей

Химический состав сталей обыкновенного качества

Существует типизация по характеру застывания в изложнице и геометрической форме слитка (форма изложницы). Выделяют спокойную, полуспокойную и кипящую.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь выплавляется без добавления каких-либо легирующих элементов и бывает обычной и качественной.

Стали обычного качества принято делить на следующие группы:

• группа А — обеспечивается по механическим свойствам. Изделия из сталей этой группы применяются для последующей сварки, ковки и т.д. Причем, заявляемые мех. свойства могут изменяться. (Ст3, Ст5кп.).
• группа Б – сталь обеспечивается по хим. составу. Применяется для изготовления деталей, при обработке которых, могут изменяться механические характеристики определяемые составом.

Сталь из группы Б подразделяется на 2 категории:

• 1я- установлено содержание С, Si, Mn; ограничено содержание: S, P, N, As,
• 2я — дополнительно ограничено количесво Cr, Ni, Cu.
• группа В — обеспечивается по механическим характеристикам и содержанию химических элементов. Применяется при производстве свариваемых деталей.

Подразделяется на шесть категорий.

Обозначается группа В следующим образом: марка стали, степень раскисления, номер категории. Имеют одинаковый состав со сталью 2 категории группы Б.

Маркировка стали

Рассматривая, на примере, маркировку стали Ст5пс (конструкционная углеродистая сталь обычного качества).

1. эта сталь относится к группе А, (поскольку категория указывается перед буквами Ст (ВСт1, ВСт2), а не указывается только группа А).
2. цифра 5 — определяет условный номер марки исходя из хим. состава и мех.свойств.
3. пс- степень раскисления.

Если после цифры определяющей марку стали стоит буква Г- значит сталь содержит повешенное количество марганца.(Ст25Г2С)

Степени раскисления стали

Существует 3 степени раскисления стали.

Процесс раскисления позволяет восстановить окись железа и связать растворенный кислород, уменьшив, таким образом, его вредное влияние.

Кипящая сталь

Кипящая сталь является не полностью раскисленой. Во время разливки в изложницы она кипит из-за обильного выделения газа, поэтому она является наиболее загрязнена газами и неоднородной. Т.е механические свойства по слитку могут отличаться, поскольку распределение химических элементов по слитку не равномерно. В головной части слитка находится наибольшее количество углерода и различных плохих примесей (таких , как сера или фосфор), из-за чего требуется удаление части слитка ( 5% от общей массы).

Скопление серы в определенных участках может послужить причиной появления кристаллизационной трещины по шву. На этих участках сталь менее устойчива к старению и является наиболее хрупкой в минусовые температуры. Содержание кремния в кипящей стали не превышает 0,07%.

Итак, о кипящей стали можно сказать, что она довольно хрупкая, имеет плохие показатели свариваемости и наиболее подвержена коррозии. Поэтому, с целью повышения характеристик стали её раскисляют кремнием (0,12-0,3%), алюминием (до 0,1%) или марганцем, (возможно раскисление и прочими химическими элементами динамично вступающими в реакцию с кислородом). Кипящая сталь — довольно хрупкая, имеет плохие показатели свариваемости и наиболее подвержена коррозии.

Процесс раскисления позволяет восстановить окись железа и связать растворенный кислород, уменьшить его вредное влияние, поддерживая при этом долгое время высокую температуру стали, что способствует максимальному газо и шлакоудалению, а так же, получению микрозернистой структуры, благодаря образованию участков кристаллизации. За счет образование этих очагов происходит улучшение качества стали.

Ликвацией называется образование неоднородной химической структуры стали, возникающая в момент кристаллизации. Различаю две разновидности ликвации: внутрикристаллическую и дендритную. Впервые данное явление обнаружено русскими металлургами Н. В. Калакуцким и А. С. Лавровым в 1866 году.

Спокойная сталь

Полученная в результате раскисления сталь называется спокойной. Содержание кремния в спокойной стали не менее 0,12%, а наличие неметаллических включений и шлаков минимально.

