Сталь повышенной прочности марка

Обновлено: 04.05.2024

конструкций, определяется ее механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям, динамическим воздействиям и хрупкому разрушению при различных температурах; показателями пластичности – относительным удлинением; сопротивлением расслоению – загибом в холодном состоянии. Значения этих показателей устанавливаются ГОСТ. Кроме того, качество стали определяется ее свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства.

По прочности стали делятся на три группы:

малоуглеродистые стали (обыкновенного качества)
стали повышенной прочности
стали высокой прочности

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химического состава, термической обработки и технологии прокатки.

Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность, очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода – малоуглеродистые стали обычной прочности; легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и другими элементами – низколегированные стали повышенной прочности; легированием и термическим упрочнением стали высокой прочности.

Основные химические элементы, применяемые при легировании малоуглеродистой стали, стали повышенной и высокой прочности.

Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и углерода с некоторой добавкой кремния или алюминия, марганца, меди.

Легированные стали более сложны и разнообразны по своему составу. В связи с желанием в обозначении марки стали отразить её химический состав, каждому химическому элементу присвоена буква русского алфавита (указана в скобках возле каждого элемента), содержание каждого элемента в процентах с округлением до целых значений указывается после буквы, обозначающей данный элемент; элемент, содержащийся в пределах 1% цифрами не указывается. Поскольку углерод содержится во всех сталях, то его обозначение (буква У) не ставится, а количественное содержание указывается в сотых долях процента в начале обозначения марки.

Так, марка стали 15Г2СФ обозначает, что в этой стали среднее содержание углерода 0,15%, марганца - в пределах 1-2%, кремния и ванадия – в пределах 1% каждого.

Углерод (У), повышая прочность стали, снижает пластичность и ухудшает ее свариваемость; поэтому в строительных сталях, которые должны быть достаточно пластичными и хорошо свариваемыми, углерод допускается в количестве не более 0,22 %.

Кремний (С), находясь в твердом растворе с ферритом, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как хороший раскислитель; в этом случае кремний в малоуглеродистых сталях добавляется в пределах до 0,3 %, в низколегированных сталях до 1 %.

Алюминий (Ю) входит в сталь в виде твердого раствора феррита и в виде различных нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Марганец (Г) растворяется как в феррите, так и в цементите; образует тугоплавкие карбиды, что приводит к повышению прочности и вязкости стали. Марганец служит хорошим раскислителем, а соединяясь с серой, снижает вредное ее влияние. В малоуглеродистых сталях марганца содержится до 0,64 %, а в легированных – до 1,5 %; при содержании марганца более 1,5 % сталь становится хрупкой.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное ее содержание (более 0,7 %) способствует старению стали.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Мn), хром (Х), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля, меди, кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твердых растворов (феррита).

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали: никель повышает прочность стали и пластические ее свойства.

Молибден (М) и бор (Р) обеспечивает высокую устойчивость аустенита при охлаждении и тем самым облегчает получение закалочных структур (так называемых бейнита и мартенсита), что очень важно для получения высокопрочного проката больших толщин. После закалки и высокого отпуска (улучшения) сталь становится мелкозернистой, насыщенной карбидами; такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.

Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, особенно при низких температурах. Поэтому его не должно быть более 0,008 %. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном или ниобием азот, образуя нитриды, становится легирующим элементом, способствующим измельчению структуры и улучшению механических свойств; однако ударная вязкость стали при низких температурах получается низкой. Увеличение сопротивления стали хрупкому разрушению обеспечивается простейшей термической обработкой – нормализацией.

Вредные примеси

К ним в первую очередь относятся: фосфор, который образуя раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладноломкость) и снижает пластичность при повышенных; сера, делающая сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800 – 1000 С) вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. Поэтому содержание серы и фосфора в стали ограничивается; так в углеродистой стали Ст 3 серы до 0,05 % и фосфора до 0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в незначительном количестве (0,0007 %), но концентрируясь около включений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам блоков, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению сопротивления стали, хрупкому разрушению, снижению временного сопротивления и пластических свойств стали. Поэтому расплавленную сталь (например при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

Термическая обработка

Значительного повышения прочности, деформационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой благодаря тому, что под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключается в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последующего охлаждения на воздухе. После нормализации структура стали получается более упорядоченной, снимаются внутренние напряжения, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости. Поэтому нормализация, являясь простейшим видом термического улучшения стали, применяется довольно часто.

При быстром остывании стали, нагретой до температуры, превосходящей температуру фазового превращения, получается закалка. Для закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз.

Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность. Однако пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры производится ее отпуск, т. е. нагрев до температуры, при которой происходят желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течении необходимого времени и затем медленное остывание.

механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение);
температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов и потому к их выделению (физико – химическое старение, дисперсионное твердение). Невысоким нагревом (до 150 – 200 С) можно резко усилить процесс старения.

При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.

Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения газов; такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной.

Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, плохо сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество малоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния от 0,12 до 0,3 % или алюминия до 0,1 %; кремний (или алюминий), соединяясь с растворенным кислородом, уменьшает его вредное влияние. При соединении с кислородом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, что ведет к повышению ее качества и механических свойств. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спокойными.

Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали применяют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния – в размере 0,05 – 0,15 % (редко алюминием).

Малоуглеродистые стали обыкновенного качества

Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургической промышленностью по ГОСТ 380 – 88, широкое применение в строительстве находит сталь марки Ст3.

Сталь марки Ст3 производится кипящей (СТ3кп), полуспокойной (Ст3пс) и спокойной (Ст3сп).

В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трем группам, которые обозначают, по каким свойствам нормируется сталь:

А - по механическим свойствам;

Б - по химическому составу;

В - по механическим свойствам и химическому составу

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В, т. е. с гарантией механических свойств и химического состава.

Сталь марки Ст3 содержит углерода 0,14 – 0,22 %.

Согласно ГОСТ 380 – 88, маркировка стали производится так: вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы стали, затем марка, далее способ раскисления и в конце категория; например, сталь группы В (поставляемой по механическим свойствам и химическому составу) марки Ст3 полуспокойная, категории 5 имеет обозначение ВСт3пс5.

Категория обозначает, какие механические св-ва стали сохраняются при температуре -20 и +20 градусов Цельсия. Стали обыкновенного качества делятся на 5 категорий. Таблица нормируемых показателей по категориям приведена в ГОСТ 535-88.

Стали повышенной и высокой прочности

Для многих видов конструкций применяются стали повышенной и высокой прочности.

Стали повышенной и высокой прочности поставляются по ГОСТ 19281 – 89 и ГОСТ 19282 – 89. В зависимости от нормируемых свойств (химического состава, временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости при разных температурах и после механического старения) согласно ГОСТ эти стали подразделяют на 15 категорий с гарантией механических св-в при температурах от -70, до +20 градусов Цельсия.

Применение стали повышенной прочности приводит к экономии металла до 20 – 25 %, а высокой прочности – 25 – 50 % по сравнению с обычной углеродистой сталью.

ГОСТ 27772-88

С 1988 г. Был введен ГОСТ на прокат для строительных стальных конструкций. В этом ГОСТе маркам сталей обыкновенного качества, повышенной и высокой прочности даны новые наименования, например С245, С390, С590К. Буква С означает – сталь строительная, цифры условно обозначают предел текучести проката (физические св-ва стали), буква К вариант химического состава. По данному ГОСТ стали делят на 4 категории с гарантией механических св-в при температуре -40, -70 градусов и после механического старения.

Данный ГОСТ не заменяет упомянутые выше, а существует параллельно. Так одну и ту же марку сталей по разным ГОСТам можно обозначить двумя наименованиями, например С235 и ВСт3кп2 являются одной и той же сталью. Таблица перевода наименований сталей приведена в приложении № 1 к ГОСТ 27772-88.

На данной странице представлена информация для получения минимальных знаний по строительным сталям. Общие сведение, добавки, примеси, термическая обработка.

Особенности высокопрочных сталей

Знание особенностей высокопрочных сталей — в том числе и того, какая из них самая прочная, — очень полезно для заказчиков металлургической продукции. Внимание придется уделить конкретным маркам и расшифровке их маркировки. Также актуальными темами будут применение таких металлов и ГОСТ на них, состав и свойства сталей конкретного типа, их сварка.

Общее описание

Начать следует с определения того, что же, собственно, следует считать высокопрочными сталями. В России под таким термином подразумевают сплав железа с углеродом, который способен переносить более или менее длительное время нагрузку 1800—2000 МПа и выше. Помимо этого показателя, очень важен и другой момент — хорошая устойчивость к хрупкому разрушению. Дополнительно требуется контролировать пластичность и вязкость. Только при четком соблюдении всех этих моментов металлургии производители могут заявить, что они действительно делают высокопрочный металл.

Марки

Среди упрочненных сплавов популярностью пользуется низкоотпущенная сталь со средним легированием. В ней содержится от 0,25 до 0,4% углерода. Специалисты научились значительно повышать в таких сплавах вязкость и пластичность. Их состав включает:

Популярная марка 30ХГСА выпускается согласно различным ГОСТ — сообразно форме исполнения. Так, сортовой прокат должен соответствовать стандарту 4543 от 1971 года. Калиброванные прутки делают по ГОСТ 8559-75. А для полос применяют ГОСТ 103-2006, и это еще не полный перечень. Необходимая прочность поддерживается за счет старения мартенсита.

Такие мартенситно-стареющие стали имеют привлекательные технологические свойства. После закаливания они будут весьма пластичны и хорошо обрабатываемы режущим инструментом. Вырабатывают эти металлы в индукционных печах либо электрошлаковой плавкой. Мартенситно-стареющие стали имеют иногда высокую коррозионную устойчивость. Рассмотреть их состав уместно на примере маркировки 03Х9К14Н6М3Д.

В нее входят:

Также стоит обратить внимание на ПНП-стали, делящиеся на две подгруппы. Одна имеет полностью аустенитную структуру — и называется еще трип-сталями. В таком виде сплавов создается высокая концентрация никеля и прочих стабилизирующих аустенит компонентов. Это существенно удорожает продукцию. Свариваемость ПНП-металла ограничена, обработать его механически также будет весьма трудно.

Многофазные марки стали содержат аустенит, обогащаемый углеродом. В процессе деформации или при активном механическом воздействии он будет преобразовываться в мартенсит. Концентрация углерода составляет 0,2%. Доля марганца достигает 1,5%.

