Конструкционная сталь: виды, состав, применение

Что это? Конструкционная сталь применяется там, где нужен большой запас прочности. В зависимости от добавок она характеризуется пластичностью, антикоррозионными свойствами, хорошо сопротивляется усталости и износу.

Где используют? Основными сферами применения конструкционной стали являются строительство и машиностроение. Из нее изготавливают швеллеры, арматуру, болты, шпильки, гайки, листовой прокат, ломы, шпиндели и многое другое.

Свойства конструкционных сталей

Сталь – универсальное сырье, используемое для создания практически любых конструкций. Ее широко применяют на заводах, выпускающих все виды транспорта, в том числе и водный. Метизы из конструкционной стали сохраняют свойства при механических, вибрационных воздействиях и перегрузках, поэтому их используют в различных средах и климатических условиях.

Сегодня делают очень прочные и износоустойчивые стальные сплавы с различными показателями упругости. Для производства некоторых типов морского транспорта требуются специальные стали с высоким гидродинамическим сопротивлением, из которых конструируют самые быстрые судна.

Корпуса легких судов строят только из сталей высокого конструкционного качества. Материал должен быть более устойчивым к коррозии, чем обычная углеродистая сталь. В судостроении используют разные марки легированных и низколегированных сплавов. Каким требованиям должен отвечать судостроительный материал?

• Высокий предел прочности и текучести металла без дополнительной термической обработки.
• Сырье легко поддается обработке, горячей и холодной.
• Устойчивость к коррозии не ниже, чем у углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества (в пресной и морской воде, на воздухе).
• Доступная цена – это условие необходимо для массового производства качественных судов и специального назначения, и для коммерческого использования.
• Хорошая свариваемость.

Читайте также: «Толщина оцинкованной стали: какой должна быть»

Основные свойства стальных сплавов:

• Материал достаточно пластичен, и благодаря этому стальные конструкции устойчивы к динамическим нагрузкам и способны перераспределять их между перегруженными и малонагруженными участками.
• Сталь легко поддается обработке: ее можно резать, гнуть, тянуть без появления изломов и трещин на поверхности.
• Материал с относительно невысокой стоимостью. Есть возможность выбрать сырье по доступной цене и с конкретными эксплуатационными свойствами.
• Подвержены износу и образованию коррозии из-за физических свойств и химического состава конструкционные стали. Сплав разрушается при внешних воздействиях, реагируя с различными химическими элементами, в том числе газами воздуха. Особенно опасны для материала практически необратимые межкристаллические изменения, из-за которых сплав лишается прочности.
• При механических воздействиях на поверхность сталь деформируется и уплотняется, то есть подвергается наклепу. В результате обработки повышается прочность материала, но одновременно снижается пластичность. В районе наклепа металлический сплав активнее корродирует.
• Конструкционная сталь большинства марок сильно меняет свойства в местах надрезов или резких изменений формы при концентрации напряжения на конкретном участке.
• Металлические сплавы со временем подвержены усталости и теряют прочность на разрыв в связи со значительными знакопеременными нагрузками.
• Стальные сплавы содержат магнитные металлы.

Применение конструкционных сталей

Конструкционную качественную сталь широко применяют в различных областях производства:

• Строительство мостов, туннелей, зданий складского и промышленного назначения. Конструкции обладают устойчивостью и безопасностью за счет большой прочности материала.
• Производство компонентов для оборудования. Наряду с прочностью, углеродистая качественная конструкционная сталь обладает ударной вязкостью, что позволяет применять материал для изготовления деталей, подвергаемых высоким нагрузкам: валов, шестерен, шасси и др.
• Автопроизводство. Используется для производства двигателей, кузовов, рам и прочих элементов транспортных средств. Легкость материала способствует большей топливной экономичности автомобилей.
• Энергетическая промышленность. Из стальных сплавов создают электростанции, трубопрокат, ветряные турбины и многие другие объекты инфраструктуры, которым, кроме прочности, необходима защита от коррозии.

Классификация конструкционных сталей

Разновидности конструкционных сталей имеют разный химический состав. Материалы отличаются по таким свойствам, как структура и степень раскисления, что влияет на прочность и качество сплава.

По составу различают углеродистые и легированные конструкционные стали. И те и другие имеют подвиды в зависимости от содержания углерода: низкоуглеродистые (менее 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (0,3–0,7 %) и высокоуглеродистые (более 0,7 %).

Легированные сплавы подразделяют по добавленным в состав элементам: хромистые, хромоникелевые, марганцовистые и др. По концентрации легирующих компонентов выделяют высоколегированные (более 10 % добавок), среднелегированные (5–10 %) и низколегированные сплавы (менее 5 %).

Читайте также: «Рессорная сталь: свойства, сферы применения»

Существуют разные классы качества стальных сплавов: обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Качество в данном случае – это свойства, приобретаемые материалом в ходе металлургических процессов при производстве. Углеродистые качественные конструкционные стали отличаются однородностью состава, структурой, возможностью применения. Все эти характеристики в том числе зависят от концентрации газов (азота, водорода, кислорода) и вредных элементов (фосфора, серы) в сплаве.

Процент газа в составе определить достаточно трудно, поэтому сырье разделяют по классам качества в зависимости от содержания вредных примесей. Согласно нормативам обыкновенные стали имеют до 0,055 % серы и 0,045 % фосфора в составе, качественные – до 0,04 % серы и 0,035 % фосфора, высококачественные – до 0,025 % серы и 0,025 % фосфора, особо высококачественные – до 0,015 % серы и 0,025 % фосфора.