Слитки спокойных сталей имеют плотную однородную структуру, а соответственно и улучшенные показатели по механическим свойствам.
Спокойная сталь отлично подходит для сваривания, а также обладает лучшей сопротивляемостью к ударным нагрузкам. Является более однородной.
Она подходит для возведении опорных металлоконструкции (благодаря ее стойкости к хрупкому разрушению), которые подвергаются сильным нагрузкам.

Спокойная сталь отлично подходит для сваривания, а также имеет лучшее сопротивление ударным нагрузкам и более однородна.

Полуспокойная сталь

Промежуточной по качественным показателям — является полуспокойная сталь.

Она является полураскисленной и кристаллизуется без кипения, выделяя при этом достаточное количество газа и имеет меньшее количество пузырьков, чем кипящая сталь. Поэтому, полуспокойная сталь имеет средние показатели качества (максимально приближенные к спокойной), и иногда заменяет спокойную.

Стоимость полуспокойной стали немного ниже спокойной, а выход качественного проката из таких слитков на 8 — 10% лучше.

Показатели качества полуспокойной стали ближе к спокойной.

Полуспокойная сталь затвердевает без кипения, но с выделением большого количества газа. В таком слитке содержание пузырей меньше, чем кипящей, но больше, чем в спокойной.

Поскольку производство кипящей стали обходится дешевле, чем спокойной и полуспокойной она достаточно широко используется для изготовления наименее ответственных изделий металлопроката, таких , как катанка, полоса, уголок, метизы.

Классификация по степени раскисления

На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.

Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к углеродистой стали можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Допустимые элементы

Нормативным документом (ГОСТом) регламентируется и химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества. Содержание такого элемента, как кремний, в сталях, обладающих разной степенью раскисления, может варьироваться в следующих пределах:

• кипящие – до 0,05%;
• полуспокойные (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс и др.) – 0,05–0,15%;
• спокойные – 0,15–0,3%.

В сплавах обыкновенного качества марки Ст0 кремния, как и марганца, содержаться не должно.
Такой значимый элемент, как углерод, в углеродистых сталях разных марок может содержаться в следующих количествах:

• Ст0 – до 0,23%;
• Ст1 – 0,06–0,12%;
• Ст2 – 0,09–0,15%;
• Ст3 – 0,14–0,22%;
• Ст4 – 0,18–0,27%;
• Ст5 – 0,28–0,37%;
• Ст6 – 0,38–0,49%.

Содержание марганца в углеродистых сталях обыкновенного качества регламентируется стандартом в следующих пределах:

• Ст1 и Ст2 – 0,25–0,5%;
• спокойные, а также полуспокойные сплавы марки Ст3 – 0,4–0,65%;
• кипящая сталь марки Ст3 – 0,3–0,6%;Ст4 – 0,4–0,7%;
• СтГсп и Ст3Гпс – 0,8–1,1%;
• полуспокойные, а также спокойные сплавы Ст5 и Ст6 – 0,5–0,8%;
• Ст5Гпс – 0,8–1,2%.

Нормируется ГОСТом и содержание в углеродистых сталях обыкновенного качества такого элемента, как азот. Его количество может варьироваться в следующих пределах:

• в сталях, которые получены путем выплавки в конверторных и мартеновских печах, – до 0,01%;
• в сплавах, которые выплавлены в печах электрического типа, – до 0,012%.

Углеродистая сталь марки Ст5сп применяется для изготовления деталей, работающих при температуре до 420 град: клёпок, гаек, болтов, стержней. звездочек и др.

Остальные элементы, включая вредные примеси, могут содержаться в углеродистых стальных сплавах, обладающих обыкновенным качеством, в следующих количествах:

• фосфор (кроме Ст0) – до 0,04%;
• сера – не более 0,05%, а в стали марки Ст0 – 0,06–0,07%;
• хром, никель, медь – до 0,3% (в стали марки Ст0 количественное содержание данных элементов не нормируется).

Способы изготовления стали и технологии

От технологии изготовления стали зависят структура этого сплава, его состав и свойства. Обычные стали производятся в мартеновских печах или конвертерах. Как правило, они насыщены значительным количеством неметаллических примесей.

Высококачественные сплавы производят с использованием электропечей. Особовысококачественные легированные стали, содержащие минимальное количество вредных примесей, производятся в процессе электрошлаковой переплавки.