Подобные стали, наряду с высокой прочностью, имеют еще одно хорошее свойство — они легко деформируются, что позволяет получать конструкции со сложной геометрией.

Говоря про другие марки, надо упомянуть еще 20Х2Г2СНВМ. При концентрации углерода 0,18—0,25% она содержит также:

Среди трип-сталей выделяется 30Х9Н8М4Г2С. Это метастабильный аустенитный сплав. В его состав входят:

2% марганца и кремния.

Применение

Особо стойкие марки стали применяют не только для болтов и других крепежей. Тот же сплав 30ХГСА используют, чтобы делать:

прочие улучшаемые части, эксплуатируемые при температуре до 200 градусов;

сварные конструкции, применяемые для ответственных работ;

прочие изделия, рассчитанные на знакопеременные нагрузки.

Марка 35ХГСА после грамотного отпуска прочнее предыдущего сплава. Такой материал подойдет для получения:

сварных сложных деталей;

прочих изделий, рассчитываемых на особые нагрузки.

Примечательна сталь ЭИ643. Она подходит для дисков и валов. Из нее делают шестеренки редукторов и различные крепежи. Ее, наряду с 30ХГСА и ВЛ-1, используют даже в авиационной промышленности. Мартенситно-стареющая сталь представлена еще и сплавом Н18К9М5Т; здесь аналогами будут:

Мартенситно-стареющий металл может работать при охлаждении до — 196 градусов и при нагреве до 400 градусов. Допускается его эксплуатация в среде со слабой химической агрессивностью. Такие вещества имеют превосходную эрозионную стойкость. Хорошими примерами являются:

Такие металлы применяют, чтобы делать:

резервуары, рассчитанные на высокое давление;

зубчатые передачи различных моторов;

двигательные валы на вертолетах.

Сварка

Высокопрочные стали варят по особой технологии. Среднеуглеродистый легированный металл относительно вязок и пластичен. Рессорная сталь с легирующими компонентами варится при условии непременной предварительной термической обработки. В ходе самой работы требуется обеспечить подогрев. Но и после окончания сварки придется заниматься термообработкой.

Средние по содержанию углерода сплавы отличаются хорошей прокаливаемостью. Прогрев свариваемых изделий не понижает скорости падения температуры. Это приводит к ускоренному росту зерен. Вывод прост: варить подобный металл следует без заблаговременного подогрева.

Однако могут использоваться специализированные методики: блочная, каскадная сварка, работа на укороченных участках.

Иногда используются специальные приспособления, подогревающие шов. Это позволяет поддержать его дольше при заданной температуре. Чтобы перегреть сталь, исключая возникновение мартенситной структуры, могут применять отжигающие валики. Концентрация углерода в создаваемом шве должна составлять максимум 0,15%. Иначе обстоят дела при сварке на умеренно легируемых глубоко прокаленных сталях особой прочности.

Это требует подбора сварочных материалов, позволяющих формировать швы с повышенной деформационной способностью. Такое свойство должно достигаться при ограниченном насыщении ванны водородом. Недопустимо применение электродов с органическими покрытиями. В шве должно содержаться максимум:

1,5% хрома и марганца;

0,5% кремния и ванадия;

Среднеуглеродистый металл варят под аргоновой защитой. При этом используют неплавкий электрод. Присадочное вещество подбирают сообразно применяемому газу.

Улучшить работу помогает использование активирующего флюса. Он позволит отказаться от разделки кромок.

Какая сталь самая прочная в мире?

Наивысшую прочность имеет нитинол. Такая сталь известна также как SM-100. Изначально ее создавали для использования в ракетах в США. Этот металл весьма прочен и отличается жесткостью. Сегодня SM-100 применяют широко и для изготовления ножей.

Все о пределе и классах прочности стали

Прочность металлоконструкций – та характеристика металла, от которой особенно зависит их безопасность и надежность. Долгое время вопрос прочности решался так: если ломается изделие, в следующий раз его нужно сделать толще. Но потом ученые поняли, что нужно менять качественный состав сплава.

Что это такое?

Пределом прочности называется максимальное значение напряжений, который металл испытывает до начала разрушения. С точки зрения физики это сводится к усилию растяжения, прилагаемого к стержневидному образцу конкретного сечения, чтобы его разорвать. Кстати, понятие «предел прочности» хотя и употребляется повсеместно, не самое корректное.

Правильнее говорить «временное сопротивление», но раз предыдущий вариант уже прижился, и даже в официальной технической документации, можно простить это небольшое смысловое искажение.

Прочностные испытания – это тесты, проверяющие сопротивление разрыву, и они организовываются на особых испытательных стендах. В них недвижимо крепится один конец тестируемого образца, к другому же подсоединяют крепление гидравлического либо электромеханического привода. Этот привод создает усилие, которое, в свою очередь, плавно увеличивается. Оно действует на разрыв образца, на его изгиб либо скручивание. А благодаря умной электронной системе контроля можно отметить усилие растяжения и относительное удлинение, а также иные виды деформаций.

