Углеродистые и легированные стали
|
Состав стали. Сталь - железоуглеродистый сплав (С<2,14%) включающий ряд примесей, влияющих на ее структуру и свойства. В зависимости от химического состава стали, разделяют на углеродистые и легированные. Решающее влияние на механические свойства углеродистых сталей оказывает содержание углерода, легированных сталей - легирующие примеси. Углерод - важнейший компонент стали. С увеличением содержания углерода прямо пропорционально возрастает количество цементита - наиболее твердой и хрупкой составляющей стали. Соответственно уменьшаются пластичность и вязкость, относительное удлинение (рис. 9.9), ударная вязкость и трещиностойкость. До содержания углерода 0.55-0.65% возрастает предел выносливости, при большем - снижается. Примеси марганца и кремния раскисляют сталь, т.е. выводят оксиды металлов и способствуют предотвращению хрупкого разрушения стали при горячей пластической деформации. При этом марганец в количестве до 0,8% заметно повышает, прочность стали, а кремний (<0,37%) - предел текучести.  Сера, образуя сульфид железа, способствует при обработке, стали прокаткой или ковкой (1000-1200°С) возникновению надрывов и трещин (горячеломкость). Сернистые включения снижают ударную вязкость, и пластичность стали, ухудшают ее свариваемость и коррозионную стойкость. В обычных углеродистых сталях содержание серы ограничивают до 0,05%, в качественных - до 0,04%, в высококачественных - до 0,015-0,025%. Вместе с тем в т.н. автоматных сталях, предназначенных для обработки резанием на станках-автоматах содержание серы для улучшения обрабатываемости стали увеличивают до 0,15-0,25%. К вредным примесям относится также фосфор, который, растворяясь в феррите, хотя и увеличивает пределы прочности и упругости сплава, но уменьшает пластичность и вязкость. Содержание фосфора допускается в стали в количестве 0,025-0,045%. В небольших количествах в стали могут присутствовать газовые примеси - кислород, азот, водород. Они образуют хрупкие неметаллические включения в виде оксидов или находятся в свободном виде в трещинах, раковинах и т.д. Особенно вредным является растворенный в стали водород, который повышает хрупкость стали и приводит к образованию т.н. флокенов - тончайших трещин, резко ухудшающих все ее свойства. Для получения стали с требуемой структурой и свойствами в ее состав вводят легирующие элементы, которые распределяются в твердых растворах и других фазах, изменяя прочность, вязкость и пластичность сплавов, повышая их износостойкость и др. Наиболее часто для получения легированных сталей в ее состав вводят никель, хром, титан, марганец, молибден, алюминий, вольфрам. Для большинства современных легированных сталей основной фазой является феррит, легированный одним или несколькими элементами. Легирование феррита в особенности марганцем и кремнием увеличивает его предел текучести. Для многих коррозионностойких жаропрочных и немагнитных сталей основной составляющей является аустенит. Легирующие элементы, растворяясь в γ-железе, повышают прочность аустенпта как при нормальных так и высоких температурах. При повышенном содержании в стали Ni или Mn аустенит может существовать и при низких температурах. Способы производства стали. Сталь получают с помощью мартеновского, конвертерного и электроплавильного способов. При мартеновском способе сталь получают в мартеновских печах, в плавильном пространстве которых сжигается газ или мазут, а в специальных камерах - регенераторах подготавливаются поступающие в печь воздух и газообразное топливо за счет аккумулированного тепла отходящих продуктов горения. Шихта включает чугун и металлический лом - скрап или жидкий чугун, скрап и железную руду. Процесс получения стали заключается в плавлении шихты, при котором образуется большое количество закиси железа, окислении углерода и других примесей закисью железа и раскислении - восстановления железа из закиси добавками ферросилиция, ферромарганца или алюминия.  