При производстве сталей используют процесс раскисления, направленный на выведение кислорода из структуры сплава. От количества удалённого кислорода зависит, какие получаются стали: малораскисленные, совершенно раскисленные или полураскисленные. Их классифицируют, как кипящие, спокойные и полуспокойные.

Марки стали

Несмотря на то, что сталь однозначно признаётся самым востребованным сплавом железа, единая система маркировки её видов по настоящее время не сложилась. Наиболее проста и популярна буквенно-численная маркировка.

Качественные углеродистые стали маркируют с использованием литеры «У» и двузначным числовым значением (в сотых %) уровня углерода в их составе (У11).В марке обычных углеродистых сталей за буквой следует число, указывающее на количество углерода в десятых % — У8.

Литеры используются и в маркировке легированных сталей. Они указывают на основной элемент, применяемый для легирования. Идущая следом цифра показывает концентрацию данного элемента в составе стали. Перед литерой ставят цифру, соответствующую доле углерода в металле в сотых %.

Например, стоящая в конце марки высококачественного сплава буква «А» указывает на его качество. Эта же литера в середине марки уведомляет об основном элементе легирования, в данном случае им является азот. Литера в начале марки сообщает о том, что это автоматная сталь.

Литера «Ш» в конце маркировки, прописанная через дефис, говорит о том, что это особовысококачественный сплав. Качественные стали, не имеют в маркировке литер «А» и «Ш». Кроме того, существует дополнительная маркировка, указывающая на особые характеристики сталей. Так, например, магнитные сплавы отмечают литерой «Е», а электротехнические — «Э».

Буквенно-числовая маркировка, пожалуй, одна из самых простых и понятных для потребителя. Другие, более сложные, доступны только для специалистов.

Физические и механические свойства

Сталь Ст3 это самая используемая марка металла, применяемая в строительстве и в машиностроении. Низкая цена в сочетании с физико-механическими показателями, которые определили популярность этого материала.

Перечислим механические показатели Ст3:

• предел текучести 205-255 МПа;
• временное сопротивление разрыву 370-490 МПа;
• относительное удлинение 22-26%;
• ударная вязкость при температуре:
• 20 0С составляет 108 Дж/см2;
• 20 0С равняется 49 Дж/см2;
• твёрдость HB 10-1: 131 МПа.

Прочностные показатели предел текучести и относительное удлинение – зависят от толщины и формы проката. Чем больше толщина металлопроката, тем ниже значение показателя, самые низкие показатели у труб, высокие показатели у листов, толщиной 5-10 мм.

Плотность Ст3 составляет 7850 кг/м3. Сплав относится к хорошо свариваемым материалам.

Применение стали Ст3

Технические параметры Ст3, позволяют ее использовать для производства нагруженных элементов сварных конструкций и деталей машин и механизмов, работающие при положительных температурах.

Некоторые виды проката, в частности, пятой категории используют при производстве металлоконструкций, которые могут работать при температурах от -40 до 425 градусов Цельсия при знакопеременных нагрузках.

После сооружения сложных конструкций имеет смысл провести термическую обработку, в частности, отжиг. Та операция необходима для снятия напряжений, возникающих после выполнения сварочных работ.

Кроме того, этот материал используют при производстве строительной арматуры Ат400с.

Лист, произведенный из данной стали, применяют для производства деталей, произведенной по технологии холодной штамповки. Из него производят корыта для сбора СОЖ и отработанных масел, устанавливаемых на станках, емкости различного объема и назначения, крышки для станочного оборудования, кожухи и пр.

3 Обозначение стали Ст3: старые и новые

3.1 Обозначение стали Ст3 по ГОСТ 380-2005

Строго говоря, ГОСТ 380-2005 не предусматривает обозначение стали Ст3 в таком «чистом» виде «Ст3» – без букв «кп», «пс» и «сп». Этот стандарт определяет марки стали Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, а также их модификации с повышенным содержанием марганца – Ст3Гсп и Ст3Гпс. Употребление обозначения стали Ст3 без сопутствующих букв стандартом не предусмотрено. Более того, в ГОСТ 380-2005 указано, что если в заказе не указана степень раскисления стали, то ее устанавливает изготовитель. К слову, самая дешевая в изготовлении – кипящая сталь.