Такие испытания крайне важны, и специально для них создаются те станки, формируются те условия, которые максимально приближены к производственным. Они дают если не самую точную, то вполне достоверную оценку того, как металл будет вести себя в контексте эксплуатации. И прочность материала оценивается очень точно, а именно нужно посмотреть, как металл выдерживает нагрузку, не разрушаясь полностью. Если материал хрупкий, например, он может разрушаться сразу в нескольких местах.

Иначе говоря, предел прочности – есть максимальная механическая сила, которая может применяться к объекту до того, как тот начнет разрушаться. Только нет речи о химическом воздействии, но вот о каких-то негативных природных условиях, об определенных показателях среды говорить можно. Именно они могут как улучшать свойства металла, так и ухудшать их. Инженер не может при проектировании применить крайние значения, ведь он должен подразумевать погрешность, связанную с окружающими факторами, с длительностью использования и так далее.

Сталь – самый применяемый конструкционный материал, хотя и уступающий сейчас пластмассам и композитным составам, если и не полностью, то по ряду важных позиций. Если расчет предела прочности сделан корректно, материал будет долговечным и безопасным. Предел прочности стали связан с тем, о какой именно марке речь. На значение этого параметра влияет химический состав сплава, а также те температурные процедуры, которые могут повысить прочность материала – это и закалка, и отпуск, и отжиг.

Отдельные примеси могут снизить показатели прочности, а потому от них лучше избавляться еще во время отливки либо проката. Другие, напротив, повышают показатели. И их вносят в состав сплава.

Примеры легирующих добавок в сплавах, меняющих их характеристики: добавляет сплаву прочности молибден, ванадий и никель.

Металлурги усложняют комбинации добавок, чтобы получить особые сочетания физических и механических характеристик стали. Но цена таких марок куда выше цены низкоуглеродистых стандартных сплавов. И для каких-то очень важных узлов и конструктивных систем использование дорогих сталей оправдано.

Виды предела прочности

Немного подробнее о том, какими они бывают.

При сжатии

Под таким термином понимается пороговая величина постоянного или переменного механического напряжения. Превышая этот предел, механическое напряжение сожмет тело из того или иного материала. Тело либо разрушится, либо деформируется. Пороговая величина постоянного напряжения соответствует статическому пределу прочности, переменного – динамическому. Механическое напряжение сжимает тело за небольшой период времени.

При растяжении

А это уже пороговая величина постоянного или переменного механического напряжения, превышение которого механическим напряжением приведет к разрыву металлического тела. И это также происходит за короткий временной эпизод. На практике же очевидно, что деталь может неприемлемо истончиться, и этого уже достаточно для понимания пороговой величины, не обязательно дожидаться именно разрывания тела.

При кручении

Под этим термином понимаются максимальные касательные напряжения, которые обычно возникают в опасном срезе вала, и они не могут превысить допустимые напряжения. Условие прочности может использоваться для расчета проверки прочности (так называемого проверочного расчета), подбора сечения и определения допускаемого крутящего момента.

При изгибе

Он пребывает в обратной зависимости от твердости и возрастает с увеличением процентного содержания цементирующего металла. То есть на прочность при изгибе будет влиять химический состав сплава, а еще величина зерен карбидов и особенности слоев цементирующего металла.

Немалое значение здесь приобретает величина прослоек цементирующей фазы. Чем эта прослойка толще, тем меньше местные напряжения и тем выше прочность. Чем меньше прослойки цементирующей фазы, тем меньше и прочность сплава. Хорошо считывается пропорциональность. Чтобы определить этот предел прочности, нужно использовать метод разрушения свободно лежащего образца одной сосредоточенной силой.

То есть образец будет лежать на двух опорах, в центре образца – статическая нагрузка.

Особенности классов

Чтобы унифицировать стали по гарантированным пределам прочности (а точнее, текучести и временному сопротивлению разрыву), стали делятся на классы. Всего их 7.

И вот эта классификация:

сталь класса С225 – это сталь нормальной прочности (условное название);
3 последующих класса (от 285 до 390 МПа) – сталь повышенной прочности;
оставшиеся три класса (от 440 до 735 МПа) – сталь высокой прочности.

Первый класс обычно связывается с прокатом углеродистой обыкновенной стали в горячекатаном состоянии. Последующие классы (от второго до пятого) ассоциированы с прокатом низколегированной стали в нормализованном либо горячекатаном состоянии. Шестой и седьмой классы прочности связаны с прокатом экономно легированной стали, которая обычно поставляется в термооптимизирванном состоянии.

Правда, прокат второго и третьего класса реально получить термическим и термомеханическим упрочнением. А, возможно, и контролируемой прокаткой.

Категории прочности сталей согласно ГОСТ 977-88 условно принято обозначать индексами «К» и «КТ». А после индекса ставится число, которое и определяет требуемый предел текучести. Индекс «К» носят отожженные стали, нормализованные или отпущенные. «КТ» же присваивают сталям, которые прошли закалку и отпуск. Например, К48, К52, К60 и т. д.

Уже не раз упоминался в тексте предел текучести, стоит немного расшифровать этот показатель. Он связан с механическим определением металла, характеризующим напряжение, при котором будут расти деформации, не сопряженные с увеличением нагрузки. Этот параметр, в частности, помогает рассчитать допустимые показатели напряжения для разных материалов.

