Конструкционная сталь: классификация, маркировка

СОДЕРЖАНИЕ

• Применение конструкционных сталей
• Классификация конструкционных сталей
• Преимущества и недостатки конструкционных сталей
• Маркировка конструкционных сталей

Конструкционная сталь получила широкое распространение во всех областях промышленности. Ее важными характеристиками являются пластичность, прочность, устойчивость к разрушению. Таким образом, этот материал применяют там, где предъявляются высокие требования к качеству и запасу прочности.

Марки конструкционной стали отличаются по химическому составу и, соответственно, по физическим свойствам. Подробнее о том, в чем ее особенности, как она классифицируется и где применяется, читайте в нашем материале.

Применение конструкционных сталей

Из конструкционной стали производят машины, аппараты, механические узлы и сложные детали. Есть несколько видов металлов, отличающихся свойствами и применяемых для изготовления определенной продукции для сборки механизмов и оборудования.

• Низколегированная сталь. Используется для производства вагонов железнодорожного транспорта, трамваев, метро, локомотивов; выпуска техники для сельскохозяйственных работ; для строительства больших объектов инженерной инфраструктуры, испытывающих постоянные нагрузки и вредное воздействие окружающей среды.
• Теплоустойчивая сталь. Изделия из этого металла выдерживают большую температуру до 6000 градусов по Цельсию и не разрушаются.
• Конструкционная подшипниковая сталь. Материал используют для производства подшипников, частей деталей, которые находятся в местах контакта шариков, роликов и беговых дорожек колец.
• Пружинная сталь. Из пружинно-рессорного сплава производят рессоры, пружины, сильфоны и прочие аналогичные детали.
• Автоматная сталь. Материал используется для выпуска мелких крепежных изделий и других элементов с помощью автоматического оборудования.

Классификация конструкционных сталей

Существуют разные виды металлов, которые отличаются химическим составом конструкционной стали, качеством, степенью раскисления, структурой, твердостью и сферой применения.

Добавка химических элементов влияет на деление металлов на углеродистые и легированные. Также сплавы бывают низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0, 7 % С). Легированные металлы могут содержать хром, марганец, никель и другие примеси.

Количество включенных веществ определяет существование низко-, средне- и высоколегированных сталей. Низколегированные металлы содержат не более 5 % легирующих элементов, среднелегированные – от 5 до 10 %, высоколегированные — более 10 %.

Существует классификация по качеству: сплавы обыкновенного качества, качественные конструкционные стали, высококачественные и особо высококачественные металлы.

Качеством стали называют совокупность физических, химических и технологических параметров. Многие сплавы содержат скрытые газы (кислород, углерод, азот), примеси серы и фосфора. В зависимости от их количества у сплавов будет разная однородность, строение и технологические свойства.

Чтобы определить, какая сталь более качественная, принята норма содержания вредных примесей в металле. Сплав обыкновенного качества содержит до 0,050 % S и 0,040 % Р, качественный — не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественный — не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественный — не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»

Сплавы разделяют также по раскислению: спокойные, полуспокойные и кипящие сплавы.

Раскислением называется выделение кислорода из расплавленного металла с целью предупреждения хрупкого разрушения от воздействия температуры.

Спокойные сплавы получают при добавке раскислителя – марганца, кремния и алюминия. В них концентрируется мало кислорода, при затвердевании не отделяется газ. Кипящие сплавы раскисляют марганцем. Они содержат большое количество кислорода, часть которого, соединяясь с углеродом, выделяется в виде СО.

Множественные пузырьки создают эффект кипения стали. Такой металл стоит дешевле остальных. Он является низкоуглеводным сплавом с минимальным содержанием кремния (Si <= 0,07 %). При этом в стали много газообразных веществ.

Полуспокойные стали находятся между спокойными и кипящими металлами. Они производятся при частичном раскислении с умеренным выделением кислорода.

По структуре стали делят на несколько видов, учитывая строение металла в отожженном и нормализованном состояниях. В отожженном (равновесном) качестве конструкционные стали классифицируют на доэвтектоидные, в структуре которых большое количество железа; эвтектоидные, состав которых включает перлит; аустенитные и ферритные.

Доэвтектоидными и эвтектоидными металлами бывают только углеродистые стали. Легированные металлы производятся всех классов. Аустенитные металлы получаются при добавке в химический состав конструкционных сталей элементов Ni, Mn, увеличивающих (гамма)-область. Ферритные стали образуются при добавке Сг, Si, V, W и прочих веществ, расширяющих (альфа)-область.

Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»

После нормализации структуры стали классифицируют на перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный металл.

Перлитный класс включает в себя углеродистые и низколегированные металлы, наиболее распространенные на разных производствах. После охлаждения в открытой среде стали получают структуру перлита, сорбита или троостита. В них также может быть избыточный феррит или карбид.

К мартенситному классу относятся средне- и высоколегированные металлы, которые при охлаждении на воздухе закаливаются на мартенсит. Они обладают твердостью, сильной хрупкостью и плохо поддаются обработке.

К аустенитному классу относятся углеродистые высоколегированные конструкционные стали. В зависимости от входящих химических веществ они обладают хорошей пластичностью, вязкостью, прочностью, устойчивостью к коррозии, высокой температуре, немагнитностью и другими полезными свойствами. Такие сплавы тяжелее обрабатывать.

Аустенитные и ферритные стали совпадают по классификации в отожженном и нормализованном состояниях.