По степени раскисления металлические сплавы могут быть спокойными, полуспокойными или кипящими. При раскислении из состава жидкой стали удаляется кислород, что делает материал устойчивым к деформации при высоких температурах.

Для раскисления в сырье добавляют различные элементы. Спокойные стали содержат алюминий, кремний и марганец. Пока металлы раскалены, кислород удаляется практически полностью, поэтому сплав затвердевает без газовыделения. В кипящие стали для раскисления добавляют только марганец.

При затвердевании кислород реагирует с углеродом, образуя активно выделяемый угарный газ, заставляющий сталь «кипеть». Такие сплавы стоят дешевле, имеют наименьшее содержание углерода, а также кремния (менее 0,07 %) и больше всего примесей в виде газов. Соответственно, свойства полуспокойных сталей являются средними относительно свойств кипящих и спокойных.

Разновидности стальных сплавов, исходя из структуры, выделяют в зависимости от зернистости отожженного материала. В нормализованном виде стали бывают:

• доэвтектоидные, с избытком феррита в составе;
• эвтектоидные, со структурой из перлита;
• аустенитные;
• ферритные.

Конструкционная углеродистая сталь имеет марки первых двух классов, легированная – всех четырех.

Преимущества и недостатки конструкционных сталей

Сплавы получают свойства благодаря воздействию высоких температур. Все метизы из стали проходят термическую обработку – закаливание.

Достоинства закаленной стали:

• Легированные конструкционные стали, прошедшие закалку, имеют устойчивость к пластическим деформациям выше, чем у углеродистых сплавов.
• Прочность закаленной стали позволяет производить детали большой толщины.
• После закаливания сплавы охлаждают с применением специальных масел, снижающих коробление и растрескивание.
• Добавление легирующих элементов в состав конструкционных сталей вместе с закаливанием увеличивает упругость и устойчивость сырья к ломкости при резких изменениях температуры. Благодаря этому повышается срок эксплуатации метизов.

Недостатки закаленных конструкционных легированных сталей:

• Детали из большинства марок сплавов подвержены отпускной хрупкости.
• При закаливании материал становится мягче и менее устойчивым к усталости.
• При прокатке и ковке металл приобретает строчечную структуру. Отдельные участки деформируются и остаются неоднородными, и материал с трудом поддается резке.

В сталях с никелем в составе в местах излома могут проявляться светлые участки. При поперечном разрезе наблюдаются разнонаправленные трещины, формируемые водородом, выделяемым в ходе закалки.

Маркировка конструкционных сталей

В России большинство сталей легированных и углеродистых конструкционных обозначаются согласно ГОСТ. Свойства материала зашифрованы в маркировке, состоящей из букв и цифр. Первая цифра означает минимальный предел текучести сплава, которое измеряется в Н/мм². Чем больше число, тем прочнее материал.

Читайте также: «Закалка стали: особенности процесса»

Также ГОСТ предполагает буквенное обозначение дополнительных свойств легированной и углеродистой конструкционной стали. Часто встречаются маркировки с такими буквами:

• С – содержание углерода в конструкционная сталь. Чем выше число рядом с буквой, тем больше углерода и тем тверже сплав.
• Mn – содержание марганца, добавляемого для повышения прочности, и способность поддаваться обработке.
• Si – содержание кремния. Элемент повышает прочность и коррозионную стойкость.
• Ni – наличие никеля. Металл добавляют для большей прочности и устойчивости к низким температурам.
• Cr – содержание хрома, необходимого для большей защиты от коррозии и окисления.
• Мо – содержание молибдена, придающего прочность и устойчивость к высоким температурам.

Сплав может иметь и другие обозначения в маркировке, указывающие на область применения материала. Например, буква А свидетельствует, что сталь пригодна для применения в машиностроении, Р – сырье предназначено для прессования и т. д.

Часто задаваемые вопросы о конструкционной стали

О чем говорят цифры в маркировке качественного конструкционного стального сплава?

Цифры после буквенных обозначений легирующих компонентов показывают процентное содержание примеси в составе. Отсутствие цифры говорит, что в сплаве находится 1,5 % присадки или меньше. Подавляющее число марок легированных сталей относятся к качественным (например, 30ХГС).

Как узнать, что сталь конструкционная?

Углеродистые обыкновенные, качественные и другие классы материала имеют в начале маркировки две цифры, обозначающие содержание углерода в сотых долях процента. Например, обозначение 38Х2Н5МА подскажет, что перед вами среднелегированный высококачественный хромоникелевый конструкционный сплав. В нем содержится 0,38 % углерода, 2 % хрома, 5 % никеля и 1 % молибдена.

Читайте также: «Аустенитная сталь: как получают и где применяется»

Как получают легированные сплавы?

При легировании в сырье добавляют дополнительные компоненты, по-разному улучшающие его свойства. Легирующими элементами являются никель, молибден, вольфрам, кремний, марганец и др. Присадки добавляют во время плавления, чтобы металл приобрел ценные характеристики, отсутствующие у углеродистой стали.

Конструкционные качества легированной стали свидетельствуют о дополнительных компонентах, влияющих на хрупкость, твердость, износостойкость или прочность сплава. Сталь – относительно недорогой материал, широко применяемый в разнообразных видах производства конструкций и деталей. Стальные метизы способны выдерживать постоянные и переменные нагрузки, обладают антикоррозионными свойствами и длительным сроком эксплуатации.