Когда в металле пройден предел текучести, в образце начнутся некорректируемые изменения: перестроится кристаллическая решетка, появятся деформации пластического типа. Металл ожидает самоупрочнение. Здесь же стоит добавить, что если углеродная добавка не превышает 1,2%, предел текучести стали растет, как следствие, повышая прочность, твердость, а еще и термоустойчивость. Если процент углерода возрастет, технические параметры однозначно будут ухудшаться – такая сталь плохо поддается сварке, не лучшим образом демонстрирует себя и в штамповке. В той же сварке куда охотнее используются сплавы, где углерода мало.

Если вернуться к классам прочности, то всегда важно рассмотреть, о каких именно изделиях идет речь. Например, винты, шпильки и болты производят обычно из углеродистых сталей с разными классами прочности. Хотя, в принципе, даже из одной и той же стали можно соорудить болты, прочность которых будет разной. Просто отличаются способы обработки металла и использование/неиспользование закалки. Из стали 35, к примеру, делаются болты разных классов прочности: 5.6 – если болты вытачиваются на токарном (либо фрезерном) станке и 6.6, 6.8 – если используется объемная штамповка и высадочный пресс. А если сталь закалить, класс прочности возрастает до 8.8.

Показатели для разных марок

Сталь, как известно, это сплав железа с углеродом и некоторыми другими включениями. Так как используется она в огромном перечне промышленных отраслей, то и марок стали существует немало. Все они различны по структуре, по химсоставу, физическим и механическим характеристикам. Предел прочности тоже будет разным, и измеряют его в МПа.

Например, у стали 20 он равен 420 МПа, у стали 40 – 580 МПа, у стали 10 – 340, у стали 30 – 500, у стали 25 – 460, а у стали 45 – возрастает до 610. Сталь 20Х имеет предел прочности 600 МПа, а сталь Ст3 – 390. Максимальный предел прочности имеет марка 60С2А (1600 МПа), повышенные показатели у марки 50ХФА (1300), 60С2 (тоже 1300).

Также в металлургии учитывается и коэффициент запаса – показатель, который определяет, как конструкция выдерживает предполагаемые нагрузки сверх расчета. Это важно для исключения повреждений, если случились промахи в проектировании, неточности. Или не в проектировании, а уже в ходе изготовления и использования.

Любой специалист скажет, что крайне важно для сплавов, которые будут работать в стандартных условиях, оценить их физико-механические особенности. Химические свойства же становятся важны, если работать сталь будет в экстремальном контексте (с точки зрения радикально низких либо, напротив, высоких температур), при высоком давлении или повышенной влажности, в агрессивных средах.

И химсвойства сплавов, и физико-механические определяются в основном их химическим составом. Чем больше процент углерода в металле, тем больше снижается его пластичность, и в параллель с этим возрастает прочность. Но данное утверждение справедливо только до достижения 1% доли углерода, после чего прочностные характеристики очевидно снижаются.

Чтобы влиять на качества металла, на его возможности, на коррекцию тех или иных свойств (даже в пределах одной марки или группы марок), металлурги пробуют добавлять в формулу стали те или иные компоненты. Например, кремний используется как раскислитель, и при производстве ферритов он серьезно поднимает их прочность. Но пластичность при этом остается прежней.

А вот если в состав добавить азот, прочностные параметры существенно снизятся, и пластичность, впрочем, тоже.

Можно сказать в итоге, что предел прочности – не рядовая характеристика стали. Современному производству, как показывает практика, необходимо все больше именно прочных стальных изделий. Это касается и строительства зданий, и сооружения сверхновых мостов, готовых к высочайшим нагрузкам. И один из ключевых вопросов сегодня в этой сфере – как рассчитать прочность металла и значение напряжения арматуры из стали.

Марки высокопрочной стали

Сталь является одним из самых важных материалов, который используется практически во всех отраслях промышленности. К высокопрочной стали (в зависимости от области применения) предъявляют различные требования. Марки сталей отличаются по структуре, химическому составу и по своим свойствам (физическим и механическим).

Сталью называют деформируемый сплав железа с углеводом (не более 2 процентов) и примесями других элементов: марганца, кремния, фосфора. К высокопрочному крепежу предъявляются особые требования. Поэтому для получения стали, которая будет идеально соответствовать всем характеристикам добавляют специальные примеси – легирующие элементы. Это – хром, вольфрам, ванадий, титан, марганец или кремний.

Именно такая сталь пользуются наибольшим спросом в строительстве. Причина такой популярности – технологичность, прочность и привлекательная цена. Еще одно преимущество этого сплава – возможность изготавливать из нее изделия, которые выдерживают большую нагрузку и обладают хорошей сопротивляемостью ударам.

Сталь 3 производят по ГОСТ 380-94, согласно ему сталь маркируются буквами «Ст» с порядковым номером от 0 до 6. Чем выше этот номер, тем большее количество углерода содержится в стали. А значит, лучше прочность, но при этом хуже пластические характеристики. Сталь 3 хорошо сваривается, нефлокеночувствительна, не склонна к отпускной хрупкости. Сталь 3 содержит: углерод – 0,14-0,22%, кремний – 0,05-0,17%, марганец – 0,4-0,65%, никель, медь, хром – не более 0,3% , мышьяк не более 0,08%, серы и фосфора – до 0,05 и 0,04%. Количество этих компонентов в сплаве Ст3 не допускается выше указанных значений.

