Основные свойства углеродистых и легированных сталей
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода не превышает 2%. Кроме углерода сталь содержит небольшое количество Mn, Si, S и Р.
Стали подразделяют по назначению — на конструкционные и инструментальные; по способу производства — па мартеновские, выплавляемые в мартеновских печах; бессемеровские, получаемые в конвертерах, имеющих футеровку из кислых материалов; томасовские, получаемые в конвертерах с футеровкой из основных материалов, и электросталь, выплавляемую в дуговых или индукционных высокочастотных печах; по химическому составу — на углеродистые и легированные.
Легированные стали кроме углерода содержат повышенное количество Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V и других элементов, которые придают этим сталям особые свойства, например, жаростойкость, повышенную прочность и твердость, коррозионную стойкость.
Для изготовления сварных конструкций большое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая по ГОСТ 380—71. Углеродистая обыкновенного качества сталь в зависимости от назначения подразделяется на три группы: группа А — поставляемая по механическим свойствам; группа Б — поставляемая по химическому составу; группа В — поставляемая по механическим свойствам и химическому составу. В зависимости от нормируемых показателей стали группы А подразделяют на три категории — Al, А2, A3; стали группы Б — на две категории — В1 и Б2; группы В — на шесть категорий — Bl, В2, ВЗ, В4, В5, В6. Для стали группы А установлены марки СтО, Ст1, Ст2, Ст4, Ст5, Стб. Для стали группы Б — марки БСтО, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСтб. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способами. Для нее установлены марки ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСт5. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается. Если сталь относится к кипя щей, ставится индекс «кп», если к полуспокойной — «пс» и спокойной — «сп».
По видам проката сталь бывает листовая, широкополосная, сортовая (полосовая, круглая и др.), фасонная (швеллер, уголок, двутавр). Арматурная сталь в зависимости от технологии изготовления подразделяется на стержневую и проволочную арматуру, а в зависимости от профиля — на гладкую и периодического профиля. Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций.
Качественные стали по ГОСТ 1050—74 маркируют двухзначными цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т. д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10, 0,15, 0,20% углерода.
Сталь по ГОСТ 1050—74 изготовляют двух групп: группа I—с нормальным содержанием Мп (0,25—0,80%), группа II —с повышенным содержанием Мп (0,70—1,2%). При повышенном содержании Мп в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание Мп.
Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются легирующими. Легированные стали подразделяют в зависимости от содержания легирующих элементов на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%). Легированные стали маркируют цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали, а стоящие за ней цифры — среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Влияние основных элементов на свойства углеродистых сталей. По содержанию углерода С стали делят на низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% С, среднеуглеродистые — от 0,25 до 0,6% С и высокоуглеродистые — свыше 0,6% С. С увеличением содержания С повышается предел прочности стали, твердость и хрупкость при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости. Содержание С в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25% не ухудшает свариваемости стали. При более высоком содержании С свариваемость стали ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Повышение содержания С в присадочном металле вызывает пористость шва.
Марганец содержится в стали в пределах 0,3— 0,8%; в указанных пределах Мп не затрудняет процесс сварки. При сварке среднемарганцовистых сталей с содержанием 1,8—2,5% Мп возникает опасность появления трещин в связи с тем, что Мп способствует закаливаемости стали.
Кремний содержится в низко- и среднеуглеродистой стали в пределах 0,02—0,35%, в указанных пределах он не вызывает затруднений при сварке. При содержании Si в специальных сталях от 0,8 до 1,5% сварка затрудняется из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов Si.
Сера является вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое соединение, называемое сернистым железом. Сталь с примесью S дает трещины в нагретом состоянии, т. е. становится красноломкой. Содержание S в стали не должно превышать 0,055%. Свариваемость стали с повышением содержания S резко ухудшается.
Фосфор также является вредной примесью в стали. Содержание Р в стали не должно превышать 0,05%, он образует с железом химическое соединение — фосфористое железо. Фосфор увеличивает твердость и хрупкость стали, вызывает хладноломкость, т. е. появление трещин в холодном состоянии.
