8.6. Модифицирование структуры и состава стали

Целью модифицирования является улучшение эксплуатационных характеристик стали. Основными способами модифицирования:

1) введение в расплавленный металл веществ, образующих тугоплавкие соединения: карбиды – ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды – AlN; оксиды – (Сr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃;

2) введение легирующих элементов;

3) термическая и термомеханическая обработка стали (отжиг, нормализация, закалка и отпуск).

Отжиг проводят для снятия внутренних напряжений в металле, размельчения его зерен и понижения твердости. При отжиге после достижения металлом требуемой температуры он выдерживается некоторое время в печи и медленно охлаждается на воздухе. Ускоренная разновидность отжига называется нормализацией.

Закалка заключается в нагреве металлических изделий до определенной температуры (800…1000°С  в зависимости от состава стали), изотермической выдержке и быстром охлаждении в воде или масле. После закалки увеличивается твердость и прочность стали. Закаленные изделия для уменьшения внутренних напряжений, стабилизации структуры, понижения твердости и повышения вязкости подвергаются отпуску. Эта операция сводится к нагреву закаленной стали до температуры 250…350^оС, изотермической выдержке и медленному охлаждению.

Для поверхностного упрочнения стали иногда производят химико-термическую обработку, например, цементацию (науглероживание), азотирование и др.

8.7. Углеродистая сталь

Металлические конструкции, арматуру для железобетона, трубы, крепежные детали и другие строительные изделия изготовляют, как правило, из конструкционных углеродистых сталей.

В состав углеродистой стали кроме железа и углерода входят только нормальные примеси (кремний, марганец, фосфор, сера и кислород).

Кремний и марганец повышают прочность стали и одновременно (особенно, кремний) снижают пластичность. Допускается Mn  0,8%; Si 0,35%.

Фосфор и сера при любом их содержании являются вредными примесями. Сера, соединяясь с железом, образует сернистое железо FeS, которое снижает механические свойства стали и вызывает красноломкость. Примесь фосфора понижает ударную вязкость стали, особенно в условиях низких температур. Это явление называется хладноломкостью. В зависимости от марки стали допускается S  0,06%; P 0,07%.

Большое количество кислорода в стали оказывает также отрицательное воздействие на механические свойства – понижает ударную вязкость, ухудшает свариваемость, сталь становится хладноломкой и красноломкой.

По назначению углеродистые стали делят на конструкционные и инструментальные.

К конструкционным относят стали с содержанием углерода до 0,56%. Их широко применяют в строительстве для изготовления конструкционных элементов зданий и сооружений.

Конструкционные углеродистые стали, в свою очередь, подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные и специальные.

По степени раскисления углеродистые стали выпускают спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Спокойные стали полностью раскислены и содержат минимальное количество FeO; кипящие перекислены. Полуспокойные занимают промежуточное положение. Кипящие стали имеют пониженное качество и склонны к старению, но лучше обрабатываются и более дешевы.

Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гарантируемых свойств объединены в группы А, Б и В. Стали обозначают марками Ст1, Ст2,…,Ст6, добавляя спереди букву группы стали, а после – индекс раскисления (сп, пс или кп). По группе А стали поставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б – химическими, а по группе В – с теми и другими одновременно. С возрастанием номера стали растет и содержание углерода в ней, повышаются временное сопротивление, предел текучести, твердость и снижаются относительное удлинение и ударная вязкость.

Сталь каждой группы, в зависимости от нормируемых показателей по ударной вязкости подразделяется на категории. Группа А: 1, 2 и 3; группа Б: 1 и 2; группа В: 1, 2, 3, 4, 5 и 6.

Пример маркировки: ВСт3кп2 – означает, что сталь группы В, марки 3, кипящая, 2-ой категории.

Стали Ст3 и Ст5 – основные строительные стали, используемые для изготовления горячекатаного листового и фасонного проката, из которых выполняют металлические конструкции и большинство видов арматуры для железобетона. Эти стали хорошо свариваются и обрабатываются.

Сталь качественную конструкционную выплавляют только в мартеновских и электропечах. По сравнению с углеродистой сталью обыкновенного качества, в ней меньше серы – не более 0,04% и фосфора – не более 0,035%; она более однородна.

Марки этой стали обозначают двузначными цифрами, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента – 05; 08; 10; 15; и т.д. до 85. Если сталь выпускают с повышенным содержанием марганца (0,7 – 1% или 0,9 – 1,2%), то в этом случае в обозначение марки ставят букву Г. Пример маркировки: 65Г - сталь углеродистая качественная, конструкционная с содержанием 0,65% углерода и 1% марганца.

Специальные стали применяют для изготовления мостовых конструкций, рельсов, осей и т.п.

Инструментальные стали содержат от 0,65 до 1,35% углерода, имеют марки от У7 до У13. Цифры указывают на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Такие стали применяют для изготовления молотков, ножей, напильников и т.п. Высокую твердость и износостойкость инструментальной стали придают путем закалки и последующего низкого отпуска.