Основа стали – феррит. Его характеристики не позволяют использовать его в чистом виде. Для улучшения показателя прочности феррита сталь насыщают углеродом, добавляют (легируют) хром, никель, кремний, марганец и проводят дополнительное термическое упрочнение.

Сталь 3 выдерживает широкий температурный диапазон при переменных нагрузках. Хорошо сваривается, штампуется в холодном и горячем состоянии, подвергается вытяжке. Применяется без термической обработки.

Без ограничений - сварка производится без подогрева и без последующей термообработки. В стали, относящейся к хорошей, содержание углерода составляет менее 0,25%. Они свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов сварки.

Такой вид стали применяют для деталей, которые требуют высокой пластичности и сопротивления удару. Качественные углеродистые стали типа 35 изготавливают по ГОСТ 1050-88 и маркируют двухзначными цифрами, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 35 (0,35 %). Она обладает высокой прочностью (σв = 640…730 МПа, σ0,2 = 380…430 МПа) и относительно низкой пластичностью (δ = 9…14 %, ψ = 40…50 %). Кроме того, этот тип стали не восприимчив к средним напряжениям, обладает стойкостью к деформации и износостойкостью, не подвержен образованию трещин и коррозии. Поэтому именно сталь 35 используют при производстве высокопрочного крепежа и фланцевых соединений. Температурный диапазон: от -40 до +450 градусов Цельсия

Сталь 35 сваривается ограниченно. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Рекомендуем подогрев и последующую термообработку. КТС без ограничений.

Сталь конструкционной марки 35 сваривается ограниченно. С увеличением углерода в стали зона термического влияния и шов закаливаются, увеличивается твердость, сварные соединения становятся более хрупкими и склонными к образованию трещин.

Удовлетворительные стали имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильных режимах сварки получается качественный шов. Для улучшения качества сварки часто применяют подогрев.

Крепежные изделия из стали 35Х обладают высокой конструктивной прочностью, гарантируют надежность конструкции. Кроме того, сталь 35Х хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, обладает большим запасом вязкости и высоким сопротивлением усталости. Также, сталь 35Х имеет высокое сопротивление износу, коррозии, трещинам и другим дефектам.

Главное преимущество крепежа из легированной конструкционной стали 35Х перед углеродистыми – это более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость. А уровень механических свойств повышен за счет термической обработке.

Сталь марки 40Х содержит 0,40% углерода и менее 1,5% хрома. Эта сталь довольно трудносвариваема. Поэтому, чтобы получить качественное сварное соединение, необходимы дополнительные операции. При сварке потребуется подогрев до 200-300 градусов, а потом – термообработка путем отжига.

Благодаря добавлению хрома, крепежные изделия из ст.40Х обладают твердостью, прочностью, жаропрочностью и устойчивостью к коррозии. Сталь 40Х рассчитана на значительные нагрузки. Механические свойства стали 40х: предел кратковременной прочности – 570 – 940 МПа, предел пропорциональности – 320 – 800 МПа, относительное удлинение – 13 – 17%, относительное сужение – 35 – 55%, ударная вязкость – 400 – 850 кДж/кв.м.

Плюсы этой марки стали: устойчивость к действию высоких и низких температур и их резким перепадам, могут использоваться под открытым небом и даже в агрессивных, влажных средах. Еще одно неоспоримое преимущество крепежных изделий именно из этой марки стали – это отсутствие необходимости обрабатывать и очищать поверхность.

Сталь марки 45 обладает высокой стойкостью и прочностью. Сталь 45 применяют при изготовлении деталей механизмов, используемых при повышенных нагрузках и требующих сопротивления (ударам, трению). Механические свойства этой стали позволяют ей выдерживать значительные перепады температур и другие неблагоприятные климатические воздействия. Эта сталь способна выдержать температурные испытания от 200 до 600 градусов по Цельсию.

Сталь марки 45 — среднеуглеродистая; идеально подходит для изготовления деталей, требующих высокой прочности или высокой поверхностной твердости, а также деталей средненагруженных и не подвергающихся в работе истиранию.

Высокоуглеродистую сталь марки 45 рекомендуют соединять контактной сваркой. Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию трещин. Сварка требует обязательного подогрева. При их сварке требуются специальные технологические процессы.

Обозначение 09Г2С указывает, что в стали присутствует 0,09% углерода, буква «Г» означает марганец, а цифра 2 – процентное содержание до 2% марганца. Буква «С» означает кремний, содержание кремния менее 1%.

Главное преимущество этой стали – высокая механическая прочность, которая позволяет применять более тонкие детали по сравнению с деталями, изготовленными из других сталей. А значит, детали из стали 09Г2С имеют меньший вес, что экономически более выгодно. Кроме того, еще один плюс этой стали – низкая склонность к отпускной хрупкости.

Марка стали 09Г2С широко используется для сварных конструкций. Сварка может производиться как без подогрева, так и с предварительным подогревом до 100-120 градусов по Цельсию. Сварка довольно проста, причем сталь не закаливается и не перегревается в процессе сварки, благодаря чему не происходит снижение пластических свойств или увеличение ее зернистости. При температуре воздуха минус 15 °С и ниже применяют предварительный местный подогрев независимо от толщины стали.