Ванадий в легированных сталях содержится в пределах 0,2—0,8%. Он способствует закаливаемости стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки V активно окисляется и выгорает.
Вольфрам в легированных сталях содержится в пределах от 0,8 до 18%. W увеличивает твердость стали и затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.
Никель в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах 0,2—0,3%, в конструкционных — от 1 до 5% и легированных — от 8 до 35%. В стали Ni увеличивает пластические и прочностные свойства, свариваемости не ухудшает.
Молибден ограничивается содержанием в стали от 0,15 до 0,8%. При сварке Мо способствует образованию трещин, активно окисляется и выгорает.
Хром в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,3% конструкционных — 0,7—3,5%, легированных хромистых сталях — 12—18% и хромоникелевых — 9—35%. Сr затрудняет сварку, так как в процессе сварки образует тугоплавкие карбиды хрома.
Титан и ниобий в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях при сварке соединяются с С, препятствуя образованию карбидов хрома. Этим TJ и Nb улучшают свариваемость.
Медь в сталях содержится в пределах 0,3—0,8%; Си улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и коррозионную стойкость стали.
Кислород содержится в сталях в виде оксида железа, который растворяется в чистом расплавленном железе в количестве до 0,5, что соответствует содержанию 0,22% 02. Растворимость оксида железа в стали уменьшается с повышением содержания С. Кислород ухудшает свариваемость стали, снижает ее прочностные и пластические свойства.
Азот растворяется в расплавленном металле, попадая в сварочную ванну из окружающего воздуха. При охлаждении сварочной ванны N2 образует химические соединения с железом (нитриды), которые повышают прочность и твердость и значительно снижают пластичность стали.
Водород — вредная примесь в стали, Н2 скапливается в отдельных местах сварочного шва, при сварке вызывает появление пор и мелких трещин.
Приблизительно марку углеродистой стали можно определить пробой на искру. Если испытываемый образец прижать к вращающемуся шлифовальному кругу, то образуется пучок искр. Форма и цвет искр меняются в зависимости от количества углерода и легирующих добавок. Пучок прямых линий представляет собой светящиеся частицы горящего железа, ответвления от прямых линий — вспышки частиц углерода. С увеличением в стали содержания С основные светящиеся линии делаются короче и толще, а разветвления — увеличиваются. Стали с содержанием 0,15—0,20% С дают соломенно-желтый цвет искр, стали с содержанием 0,25—0,50%С — светло-желтый цвет, а с содержанием 0,6—1,1% С — белый цвет. Стали с более высоким содержанием С дают темно-красный цвет искр.
Стали поставляют предприятиям по видам проката. На торце полосы, уголка или другого профиля наносится краска в зависимости от марки стали. Углеродистые стали обыкновенного качества марок СтО, БСтО, Ст1 окрашивают на торце в красный и зеленый цвета, БСт1, Ст2, БСт2 — в белый и черный, ВСт2, СтЗ, БСтЗ, ВСтЗ — в желтый, Ст4, БСт4 — в красный, ВСт4, Ст5, БСт5 — в черный; ВСт5, Стб, БСтб — в синий цвет. Углеродистая качественная конструкционная сталь марок 0,8, Юкп, 10, 15, 15кп, 20 окрашивается на торцах в белый цвет, сталь 25, 30, 35, 40 — в белый и желтый цвета, сталь 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 — в белый и коричневый цвета, сталь 15Г, 20Г, 25Г, ЗОГ, 35Г, 40Г — в коричневый цвет. Легированные конструкционные стали: хромистые — в зеленый и желтый, цвета, марганцовистые — в коричневый и синий, хромоникелевые — в желтый и черный, хромомолибденовые — в зеленый и фиолетовый цвета. Высоколегированные стали окрашивают на торце: хромоникелевые — в алюминиевый и красный цвета, хромоникелетитановые — в алюминиевый и синий цвета.
