Что называют сталью? Какую сталь называют конструкционной? Виды термической обработки стали, когда они целесообразны?

Стали для строительных конструкций разделяют на виды и маркируют условными обозначениями, в которых отражается состав и назначение стали, механические и химические свойства, способы изготовления и раскисления.

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа (основа) с углеродом (до 2%) и (или) другими элементами (сплавы). Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения классифицируются по способу упрочнения как стали: без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему объему.

Рекомендуемыми режимами термической обработки конструкционных углеродистых качественных сталей в зависимости от условий эксплуатации изделий являются нормализация, закалка с отпуском, поверхностная закалка с отпуском.

По химическому составу конструкционная сталь делится на углеродистую, низколегированную и легированную. В зависимости от способа производства она делится на сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик углеродистая горячекатаная сталь обыкновенного качества подразделяется на три группы: группа, А — сталь, поставляемая по механическим свойствам; группа Б — сталь, поставляемая по химическому составу; группа В — сталь, поставляемая по механическим свойствам и с отдельными требованиями по химическому составу.

Сталь групп, А и Б изготовляют мартеновским, конверторным и бессемеровским способами. Сталь группы В — мартеновским и конверторным способами. Условное обозначение марок стали производится по буквенно-цифровой системе. Буквы Ст. означают слово «сталь», цифры за буквами Ст. от 0 до 7 — условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава стали и механических свойств. Например, Ст. О, Ст. 1, Ст. 2, Ст. З и др. Способ выплавки стали обозначается буквами «М» (мартеновская), «К» (конверторная) и «Б» (бессемеровская). Буквы «М», «К» и «Б» добавляются перед обозначением марок стали групп Б и В.

Большинство конструкционных легированных сталей относится к перлитному классу, а в равновесном состоянии — к классу доэвтектоидных. Легирующие элементы определяют преимущественно закаливаемость и прокаливаемость и, в меньшей степени, механические свойства (кроме никеля и молибдена, улучшающих вязкость). Наиболее широко применяют марки 30ХГСН 2А, 30ХГСН 2МА, 25Х 2ГНТРА, 30Х 2ГСН 2ВМ и 40ХН 2СМА.

Рекомендуемыми режимами термической обработки конструкционных углеродистых качественных сталей в зависимости от условий эксплуатации изделий являются нормализация, закалка с отпуском, поверхностная закалка с отпуском.

Стали (08кп, 10кп, 15кп, 08, СтЗ), используемые без термической обработки, поставляют, главным образом, в листах. Они должны иметь пониженное содержание углерода и кремния, что обеспечивает их хорошую деформируемость (штампуемость, вытяжку, выдавливание и др.) в холодном состоянии.

При требовании высокой прочности поверхностного слоя используют нитроцементуемые, цементуемые, азотируемые, а также закаливаемые и с пониженной прокаливаемостью (упрочняемые в поверхностном слое) стали. Так, в качестве цементуемой углеродистой стали используются качественные и высококачественные стали марок 15, 20. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность стали имеет высокую твердость (НКС 58…62), обеспечиваемую мартенситной структурой, а сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется ферритно-перлитная микроструктура.

Легированные цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х 2Н 4А, 20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют для деталей, более сильно напряженных, а также более крупных размеров и сложной формы — валы, оси, шестерни и др. Легирование в этом случае обеспечивает лучшую прокаливаемость при более прочной сердцевине. В сердцевине образуются структуры бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (НКС 30…45).

Для получения высоких прочностных свойств по всему объему изделия применяют улучшение, то есть закалку в масле, и высокий (550…650 °С) отпуск. При такой обработке улучшаемая сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание прочности и вязкости. К улучшаемым относятся стали, содержащие «0,35% С (углеродистые и малолегированные) и 0,2…0,3% С (среднеи высоколегированные).

Способность упрочняться на ту или иную глубину при одинаковом содержании углерода определяется влиянием легирующих элементов, но при небольших сечениях изделий это влияние менее заметно, а в деталях крупного размера у углеродистых и менее легированных сталей механические свойства значительно ниже. Поэтому выбор марки стали зависит как от уровня требуемых свойств, так и от толщины изделия: например, диаметр до 12…15 мм — стали 35, 40, 45, 50; диаметр до 50…75 мм — 40ХН, 25ХГСА, 30ХГС; диаметр 75…120 мм — ЗОХНЗА, 40ХН 2МА. Из сталей, упрочняемых по всему сечению, изготавливают оси, валы, шестерни, кривошипы, шпильки ответственного назначения, тонкостенные трубы и др.

Улучшаемыми конструкционными сталями называют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3−0,5% углерода и легирующие элементы обычно в количестве не более 5%, которые используют после операции так называемого «улучшения», состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно проводят в масле. Температура отпуска составляет 550−650 °С.