Все о высоколегированной стали

Высоколегированная сталь – это специально созданный материал, в составе которого есть легирующие компоненты, совершенствующие металл. А вот для чего его делают, как маркируют материал, каких видов он бывает и как осуществляется сварка с ним, стоит узнать подробнее, чтобы разобраться в определении высоколегированной стали.

Это железоуглеродистый состав, в котором содержится ряд спецпримесей, используемых в роли модификаторов характеристик материала. Причем характеристик физических или механических. Высоколегированная сталь представляет собой высококачественный материал, в котором легирующих веществ может быть до 50%. Другое определение/название стали – конструкционная. Из нее изготавливают детали, конструкции и механизмы с выгодными физическими и химическими свойствами. Выгодными для машиностроения, например. Те же подшипники делают из такого материала.

На появление таких сталей был запрос. И исходил он от нефтяной промышленности, машиностроения в сфере энергетики, химиндустрии. Особенно активно используется такой материал в среде, которая сталкивается с внешними агрессивными воздействиями. А это, к примеру, широкая температурная разбежка. Иногда такой материал берут даже в качестве хладостойкого элемента. Для газовой среды это также практически незаменимый материал.

Легирующие компоненты здесь следующие: никель, хром, а еще ванадий, медь и другие. И добавляются они, чтобы металл стал более устойчив к коррозийным поражениям, более ковким и жаропрочным.

Вот примеры того, что легирующие компоненты дают стали:

титан повышает показатели жаропрочности, увеличивает плотность за счет выведения азотных излишков;
кобальт влияет на физическую прочность;
никель повышает упругость, поддерживает стойкость к ржавлению;
хром не дает металлу истираться, качественно прокаливает его, то есть связан с износостойкостью;
ванадий, молибден и вольфрам не дают расти зернам, сохраняют неизменность структуры стали, повышают ее режущую способность;
марганец повышает показатели твердости;
кремний делает материал более упругим.

Высоколегированные стали еще тем отличаются от других материалов, что закаливают их не в воде, а в масле.

Классификация по составу легирующих компонентов стали выглядит так: высоколегированная содержит 10% и более компонентов, среднелегированная – от 2,5 до 10%, а низколегированная – до 2,5%. То есть в этом показателе (в проценте) и заключаются главные отличия между видами. А еще название материала будет зависеть от того, какой легирующий компонент стал главным. Значит, если в составе превалирует хром, сталь будет хромистой, если марганец – марганцовистой и т. д.

По видам обработки высоколегированная сталь может быть калиброванной, со специальной отделкой поверхности, а также с прокатом (горячекатаным или кованым). Материал может быть без термообработки, термообработанным и нагартованным.

Основные свойства высоколегированной стали – прочность, сочетающаяся с пластичностью, стойкость к коррозии и деформации. Если сравнить этот материал с углеродистой сталью, главное отличие будет как раз в пластичности. И все сплавы, относящиеся к высоколегированным, могут применяться в конструкциях, которые подвергаются соединениям сварочными швами. У металла высокие показатели свариваемости, а значит, прочность швов будет максимальной. И это очень выгодно для создания конструкций, на которые будут приходиться очень высокие нагрузки.

Есть еще ряд марок, относящихся к машиностроительным сталям. Их отличают немагнитность, упругость, а также повышенная тепловая закаленность. Чтобы сплав был высокопрочным, применяется особая термическая обработка.

Маркировка

Она создана согласно ГОСТу, при этом используются специальные шифры, которые отражают состав стали. Технически они интерпретируют буквенно-числовую последовательность со структурой символов, которые пишут слитно.

Посмотрим, как расшифровывается код.

ХХХ. Это префикс из букв, который отображает тип сплава стали.
YYY. Это число показывает количеств углерода в сплаве. Если числа два, то содержание углерода выражается в сотых долях процента, а если одно, то в десятых.
ZZZ. А это уже буквенно-числовая последовательность, отображающая легирующие элементы и их примерное количество.

Первый буквенный префикс указывает на особые характеристики стали. Обычно это одна буква (реже – несколько), обозначающая определенное свойство. Например, «Э» – это электротехническая сталь, а «Р» – режущая. «А» обозначает автоматную, а «Л» – сталь, полученную с помощью литья.

Тот показатель (ZZZ), что отображает наличие легирующих компонентов, имеет такие обозначения: «В» – вольфрам, «Х» – хром, «Ф» – ванадий, «С» – кремний, «Г» – марганец. Кобальт обозначается буквой «К», никель – «Н» и т. д. Если этого компонента в сплаве более 1%, то рядом с буквой этот процент может указываться.

Кажется, все немного запутано, но разобраться можно. Например, шифр такой – Л12Х17. Это литая сталь с 0,12% углерода и 17% хрома. Или чуть посложнее – А10Х13СЮ. А здесь речь идет об автоматной стали, в которой 0,10% углерода, 13% хрома, а также кремний и алюминий в малом количестве (менее 1%).