Конвертерный способ производства стали, заключается в продувке воздуха или кислорода через чугун, залитый в конвертер (рис. 9.9). После окончания процесса конвертер поворачивают горизонтально, прекращают дутье, проверяют состав стали и выливают ее в ковш. Распространение получил кислородно-конвертерный способ, при котором дутье осуществляется чистым кислородом. Кислородно-конвертерный способ характеризуется высокой производительностью, не требует больших капитальных затрат топлива. Коэффициент использования теплоты при этом способе составляет около 70%. Наиболее совершенным из применяемых является электроплавильный способ получения стали. В электрических печах (рис. 9.12) выплавляют качественную сталь, характеризуемую высокой чистотой и хорошей раскисленностью. Основным исходным материалом для электровыплавки стали, является стальной лом. Электроплавка производится в дуговых (рис. 9.11) и индукционных печах. В дуговых печах нагрев металла идет за счет теплоты, выделяемой электрической дугой, образующейся между электродом и расплавленным металлом, в индукционных - за счет токов высокой частоты.  Прогрессивным является способ получения стали с помощью дуплекс-процесса, когда жидкий чугун перерабатывают в сталь в конвертерах, а затем сталь в электропечах доводят до заданного химического состава. К прогрессивным методам получения стали, относятся электрошлаковый, плазменно-дуговой и электронно-лучевой переплавы. При электрошлаковом переплаве высококачественные легированные стали, получают из слитков обычной стали, которые плавятся за счет теплоты, выделяемой при прохождении через них электрического тока. Расплавленный металл проходит через слой жидкого шлака и очищается от вредных примесей и газов. При плазменно-дуговом переплаве источником теплоты служит плазменная дуга, а электронно-лучевом - поток электронов, излучаемых высоковольтной кобальтовой пушкой с созданием в плавильном пространстве глубокого вакуума. Эффективно получение стали прямым восстановлением из руд, минуя доменный процесс. Полуфабрикатом для производства стали, при этом способе, служит губчатое железо, получаемое во вращающихся или шахтных печах, которое подвергается дроблению и отделению от пустой породы. При прямом восстановлении железа из руд отпадает необходимость в коксохимическом производстве - основном при доменном процессе, существенно повышается производительность. Сталь, выпущенная из печей, заливается в специальные чугунные формы - изложницы - или поступает на непрерывное литье. При непрерывной разливке струя расплавленного металла поступает сначала в кристаллизатор, охлаждаемый водой, а затем в зону вторичного охлаждения и автоматически разрезается на слитки необходимой длины. Непрерывное литье по сравнению со штучным позволяет повысить производительность труда, качество стали, сократить отходы литейного производства. Углеродистые стали. В зависимости от содержания углерода стали разделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 %С), среднеуглеродистые (0,25-0,6%С) и высокоуглеродистые (более 0,6%С). По назначению стали классифицируются на конструкционные, инструментальные и специального назначения. По способу производства различают стали, выплавляемые в мартеновских и электропечах, а также в кислородных конверторах. Углеродистые стали, полностью раскисленные после выплавки, называют спокойными (сп), раскисленные частично - полуспокойными (пс) и кипящими (кп). Спокойные стали затвердевают без заметного выделения газов. По сравнению с полуспокойными и кипящими сталями они характеризуются лучшими прочностными свойствами, но меньшим выходом металла при прокатке и более высокой стоимостью. В зависимости от содержания вредных примесей фосфора и серы углеродистые стали делят на сталь обыкновенного качества и качественную. Сталь обыкновенного качества применяется для изготовления строительных конструкций, арматуры, крепежных деталей, листового проката, труб, заклепок и т.д. В сталях обыкновенного качества содержится не более 0,05%S и 0,04% Р. Их изготавливают в мартеновских печах и кислородных конвертерах. При маркировке сталей обыкновенного качества кроме букв “Ст” указывают номер стали, в зависимости от ее химического состава и степень раскисления. С повышением условного номера стали увеличивается содержание углерода. Химический состав для некоторых углеродистых сталей обыкновенного качества в соответствии с нормами ГОСТ 380-94 приведен в табл. 9.1. Качественные углеродистые стали выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах. К ним предъявляют более жесткие требования по содержанию примесей. Влияние основных примесей на свойства углеродистых сталей показано в табл. 9.2.  