Углеродистые стали
Методические указания
По выполнению контрольной работы «Марки сталей и электродуговая сварка»
по курсу «Получение и обработка металлов и сплавов»
для студентов ИФФВТ УлГУ специальности "Физика металлов "
Цель работы:
1. Изучить классификацию и применение сталей.
2. Выявить влияние углерода и легирующих элементов на свойства сталей.
3. Научиться расшифровывать марки сталей.
4. Освоить расчет режимов ручной электродуговой сварки и провести расчет режима сварки деталей по варианту.
Углеродистые стали
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь состоит в основном из двух химических элементов (железа и углерода), а легированные – из железа, углерода и других легирующих добавок. Механические свойства сталей зависят от содержания углерода (рис.1). В практике чистое железо не используется, а применяются сплавы железа с углеродом: стали (углерода в сплаве содержится до 2 %) и чугуны (содержание углерода 2…6.%).
При малом содержании углерода (от 0,05 до 0,3 %) сталь хорошо прокатывается в листы, гнется, штампуется и вытягивается в холодном состоянии, легко обрабатывается резцом, хорошо сваривается и режется кислородом, но практически не закаливается, имеет относительно низкую твердость и износостойкость. Это строительные стали, из них прокаткой изготовляют трубы, листы, швеллеры, балки двутавровые, сталь угловую и другой сортовой прокат, используемый для изготовления строительных конструкций.
Небольшое количество углерода в стали (до 0,0001 %) может помещаться в свободных местах кристаллической решетки, большая же часть углерода находится в химически связанном с железом состоянии – в виде цементита Fe3C.
Углеродистая сталь представляет собой смесь зерен железа и карбидов железа. Первые называются в металловедении – ферритом, а вторые – цементитом.
Рис. 1. Влияние содержания углерода на механические характеристики сталей: твердость НВ, прочность 
, ударную вязкость aн, и относительное удлинение 
.
Стали с содержанием углерода 0,3…0,8 % называют машиностроительными. Из сталей с содержанием углерода 0,3…0,45 % делают валы, оси, а из высокоуглеродистых сталей (0,5…0,7 % углерода) – рельсы и др.
Стали, содержащие углерода 0,7…1,3 %, называют инструментальными, из них изготавливают режущий инструмент (сверла, метчики, плашки, резцы и др.). Стали с содержанием углерода 0,3…1,3 % хорошо закаливаются, становятся более твердыми и износостойкими. Чем больше в этих сталях углерода, тем они становятся тверже и прочнее, менее вязкими и пластичными , хуже обрабатываются и свариваются.
Сталь называется углеродистой (нелегированной) если в ней кроме углерода нет других легирующих элементов. Естественно, в ней есть примеси других элементов (сера, фосфор, марганец, кремний и т.д.), которые попали в нее из исходных веществ при производстве стали, т.е. из железной руды, лома, чугуна.
Высокоуглеродистые стали по сравнению с низкоуглеродистыми более прочные и твердые, но менее пластичны и более хрупки. Поэтому содержание углерода, определяя свойства сталей, делит их на группы назначения: СТРОИТЕЛЬНЫЕ – не высокая пластичность и ударная вязкость; ИНСТУМЕНТАЛЬНЫЕ – более высокая твердость; МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ по сравнению со строительными сталями имеют более низкие значения ударной вязкости и пластичности, но повышенные прочности и твердости.
Рис.2. Классификация углеродистых сталей по качеству.
Стали классифицируются по следующим признакам: по химическому составу (углеродистые и легированные); по назначению (строительные, инструментальные); по способу производства (мартеновские, бессемеровские); по качеству (обыкновенные, качественные, высококачественные).
Стали обыкновенного качества (рис.2) делятся на три группы: А, Б и В. Группа А это стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 (приложение 1). У этих сталей нормируются механические свойства (sв, sт, d). Цифра в марке стали означает ее условный номер и изменяется от 0 до 6, чем больше эта цифра , тем больше значение sв и sт. Индексы Б и В указываются в марках сталей группы Б и В, а индекс А у сталей группы А не указывается.
Имеются разновидности сталей группы А по раскислению (кп, сп, пс) и по содержанию марганца (Г) : Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп,
У сталей группы Б нормируется химический состав по углероду (от 0,23 до 0,49%), кремнию (0,05…0,35 %) и марганцу (0,25…1,2 %): БСт0, БСт1,…БСт6 (приложение 2).
Повторяются те же разновидности сталей как и у группы А по раскислению и по содержанию марганца: БСт0, БСт1кп, БСт1пс,…БСт6.
Группа В – нормируется химический состав и механические свойства: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5 (индекс В – группа стали В; в отличии от сталей групп А и Б в группе В нет сталей Ст0, Ст6).
По степени раскисления стали делятся на:
– кипящие стали (большое содержание кислорода в окислах железа и менее 0,005 % Si) имеющие более низкий порог хладноломкости, поэтому эти стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) нельзя применять для строительных конструкций, работающих при низкой температуре;
– спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп,…), которые более надежны при низких температурах;
– полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс,…).
В конце марки указываются ее категория (от 1 до 6, причем цифра 1 для стали категории 1 не указывается).
Примеры расшифровки обозначений сталей: сталь Ст2кп3 – сталь обыкновенного качества группы А, марки Ст2, кипящая, 3-ей категории; сталь ВСт4кп4 – сталь обыкновенного качества, группы В, марки Ст 4, кипящая, 4-ой категории.
Качественные углеродистые стали могут быть с обычным содержанием марганца (05кп, 08кп, …25, …85) и с повышенным (15Г, 20Г, …85Г).
Цифра в марке означает содержание углерода в сотых долях %, а индекс Г указывает на наличие марганца (1%). Высококачественные стали содержат меньшее количество вредных примесей (S < 0,02 %, Р < 0,03 %) и обозначаются индексом А в конце марки стали. Например: У8А – высококачественная высокоуглеродистая, инструментальная, сталь, содержащая 0,8 % углерода.
Применение углеродистых сталей в строительстве и машиностроении:
1. Стали обыкновенного качества используют в конструкциях, не подвергающих динамическим нагрузкам и влиянию низких температур.
2. Стали 08кп, 05кп – для листовой штамповки в автомобилестроении и других отраслях.
3. Стали Ст0, Ст1, …Ст2, Ст08, …Ст25 – для изготовления проката листа, швеллера и т.д.
4. Стали 10, 15, …25 – для сварных и клепанных конструкций (без последующей термообработки).
5. Стали Ст3кп, Ст5, МСт3кп, и др. для изготовления ЖБИ (приложение 3).
6. Листовые конструкции, резервуары, трубопроводы изготовляют из сталей МСт1кп, МСт2кп, …МСт3пс.
7. Стали 30, 35, 40 – для деталей (валы, оси, шестерни), работающих при больших нагрузках (подвергаются нормализации и закалке).
8. Стали 45, 50 – для коленчатых валов.
9. Стали 55, 60, 65 и 70 – пружины, рессоры, шестерни (закалка и отпуск).