Полное обозначение любой марки стали по ГОСТ 380-2005, то есть такое, которое нужно указывать в заказе, выглядит, например, следующим образом:

Ст3Гсп ГОСТ 380-2005

Здесь:
Ст: обозначение стали углеродистой обыкновенного качества;
3: условный номер марки стали (всего их в ГОСТ 380-2005 семь, в зависимости от ее химического состава – 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6);
Г: буква Г присутствует в обозначении, если массовая доля марганца в стали превышает 0,8 %;
сп: степень раскисления стали.

Правда, похоже, сложилась практика, когда под сталью Ст3 понимают Ст3сп. Однако, как мы видели, ГОСТ 380-2005 формально этого не предусматривает.

3.2 Устаревшие обозначения стали Ст3

Встречаются устаревшие обозначения стали Ст3, например, ВСт3пс5, причем со ссылками на редакции ГОСТ 380 от 1971, 1988, 1994 и даже 1960 годов, а то и 1950 года!

ГОСТ 380-1971 предусматривал поставку сталей трех групп: А, Б и В с различными вариантами гарантий механических свойств и химического состава.

Стали группы А обозначались также как и по действующему ГОСТ 380-2005, например, Ст3кп. К сталям групп Б и В спереди добавлялась соответствующая буква, например, ВСт3кп.

Действующий ГОСТ 380-2005 (да уже и более ранний ГОСТ 380-94) в отличие от ранних редакций определяет только химический состав сталей. Механические и другие свойства определяют стандарты на конкретные виды стального проката, например, ГОСТ 535-88 на сортовой и фасонный прокат, а ГОСТ 14637-89 – на толстолистовой прокат.

По химическому составу стали делятся на:

• углеродистые;
• легированные.

Углеродистые делятся на:

• низкоуглеродистые – содержат до 0,25% С;
• среднеуглеродистые – содержат от 0,25 до 0,6% С;
• высокоуглеродистые – содержат от 0,6 до 0,2% С.

Легированные делятся на:

• низколегированные – содержанию легирующих элементов до 0,25%;
• среднелегированные – содержанию легирующих элементов 0,25 – 10,0%;
• высоколегированны – содержанию легирующих элементов более 10,0%.

По структуре в отожженном состоянии стали делятся на следующие классы:

• доэвтектоидный;
• заэвтектоидный;
• ледебуритный (карбидный);
• ферритный;
• аустенитный.

Структурный состав

По структуре после нормализации стали делятся на следующие классы:

• перлитный;
• мартенситный;
• аустенитный;
• ферритный.

Классификация по качеству

По качеству стали классифицируются:

• обыкновенного качества;
• качественные;
• высококачественные;
• особокачественные.

Стали обыкновенного качества массово применяются в разных отраслях по причине их дешевизны. Не обладает особыми свойствами. Содержат углерод до 0,6%.

Качественные стали бывают углеродистые и легированные. Применяются для изготовления ответственных деталей и узлов. Имеют высокую стоимость.

Высококачественные стали применяется в особо ответственных узлах. Имеют низкого содержания вредных примесей (серы и фосфора).

Особокачественные стали имеют очень низкое содержание серы и фосфора. Применяются в ответственных узлах, которые испытывают высокие динамические нагрузки.

Классификация по степени раскисления

По степени раскисления стали делятся:

• спокойные (сп);
• полуспокойные (пс);
• кипящие (кп).

Спокойные стали содержат малое количество кислорода. Затвердевание происходит спокойно без газовыделения. Спокойные стали массово применяют в сварочном производстве.

Полуспокойные стали затвердевают без кипения, но выделяют большое количество газов. По качеству очень приближены к спокойным сталям и могут их заменить.

Кипящие стали содержат в своём составе большое количество вредных примесей. Они очень хрупкие и плохо свариваются.

Классификация стали по назначению

Конструкционные стали делятся на:

• строительные;
• стали для холодной штамповки;
• цементируемые;
• улучшаемые;
• высокопрочные;
• пружинно-рессорные;
• подшипниковые;
• автоматные;
• коррозионностойкие;
• износостойкие;
• жаропрочные и жаростойкие.

Строительные

Применяются для изготовления конструкций любой сложности, имеют хорошую свариваемость.

Стали для холодной штамповки

К таким сталям относятся низкоуглеродистые стали обладающие высокой пластичностью.

Цементируемые стали

Это стали с содержанием углерода в пределах 0,1-0,3% и работающие при повышенных динамических нагрузках.

Улучшаемые

К улучшаемым относятся среднеуглеродистые и хромистые стали которые подвергаются термообработке (закалке и высоком отпуску).

Высокопрочные стали

К ним относятся стали имеющие специальный химический состав, который при термообработке увеличивают прочностные свойства в разы.

Пружинно-рессорные стали

Применяются в машиностроении для изготовления амортизаторов и рессор высоконагруженных машин.

Подшипниковые стали (шарикоподшипниковые)

К данным сталям предъявляют повышенные требования по прочности, износоустойчивости и выносливости. Данные свойства достигаются за счёт содержания хрома в пределах 1,5%. Ярким примером такой шарикоподшипниковой стали является сталь ШХ15.

Автоматная сталь

Данная сталь используется для изготовления крепёжных деталей на металлообрабатывающих станках. В связи с этим данная сталь должна хорошо обрабатываться на станке путём резания, образовывая легко обламывающуюся стружку. Минусом автоматные стали является низкая пластичность.

Износостойкая сталь

Основное применение – траки гусеничных машин, ковши экскаваторов и землеройных машин. Износостойкость достигается, за счёт введение в сталь марганца.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали

Эти стали содержат хром в пределах от 14%. За счёт хрома происходит образование на поверхности стали оксидной плёнки, что защищает сталь от разрушения в агрессивной среде.

Коррозионностойкие стали делятся:

• Коррозионностойкие. Из них изготавливают различные узлы, которые эксплуатируются при температуре до 600°С.
• Жаропрочные. Из них изготавливают клапаны, роторы, лопатки турбин, работающие при высоких температурах (80% от температуры плавления) в течение длительного времени.
• Жаростойкие. Изготавливают ответственные узлы, работающие при высоких температурах (1200°С).
• Криогенные. Применяется для изготовления деталей холодильных установок, работающих при температуре до -200°С.

Инструментальная сталь по назначению делится:

• для режущего инструмента;
• для измерительного инструмента;
• сталь для штампов.

Сталь для режущего инструмента

Имеет высокую твердость и термостойкость, Должна длительное время сохранять режущие свойства, а также выдерживать большие механические нагрузки в процессе эксплуатации.

Сама сталь для режущего инструмента бывают 3 -х типов:

• быстрорежущие стали;
• углеродистые;
• легированные инструментальные.

Быстрорежущие стали (рапид)

Быстрорежущая сталь (рапид) используют для изготовления режущего инструмента, работающего на высоких оборотах. Обозначается «Р». Пример Р9, Р18.

Углеродистые инструментальные стали

Содержат в себе углерода до 1,3%. Применяются в слесарном инструменте и имеют обозначение «У». Пример: У7, У10, У12.

Легированные инструментальные стали

Содержат легирующие добавки в приделах до 3%. Применяется для изготовления свёрл, фрез и др. режущего инструмента. Пример: 11ХФ.

Стали для измерительных инструментов

Должна обладать твёрдостью и износостойкостью. К такому инструменту относят: штангенциркуль, линейки, калибры, шаблоны и т. д. Для повышенных классов точности применяют стали X, ХВГ, ШХ15. Для пониженных – сталь У10А, УПА, У12А.

Штамповочные стали

Главная задача штамповочной стали обладать высокой твёрдостью и износостойкостью.

Делятся штамповочные стали на:

• стали для штампов холодного деформирования;
• стали для штампов горячего деформирования.

Сталь для штампов холодного деформирования

Обладает высокой твёрдостью и износостойкостью, для обеспечения точного размера заготовки при штамповке.

Сталь для штампов горячего деформирования

Должна обладать всеми свойствами, что и стали холодного деформирования, а также работать в условиях высоких температур (до 600°С).