Качественные углеродистые стали маркируют цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам. В них должно содержаться не более 0,04%S и 0,035%Р. Химический состав и механические свойства некоторых марок качественных сталей приведен в табл. 9.3   Легированные стали. К легированным относятся стали содержащие легирующие примеси, то есть специально введенные для улучшения свойств элементы: хром (X), никель (И), молибден (M), вольфрам (В), кремний (С), марганец (Г), медь (Д), фосфор (И), титан (T), ванадий (Ф), P - бор, К - кобальт, Ю - алюминий, Б - ниобий. Марка легированной стали характеризирует ее приближенный химический состав: цифры до букв показывают среднее содержание углерода, увеличенное в 100 раз; цифры после букв - содержание легирующей добавки в процентах, например, марка 09Г2СД расшифровывается так: углерода 0,09 %, марганца до 2%, кремния до 1%, меди до 1%. При маркировке инструментальных сталей вначале ставится цифра, означающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода более 1%. Например, сталь ЗХ2В8Ф содержит 0,3-0,4% С; 0,2-2,7% Cr; 7,5-8,5%W; 0,2-0,5%V; сталь 5ХНМ - 0,5-0,55% С; 0,5-0,8% Cr; 1,4-1,8% Ni; 0,19-0,30% Mo; ХВГ - 0,9-1,05% С; 0,9-1,2% Cr; 1,2-1,6%W; 0,8-1,1%Мт. Некоторые группы сталей имеют дополнительные обозначения. Например, марки автоматных сталей начинаются с буквы "А", подшипниковых - "Ш", электротехнических - "Э". В зависимости от содержания легирующих добавок различают низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5-10) и высоколегированные (более 10%) стали. Введение легирующих элементов изменяет механические, физические и химические свойства стали. Например, введение хрома способствует повышению прочности и износостойкости, а марганца - твердости, прочности, свариваемости, кремния - твердости, упругости, меди - коррозионной стойкости. Большинство легированных сталей приобретает нужные физико-механические свойства только после термической обработки. По назначению легированные стали разделяют на конструкционные, инструментальные, стали со специальными физикомеханическими свойствами. Состав и назначение некоторых видов легированных сталей приведены в табл. 9.4.  Для низколегированных конструкционных сталей в зависимости от гарантированных характеристик установлены категории. Выбирая марки стали и категории их поставки, учитывают степень ответственности и условия эксплуатации стальных конструкций. В самых тяжелых условиях работают сварные конструкции при низких отрицательных температурах, а также под действием динамических вибрационных или подвижных нагрузок. К легированным сталям с особыми физическими и химическими свойствами относятся жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие, износоустойчивые и магнитные стали. Строительные стали. Строительные стали входят в группу конструкционных сталей, предназначенных для изготовления конструкционных элементов и имеющих высокую прочность и пластичность, достаточное сопротивление ударным нагрузкам, вязкость. В ряде случаев для конструкционных сталей необходимы достаточная коррозионная стойкость, усталостная прочность, износостойкость, стойкость к хрупкому разрушению. Кроме соответствующих механических свойств, конструкционные стали должны иметь и необходимые технологические свойства - способность свариваться, обрабатываться давлением и резанием. В группу конструкционных входят автоматные, пружинно-рессорные, подшипниковые, износостойкие, жаропрочные, жаростойкие и некоторые другие виды сталей. Строительные стали применяют для изготовления металлических конструкций и сооружений, трубопроводов, армирования железобетона. К ним относится ряд марок углеродистых сталей обыкновенного качества и низколегированных. Строительная сталь поставляется в виде листов, различных видов фасонного и широкополосного универсального проката, гнутых профилей и др. Стальной прокат получают путем обработки металлов давлением, основанной на их способности к пластической деформации. При пластическом деформировании изменяется не только форма металлов и их структура, происходит вытягивание зерен, их измельчение. Обработка металлов давлением осуществляется механической обработкой металлов с помощью прокатки, волочения, прессования, ковки и штамповки. Эти способы обработки основаны на использовании пластической деформации холодного или нагретого металла под воздействием валков, штампов, бойков и др. Пластическая деформация - это деформация материала, сохраняемая после снятия нагрузки. Обработка металлов давлением в холодном состоянии приводит к наклепу - повышению предела прочности и твердости при снижении пластичности и ударной вязкости. Значительное влияние на деформационное упрочнение оказывает температура. С повышением температуры пластичность непрерывно увеличивается, а сопротивление деформированию уменьшается. По мере нагрева идет процесс перекристаллизации и восстановления прежней структуры материала. Сопротивление металлов деформированию возрастает с увеличением скорости деформации. Прокаткой (рис. 9.12, а) называется обработка металлов давлением, при которой процесс деформации осуществляется сдавливанием между вращающимися цилиндрами (валками) прокатного стана. Исходными материалами для получения прокатных изделий служат литые заготовки, а готовой продукцией - различные профили.  Волочение (рис. 9.12, б) - обработка металлов давлением путем протягивания проволоки, прутка или трубы через отверстие матрицы с сечением, меньшим исходного сечения заготовки. С помощью волочения изделия приобретают заданную геометрическую форму, точные размеры, чистую поверхность. Волочение металлов производится обычно в холодном состоянии на специальных волочильных станах. Прессование - продавливание пластичных металлов, находящихся в контейнере, через выходное отверстие матрицы. Этот метод обработки давлением применяется в основном для изготовления изделий различных профилей из цветных металлов, а в некоторых случаях и из стали. Ковка и штамповка - процессы обжатия металлической заготовки с целью получения изделий заданной формы между двумя бойками или в штампах. При ковке и штамповке детали получают путем деформирования горячих (а при штамповке и холодных) заготовок нагрузкой с применением молотов или прессов. Основным способом получения строительных металлических изделий является прокатка. На современном металлургическом заводе прокатка осуществляется двумя способами. При первом исходным материалом служат стальные слитки, которые перерабатываются сначала на обжимных станах в заготовки, а затем на специализированных прокатных станах в готовые изделия. При втором способе, применяемом с середины XX в., прокатка исходной заготовки заменяется непрерывным литьем (разливкой) на специальных машинах. При таком способе повышается качество проката, устраняются отходы. Прокатные стальные изделия разделяют на четыре группы: сортовую и листовую сталь, специальные виды проката, трубы. Из прокатных изделий собирают самые разнообразные решетчатые и сплошные конструкции: колонны, балки, бункера, мачты, башни, трубопроводы, резервуары и др. Сортовая сталь включает (рис. 9.13) профили массового потребления (круглую, квадратную, угловую сталь, ленту, проволоку, швеллеры, двутавровые балки) и профили специального назначения (рельсы и др.).  Из сортовой стали в строительстве особенно широко применяют уголковые профили, двутавры, швеллеры. Уголковый профиль может быть двух типов: равнополочный и неравнополочный. Наиболее легкие уголковые профили имеют размеры полок 20x20 мм и толщину 3 мм (20х3), наиболее тяжелые, соответственно, 250x250 мм и 30 мм (250x30). Двутавры и швеллеры выбирают по номерам, соответствующим их высоте в миллиметрах. Номера двутавров изменяются в диапазоне от 10 до 60, швеллеров - от 5 до 40. Двутавры прокатывают длиной до 19 м, швеллеры - до 18 м. Их применяют обычно как балки, работающие на изгиб и осевую нагрузку. Швеллеры отличаются от двутавров сдвинутой к краю полок стенкой. Форма швеллеров упрощает прикрепление их к стенкам других элементов. Швеллеры широко используют как прогоны покрытий промышленных зданий. В последние годы металлургическая промышленность стала поставлять строительству облегченные двутавровые балки и швеллеры, главным отличием которых являются более тонкие стенки. Листовая сталь разделяется в зависимости от толщины листов на толстолистовую (4-16 мм), тонколистовую (0,2-4 мм), универсальную широкополосную (4-60 мм), слябы (плиты 60-200 мм), рулонную и рифленую. Толстолистовая сталь изготавливается в виде листов с шириной до 8500 мм и длиной до 12 м. Наиболее широко в строительстве применяют стальные листы толщиной до 40 мм. Листы тонколистовой стали имеют длину до 4 м, ширину - 600-1400 мм. Ее применяют при изготовлении гнутых тонкостенных профилей и профилированного настила. Изготовление гнутых профилей позволяет существенно упростить технологию производства деталей и экономить до 10% металла. Профилированный настил применяется для устройства легкой и удобной в монтаже кровли. Основным видом специального проката для строительства является арматурный прокат (рис. 9.14).  Для возведения башен, мачт, опор BЛ и других решетчатых конструкций широко используются металлические трубы. По способу изготовления их разделяют на бесшовные горяче- и холоднодеформированные и электросварные с продольным прямым или спиральным швом. Наряду с круглыми сварными трубами для стальных конструкций применяют квадратные и прямоугольные гнутосварные трубы. Выбор сталей для строительных конструкций базируется в основном на оценке четырех основных характеристик: предела текучести σт, предела прочности при растяжении σв (временного сопротивления), относительного удлинения δ и ударной вязкости при отрицательной температуре. Все стали так же, как и другие сплавы для металлических конструкций, по уровню основных механических свойств, определенных при испытаниях на растяжение, принято делить на классы. При обозначении класса сталей применяемой для изготовления проката для строительных конструкций, буква “С” означает “сталь строительная”, цифры - предел текучести в МПа, буквы (К или Т) - вариант химического состава и термическое упрочнение. Фасонный прокат изготавливают из сталей С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375; листовой универсальный прокат и гнутые профили - из сталей указанных выше классов, а также из сталей С390, С390К, С440, С590, С590К. Для каждого класса строительной стали нормируется химический состав (табл. 9.5). Для фасонного, листового и широкополосного универсального проката нормируются также механические свойства (табл. 9.6; 9.7).   Каждому классу строительной стали соответствуют определенные марки. В соответствии с ГОСТ 27772-88 стали С 235 соответствует сталь марки Ст3кп2, С 245 - Ст3пс5 и Ст3сп5; С 255 - Ст3Гпс и Ст3сп5; С 275 - Ст3пс; С 285 - Ст3сп; Ст3Гпс, Ст3Гсп; С 345 -12Г2С и 09Г2С; С 375 - 12Г2С; С 390 - 14Г2АФ; С 440 - 16Г2АФ; С 590- 14ГН2МФАЮ. Важнейшей технологической характеристикой строительных сталей является хорошая свариваемость - способность стали свариваться без образования трещин и создавать сварное соединение, которое по качеству не отличается от свойств основного металла. Возможность образования трещин в сварном шве зависит от интервала кристаллизации металла, который в значительной мере определяется содержанием углерода. С увеличением интервала кристаллизации возрастает опасность появления горячих трещин в сварном шве. В свариваемых сталях с повышенным содержанием углерода, в связи с процессом распада аустенпта при охлаждении, сопровождаемом объемными изменениями, возможно также образование холодных трещин. В связи с опасностью трещинообразования при сваривании в сталях, используемых для изготовления строительных конструкций, содержание углерода не превышает 0,25%. Показателем свариваемости стали, является углеродный эквивалент (Сэ, %):  где Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P - содержание в стали соответствующих химических элементов в % по массе. Углеродный эквивалент строительных сталей не должен превышать 0,45-0,48. Без ограничений свариваются стали с Сэ<0,25. Важным показателем, характеризующим эксплуатационную надежность строительных сталей является также температура их перехода из вязкого состояния в хрупкое (порог хладноломкости). Переходу в хладноломкое состояние стали способствует содержащейся в ней углерод и фосфор. При этом вредное влияние фосфора проявляется тем заметнее, чем выше содержание углерода в стали.  Порог хладноломкости сталей возрастает с увеличением их прочности. Хладноломкость стали особенно проявляется при действии динамических нагрузок. Склонность к хрупкому разрушению металлов увеличивается по мере увеличения скорости их деформации. Ему способствуют все факторы, ведущие к увеличению концентрации и развитию напряжению в изделиях и конструкциях. Строительные стали разделяют на стали без гарантированной хладноломкости до -40°С и стали для металлоконструкций, эксплуатируемых при температурах ниже -40°С (стали “северного” исполнения). Наибольший эффект повышения хладноломкости достигается при использовании термомеханически упрочненного проката. Для работы при сверхнизких температурах применяют криогенные стали при изготовлении емкостей для хранения и перевозки сжиженных газов, имеющих очень низкую температуру кипения (кислород - минус 183°, водород - минус 253°С). Основными материалами для работы в подобных условиях, являются аустенитные стали с повышенным содержанием никеля. |