Виды и марки

Первая классификация предполагает 3 деления: жаропрочные, окалиностойкие и коррозионностойкие. Жаропрочные высоколегированные стали от жаростойких, к примеру, отличаются тем, что изделия из них способны какое-то время использоваться при высоких термических показателях внешней среды и с нагрузкой. Коррозионностойкие стали часто называют нержавеющими. И они действительно стойкие к разным видам коррозии: как солевой, так и кислотной, щелочной, химической. Сюда же идет межкристаллитная коррозия, атмосферная и связанная с электрическим напряжением.

Наконец, окалиностойкие стали – это и есть жаростойкие. Используют их в ненагруженном состоянии или в состоянии со слабой нагрузкой. Они отличаются высокой устойчивостью к химдеформации, связанной с поверхностным слоем, когда температура внешней газообразной среды выше 550 градусов.

Также классификацию составляют магнитные и немагнитные сплавы. Первые бывают магнитомягкими и магнитотвердыми. Так что утверждение, что нержавейка – немагнитный материал, очень даже спорное.

Завершая список характеристик, нельзя не упомянуть разделение сталей на такие виды:

массовая – это трубы, листовой и фасонный прокат;
мостостроительная – используется для автомобилей и мостов;
судостроительная хладостойкая высокой прочности – для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур;
судостроительная хладостойкая нормальной и повышенной прочности – это сталь, которая хорошо противостоит разрушению;
для пара и горячей воды – сталь с рабочей температурой до 600 градусов;
низкоопущенная высокой прочности – материал, задействованный в авиации, однако он боится концентрации напряжений.

Справедливым будет отметить важность именно легирующих компонентов. Их можно считать основой, главным ингредиентом состава, который решает, где потом будет эффективнее использоваться материал.

Мартенситные

Ферритные

Углерода в таких сталях совсем немного – до 0,15%, а вот хрома куда больше – до 30% в максимуме, и очень много в стали будет кремния, марганца или титана. Пример такого вида – 15Х25Т.

Аустенитные

Это марки с очень низким процентом углерода, умеренным присутствием хрома, различными концентрациями никеля (может доходить до 25%) и марганца (от 1 до 14%). Совсем немного там может быть азота и кремния. Пример этого класса – 20Х25Н20С2.

Композитные аустенитно-мартенситные

Углерод здесь составляет от 0,1 до 1%, хрома довольно много – в среднем 16%, совсем немного может быть титана, кремния и алюминия. Пример – 08Х17Н6Т.

Есть марки, которые пригодны максимум для изготовления посуды. Например, 12Х17. Но в целом можно сказать, что высоколегированные стали более чем активно используются во многих отраслях, и сфера их применения однозначно только расширяется.

А вот у этого процесса будет технология, которая серьезно отличается от сварочных процессов с другими металлами. У высоколегированных сплавов теплопроводность выше, линейное расширение металла тоже выше, а значит, процедура нуждается в корректировке. По стандартному алгоритму сварить металл не получится.

Учитывать надо следующие особенности.

Вследствие повышенной теплопроводности на металлической поверхности собирается избыток тепла, и это легче проплавляет сталь вглубь. Потому, проводя сварку, величину сварочного тока снижают на 15%, а иногда доходит и до снижения в 25%. Это делается для того, чтобы исключить повреждение детали.
Повышенный коэффициент металлорасширения при нагреве также подразумевает серьезную деформацию металла. Если работать приходится с жесткими объемными конструкциями, угроза образования трещин учитывается. Вот почему при сварке надо быть очень осторожным.
Работая со сплавами, в составе которых нет титана либо ниобия, всегда держат в уме температуру сварочной дуги. Металл, который нагревается выше 500 градусов, начнет терять антикоррозийные характеристики.
Если во время сварки металл доведен до указанной выше температуры, надо выполнять закалку или нагревать элемент уже до 850 градусов. Тогда легирующие элементы растворятся, равномерно разошедшись по всему сплаву.
Риск растрескивания при сварке очень высок. Чтобы этого точно избежать, придется использовать электроды с особым покрытием. И это марганцевое, молибденовое или вольфрамовое покрытие. Данные инструменты позволяют сделать место шва мелкозернистым: такая структура и есть тот способ, который не дает образоваться трещинам. Технология аргонодуговой сварки – популярный способ сварочных работ с данными сталями. Используется вольфрамовый электрод, который надежно выполняет корень шва, исключая прожоги.
Чтобы снизить риск растрескивания, можно предварительно нагреть сталь до 100-300 градусов. Тепло в таком случае начнет равномерно распределяться по всей толщине стали, никаких трещин не будет.
Те сплавы стали, что имеют менее 0,12% углерода в составе, перед сваркой обязательно нагревают. Не сделав этого, не удастся избежать коррозийных наростов и трещин.

Изделия, которые получают штампосваркой, можно использовать даже при температурах, которые называют критически низкими. А если материал обработать кремнием, получится состав, который готов применяться в фосфорной, азотной и других мощных кислотах. Чтобы повысить, например, износостойкость сплава, его легируют хромом или ванадием.

Итак, высоколегированная сталь – это отдельная разновидность стальных сплавов, в которой присутствует много дополнительных элементов. Не менее 10% совокупно, и чаще это никель, хром или марганец. Из таких сплавов делают шарикоподшипниковые элементы, ножи и втулки, клапанные пластины в компрессор.

И для измерительного инструмента, и даже для медицинских нужд тоже применяют эти материалы.

Читайте также: