Лекція 6 конструкційні сталі та сплави

Конструкційними називають сталі, які застосовують в машинобудуванні (машинобудівні сталі) й будівництві (будівельні сталі) для виготовлення деталей машин, конструкцій та споруджень. До цієї групи сталей можна віднести й сталі спеціального призначення – нержавіючі, жароміцні, зносостійкі, криогенні та ін. Вони можуть бути вуглецевими та легованими. Зміст вуглецю в цих сталях не перевищує 0,5–0,6 %, але іноді може досягати 0,8– 0,85%.

Деталі сучасних машин та конструкцій працюють в умовах високих динамічних навантажень, великих концентрацій напруг та низьких температур. Усе це сприяє крихкому руйнуванню та знижує надійність роботи машин. Тому конструкційні сталі, крім високих механічних властивостей, обумовлених при стандартних іспитах ( KCU, НВ), повинні володіти високою конструктивною міцністю, тобто міцністю, що виявляється в умовах їхнього реального застосування (у виді деталей, конструкцій та ін.) й характеризує їхню здатність протистояти раптовим руйнуванням при наявності пікових напруг (КСТ, K_1ct₅₀ ) або забезпечити їхню довговічність ( , живучість, опір зносу й корозії).

Конструкційна сталь повинна мати гарні технологічні властивості: добре оброблятися тиском (прокатка, кування, штампування та ін.) й різанням, не утворювати шліфувальних тріщин, володіти високою прокаліваємостю й малою схильністю до зневуглецюванню, деформаціям та тріщино утворюванню при загартуванні, тощо. Будівельні конструкційні сталі повинні добре зварюватися усіма видами зварювання.

Конструкційну сталь виплавляють у кисневих конвертерах, основних та кислих мартенівських печах, а також в електропечах .

Поставляють сталі у виді заготовок та сортової гарячекатаної, каліброваної та шліфованої сталі, у виді листів, смуг, фасонних профілів, тощо.

Нерідко проводять рафінування сталі рідким синтетичним шлаком (Ш) у ковши, а також електрошлаковим переплавом (ЕШ). У деяких випадках проводяться вакуумно–дуговий переплав (ВД) та виплавка у вакуумних індукційних печах (ВІ). Використання цих методів рафінування сталі знижує забруднення її неметалічними включеннями (оксидами, сульфідами, силікатними включеннями, тощо), шкідливими домішками (S) й газами, зменшує кількість дефектів (волосовіни й пористість).

Підвищення чистоти металу забезпечує одержання більш високої конструкційної міцності сталі, головним чином завдяки збільшенню роботи розвитку тріщини КСТ. Однак поріг холодноламкості t₅₀, обумовлений по виду зламу, у результаті застосування нових методів рафінування змінюється мало. При виборі режиму термічної обробки варто мати на увазі, що підвищення чистоти прикордонних обсягів зерна від домішок та неметалічних включень підвищує схильність сталі, отриманої Ш, ЕШ, ВД та ВІ, до росту зерна аустеніту при нагріванні. Нерідко сталі поставляють з регламентованої прокаліваємостю, величиною зерна, часток в’язкої складової в зламі, ударною в'язкістю при – 60 °С та ін.

1. Вуглецеві конструкційні сталі

Вуглецеві конструкційні сталі підрозділяються на сталі звичайної якості і якісні.

Сталі звичайної якості (ДСТ 380–88). Вуглецева сталь звичайної якості виготовляється наступних марок (табл. 1):

Букви Ст у марці сталі позначають «Сталь», цифри – умовний номер марки (зі збільшенням номера зростає в сталі зміст вуглецю), крім того, ДСТ передбачає сталі з підвищеним вмістом марганцю (0,8–1,1 %): Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс. В залежності від умов й ступеня розкислення сталі розрізняють: спокійні (cп)CT1cп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп, Ст6сп); напівспокійні (пс) (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс, Ст6пс); киплячі (кп) (Сткп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп). У їхньому складі різний масовий зміст кремнію й кисню: спокійні 0,15–0,3 % Si й ~0,002 % О₂; напівспокійні 0,05–0,15 % Si й ~0,01 % О₂ і киплячі не більш 0,05 % Si й 0,02 % О₂; спокійні сталі одержують повним розкисленням сталі феромарганцем, феросиліцієм та алюмінієм у печі, а потім у ковши. Вони застигають спокійно без газовиділення. Киплячі сталі розкисляють тільки феромарганцем і до затвердіння в них утримується підвищена кількість FeО. При застиганні у виливниці FeО взаємодіє з вуглецем сталі, та утворює СО, що виділяється у виді пухирців, створюючи враження, що метал кипить. Сталі звичайної якості, особливо киплячі, найбільш дешеві. У процесі виплавки вони менше очищуються від шкідливих домішок. Масова частка сірки повинна бути не більш 0,05 % , фосфору – не більш 0,04 % та азоту – не більш 0,008 %.

Сталі відливають у великі злитки, внаслідок чого в них розвита ліквація й вони містять порівняно велику кількість неметалічних включень.

Зі сталей звичайної якості виготовляють гарячекатаний рядовий прокат: балки, швелери, куточки, прутки, а також листи, труби й поковки.

Таблиця 1 – Сталі звичайної якості

Марка	Ст0	Ст1	Ст2	Ст3	Ст4	Ст5	Ст6
%С %Мn	0,23 –	0,06–0,12 0,25–0,5	0,09–0,15 0,25–0,5	0,14–0,22 0,3–0,65	0,18–0,27 0,4–0,7	0,28–0,37 0,5–0,8	0,28–0,49 0,5–0,8

Сталі в стані постачання знайшли широке застосування в будівництві для зварених, клепаних й болтових конструкцій, рідше для виготовлення мало навантажених деталей машин (вали, осі, зубчасті колеса та ін.). Сталі з низьким змістом вуглецю (Ст1, Ст2, Ст3) широко використовують для зварених конструкцій.

З підвищенням вмісту в сталі вуглецю зварюваність погіршується. Тому сталі Ст5 та Ст6 з більш високим вмістом вуглецю застосовують для елементів будівельних конструкцій, що не піддаються зварюванню. Сталі, призначені для зварних конструкцій, повинні мати малу чутливість до термічного старіння, а сталі, що піддаються холодному виправленню та згинанню,– малою схильністю до деформаційного старіння.

Механічні властивості сталі звичайної якості можуть бути значно підвищені термічною обробкою (загартуванням у воді з прокатного нагрівання або після спеціального нагрівання, або нормалізацією), а також термомеханічною обробкою в процесі гарячої прокатки.

Для багатьох конструкцій і машин, що працюють у північних районах, великого значення набуває температура переходу сталі в крихкий стан. Поріг холодноламкості для випадку цілком крихкого зламу найбільш розповсюдженої мартенівської сталі Ст3 (листова сталь) знаходиться для киплячої сталі при 0 °С та спокійній при – 40° С. Тому, незважаючи на те, що киплячі сталі по міцності ( _в , ) мало відрізняються від спокійних, застосування їх для північних районів країни неприпустимо. Холодноламкість киплячої сталі зв'язана з підвищеним змістом кисню (азоту) у розчині і великій кількості фосфору та сірки. Напівспокійна сталь по холодноламкості займає проміжне положення між спокійною та киплячою сталлю. Використовувати її при низьких кліматичних температурах можна лише в прокаті малих перетинів (до 10–12 мм), коли її поріг холодноламкості близький до спокійної сталі. Зниження порога холодноламкості спокійної сталі до (–60)÷(–100)° С можливо шляхом загартування та високого відпуску (поліпшення) або нормалізації. Будівельні конструкції та машини, призначені для роботи в північних районах, варто виготовляти зі спокійної, термічно обробленої сталі. Для мостових сталей північного виконання обмежують зміст фосфору та сірки (<0,03% Р, <0,025 % S) і нормують площу зламу (не менш 60% з волокнистою будівлею).

Якісні вуглецеві сталі. Ці сталі виплавляють з дотриманням більш строгих умов у відношенні складу шихти й ведення плавки та розливання. До них пред'являють більш високі вимоги по хімічному складу: зміст сірки <0,04%, фосфору <0,035–0,04%, а також менша кількість неметалічних включень, регламентовані макро– та мікроструктура.

Якісні вуглецеві сталі маркірують цифрами 08, 10, 15, 20, ...85, що вказують середній зміст вуглецю в сотих частках відсотка. Низьковуглецеві сталі 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп мають невисоку міцність та високу пластичність. Ці сталі без термічної обробки застосовують для мало навантажених деталей (прокладок, шайб, капотів, тракторів, змійовиків), елементів зварених конструкцій, тощо. Тонколистову холоднокатану низьковуглецеву сталь використовують для холодного штампування виробів. Штампуємість сталі тим гірше, чим більше в ній вуглецю. Кремній, підвищуючи кордон текучості, знижує штампуємість, особливо здатність сталі приймати витягування, тому для холодного штампування, особливо для витягування, більш ширше використовують холоднокатані напівспокійні та киплячі сталі 08пc, 08кп, 08Фкп, 08Ю (мікро легована ванадієм або алюмінієм у кількості 0,02–0,04 %).

Сталь 08 схильна до деформаційного старіння, 08Ю й 08Ф – нестаріючі.

Штампуємість у великому ступені залежить від величини зерна. При дрібному зерні сталі виявляють пружний ефект та сильно зношують штампи, а при великому зерні утворюються шероховата поверхня типу «апельсинової корки» та розриви. Рекомендується сталь із зерном балу 6–8. Штампуємість знижується при виділенні по кордонах зерна карбідів та інших фаз.

Сталі 15, 20 та 25 застосовують без термічної обробки або в нормалізованому виді (табл. 2). Сталі надходять у виді прокату, поковок, труб, листів, стрічки й дроти та призначаються для менш відповідальних деталей. Сталь добре зварюється й обробляється різанням.

Таблиця 2 – Хімічний склад і механічні властивості (не менше) вуглецевої якісної конструкційної сталі

Сталь	С,%
		МПа		%
08 10кп 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70	0,05–0,12 0,07–0,14 0,07–0,14 0,12–0,19 0,17–0,24 0,22–0,3 0,27–0,35 0,32–0,4 0,37–0,45 0,42–0,5 0,47–0,55 0,52–0,6 0,57–0,65 0,62–0,7 0,67–0,75	330 320 340 380 420 460 500 540 580 610 640 650 690 710 730	200 100 210 230 250 280 300 320 340 360 380 390 410 420 430	33 33 31 27 25 23 21 20 19 16 14 13 12 10 9	60 55 55 55 55 50 50 45 45 40 40 35 35 30 30

Ці сталі використовують для цементуємих деталей, що працюють на знос і не випробують високих навантажень, наприклад кулачкових валиків, важелів, осей, втулок, шпинделів, вилок й валиків переключення передач, штовхальників клапанів, пальців ресор та багатьох інших деталей автотракторного, сільськогосподарського й загального машинобудування.

Низьковуглецеві якісні сталі використовують і для відповідальних зварених конструкції. З підвищенням вмісту в сталі вуглецю зварюваність погіршується. Чим більше в сталі вуглецю, тим вище схильність її до утворення при зварюванні гарячих та холодних (при низьких температурах) тріщин.

Середньовуглецеві сталі 30, 35, 40, 45, 50 застосовують після нормалізації, поліпшення й поверхневого загартування для найрізноманітніших деталей у всіх галузях машинобудування (розподільчих валків, шпинделів, фрикційних дисків, штоків, траверс, плунжерів, тощо). Ці сталі в нормалізованому стані в порівнянні з низьковуглецевими мають більш високу міцність при більш низькій пластичності. Сталі у відпаленому стані досить добре обробляються різанням. Найбільше легко обробляються доевтектоїдні сталі зі структурою пластинчастого перліту. Після поліпшення сталі 40, 45, 50 мають наступні механічні властивості: _у= 600÷700 МПа, =400÷600 МПа, = 50÷40% і KCU = 0,44÷0,5 МДж/м². Прокалюваємість сталей невелика. Критичний діаметр після загартування у воді не перевищує 10–12 мм (95% мартенситу). У зв'язку з цим їх варто застосовувати для виготовлення невеликих деталей або більш великих, але не потребуючих наскрізної прокалюваємості.

Сталі 60, 65, 70, 80 та 86 мають більш високу міцність, зносостійкість та пружні властивості; застосовують їх після загартування й відпустки, нормалізації й відпустки та поверхневого загартування для деталей, що працюють в умовах тертя при наявності високих статичних вібраційних навантажень. З цих сталей виготовляють пружини й ресори, шпинделі, замкові шайби, прокатні валки, тощо.

Відповідно до ДСТ 1050–74 виготовляють гарячекатану й ковану сталь як з термічною обробкою (відпал, нормалізація, висока відпустка), так і без неї; калібровану сталь й серебрянку (шліфовану) у нагартованому стані та після термічної обробки, включаючи нормалізацію і загартування з відпусткою.

Сталь призначається для гарячої обробки тиском, механічної обробки і для холодного волочіння (підкат).