Стали конструкционного качества разделяются на металлы нормальной, средней ((сигма)В < 1000 МПа), повышенной прочности ((сигма)В < 1500 МПа) и высокопрочные ((сигма)В > 1500 МПа).

В зависимости от сферы применения металлы бывают машиностроительные, из которых делают прокат конструкционной стали и изготавливают детали механизмов, машин, и строительные металлы, необходимые для возведения сооружений и металлоконструкций.

Преимущества и недостатки конструкционных сталей

Конструкционная сталь приобретает свои достоинства после воздействия высокой температуры, поэтому все изделия обрабатываются термически.

Преимущества закаливания стали:

1. В результате воздействия температуры увеличивается устойчивость к пластическим деформациям у деталей из конструкционной стали. Элементы, прошедшие обработку, превосходят углеродистые сплавы по своим свойствам.
2. Прочность конструкционной стали увеличивается в результате воздействия температуры, поэтому рационально делать внешние детали большой толщины из этого материала.
3. Для охлаждения деталей из конструкционной стали после термической обработки применяют масла, которые снижают риск растрескивания, коробления.

Воздействие высокой температуры и легирование придает конструкционной стали дополнительную вязкость, устойчивость к ломкости при резком понижении температуры. В результате металлические детали имеют больший срок службы.

Минусы конструкционной стали:

• Большинство деталей из металла подвержено отпускной хрупкости.
• Вследствие воздействия высокой температуры основные конструкционные стали становятся мягче, у них снижается сопротивление усталости.
• Ковка и прокатка изменяет структуру стали, делая ее строчечной. Деформированные участки становятся неоднородными, металл тяжело поддается резке.

В легированной стали с добавлением никеля могут появляться светлые участки в местах излома. При выполнении поперечного разреза в металле видны трещины разной направленности. Это объясняется выделением водорода, растворенного в стали.

Маркировка конструкционных сталей

Существует множество марок конструкционных легирующих сталей. Они проставляются в соответствие с принятой системой. Стоит узнать о ней подробнее.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества обозначаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, характеризующими номера марок. Затем ставят обозначение степени раскисления: «сп» – спокойные, «пс» – полуспокойные, «кп» – кипящие.

Если конструкционная сталь имеет марку 0, то степень раскисления не указывают, но отражают количество фосфора (не более 0,07 %), серы (не более 0,06 %) и углерода (не более 0,23 %). Марки под номерами от 1 до 6 обычно полуспокойные, а от 1 до 4 – кипящие. Содержание элементов С, Мn, Si, S, P в сталях обязательно указывают.

Сталь конструкционная углеродистая качественная по ГОСТ 1050–88 обозначается двузначным числом, показывающим содержание углерода (сотые доли процента, опуская целую часть): 0, 8, 10, 20, … 60. При взгляде на номер сразу ясно, что, например, в стали 20 содержится 0,20 % углерода.

Бывают спокойные, полуспокойные, кипящие углеродистые конструкционные стали. Индекс перед спокойными не ставят. Например, номера полуспокойных металлов: 08 пс, 10 пс, 20 пс; кипящих: 08 кп, 10 кп, 20 кп.

По существующей маркировке литая структура углеродистых сталей обозначается большой буквой «Л» (сталь 60 Л).

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Маркировка углеродистых легированных конструкционных сталей производится по ГОСТ 4532–71. Она включает буквы и цифры, показывающие химические элементы в металле:

• алюминий – Ю;
• бор – Р;
• ванадий – Ф;
• вольфрам – В;
• кобальт – К;
• кремний – С;
• марганец – Г;
• медь – Д;
• молибден – М;
• никель – Н;
• ниобий – Б;
• титан – Т;
• хром – Х.

Наличие легирующих примесей показано цифрами. Когда углеродистые конструкционные стали в маркировке не имеют цифрового кода, значит, содержание химического элемента не превышает 1 %.

Первая цифра в маркировке означает количество углерода в легированном материале (в сотых долях процента). Например, запись «30ХН3А» означает, что в металле есть 0,30 % С, около 1 % Сr и 3 % Ni. Большая буква «А» показывает высокое качество стали. Для обозначения высококачественных сталей применяют маркировку с буквой Ш, например, 30ХГС-Ш.

Отдельные группы конструкционных сталей имеют дополнительное обозначение в начале. К примеру, автоматные металлы – букву «А», строительные – «С», подшипниковые – «Ш» (ШХ15).

Автоматный вид конструкционных сталей содержит большую концентрацию кальция, селена, серы, теллура и фосфора. По ГОСТ 1414–75 повышенное содержание отдельных элементов показывают буквами: кальций – «Ц», селен –«Е», сера – «А», свинец – «С».

Концентрация углерода обозначается двузначным числом перед буквами А, АС или АЦ и выражается в сотых долях процента. Примеры: кальций в составе – АЦ20, …, АЦ30ХН; селен – А35Е, А40ХЕ; сера – А11, А20, … А40; свинец – АС14, АС40, … АС45Г2.

Читайте также: «Свариваемость сталей»

Низколегированная конструкционная сталь имеет в маркировке букву «С» и число, показывающее предел текучести (мегапаскаль) – С235, С285 … С590. После номера может быть большая буква «Д», что означает антикоррозийные качества, «К» показывает особенный химический состав, «Т» сообщает об увеличенной прочности после термической обработки.

Конструкционные стали – современные материалы, отличающиеся разнообразными характеристиками, которые проявляются в металлах при включении тех или иных химических элементов. Примеси могут делать стали прочными, износостойкими, твердыми, хрупкими. Металл является недорогим и широко используемым сырьем для производства множества деталей и конструкций.