После термообработки улучшаемые стали имеют структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Улучшаемые стали могут быть условно разбиты на 5 групп. С увеличением номера группы растет степень легирования и размер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость. В таблице порог хладноломкости представляет температуру, при которой в изломе ударных надрезанных образцов не менее 50% волокнистой составляющей.

Обычное содержание кремния в улучшаемых сталях составляет 0,17−0,37%, марганца-0,5−0,8%, менее 0,035% Р и S.

К I группе относятся углеродистые стали марок 35, 40, 45, имеющие критический диаметр D₉₅ (до 10 мм), при котором достигается сквозная прокаливаемость и в структуре присутствует не менее 95% мартенсита.

II группа представлена хромистыми сталями марок ЗОХ, 40Х. Критический диаметр составляет D₉₅ = 15ч-20 мм. Недостатком сталей этой группы являются склонность к отпускной хрупкости второго рода. Для них необходимо быстрое охлаждение после отпуска.

В III группу входят хромистые стали, дополнительно легированные еще одним или двумя элементами: ЗОХМ, 40ХГ, ЗОХГТ (D₉₅ = 20ч-25 мм).

Для увеличения прокаливаемости в хромистые стали дополнительно вводят марганец (40ХГ) и бор (40ХР); молибден (ЗОХМ) вводят для снижения отпускной хрупкости второго рода.

Высокими свойствами обладают принадлежащие к этой группе стали, называемые хромансилями 20ХГС, ЗОХ ГС.

Эти стали хорошо свариваются при высокой прочности сг_в = 1200 МПа и KCU = 0,4 МДж/м². Их недостатком является склонность к отпускной хрупкости второго рода.

К IV группе относятся хромоникелевые стали, содержащие до 1,5% Ni: 40XH, 40ХНМ. Их критический диаметр D₉₅ = = 40 мм. Эти стали при пониженной температуре эксплуатации обладают большим запасом вязкости, чем стали предыдущих групп.

Коррозионная стойкость сталей может быть повышена термической обработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованной поверхности. Легирование сталей небольшими количествами меди, фосфора, никеля, хрома (например, сталей первой и второй групп, 15 Г 2АФДпс, 10ХСНД, 10ХНДП, 12ГН 2МФАЮ и др.) особенно эффективно для защиты их от атмосферной коррозии.

Термообработка заключается в нагреве детали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с той или иной скоростью. При этом происходит изменение структуры, а, следовательно, механических и технологических свойств обрабатываемой детали.

Основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг первого рода (рекристализационный отжиг) — подготовительная операция термической обработки. Цель отжига 1 рода — устранение химической и физической неоднородности сплава, созданной предшествующими обработками. В результате нагрева детали до температур ниже фазовых превращений, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении понижаются прочность, и твердость стали, повышаются ее пластичность и вязкость, улучшается обрабатываемость резанием.

Цель отжига II рода — выровнять химический состав детали, получить мелкозернистую равновесную структуру, снять внутренние напряжения, повысить пластичность и понизить твердость, улучшить условия обрабатываемости резанием. К отжигу II рода относятся: Полный отжиг (полная фазовая перекристаллизация) — применяется, для доэвтектоидной стали (поковки, штамповки, прокат, слитки и фасонные отливки из углеродистой и легированной стали) с целью измельчения зерна и получения высокой пластичности и вязкости.

Нормализация — промежуточный процесс термической обработки между отжигом и закалкой. Нормализация отличается от отжига повышенной скоростью охлаждения (на стойком или движущемся воздухе). Процесс нормализации заключается, в нагреве стали выше критических температур Ас ₃ (доэвтектоидной стали), Асm (заэвтектоидные стали) на 30−50°С, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Структура стали после нормализации: перлит+феррит (доэвтектоидные стали) или перлит+цементит (заэвтектоидные стали) и некоторое количество сорбита или троостита. Присутствие сорбита и троостита в структуре среднеи высокоуглеродистой стали, повышает твердость и прочность на 10−15%; для низкоуглеродистой стали, нормализацию применяют вместо отжига.

Закалка применяется с целью увеличения твердости, прочности, износостойкости стали. Эта термическая обработка заключается, в нагреве стали выше критической точки превращения, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении и скоростью ох-, лаждения выше критической. Для доэвтектоидных сталей проводят полную закалку, сопровождающуюся полной фазовой перекристаллизацией. Температура нагрева Ас₃+(30−50°С). Для заэвтектоидных сталей проводят неполную закалку — неполная фазовая перекристаллизация. Температура нагреваАс+(30−50°С): При охлаждении в воде получается мартенсит закалки+цементит II. Цементит II увеличивает, износостойкость стали.

При отпуске сталь нагревают до температуры ниже Ас₁ выдерживают при заданной температуре, а затем охлаждают с определенной скоростью (обычно на воздухе). В зависимости от температуры нагрева закаленной стали, отпуск бывает низкий, средний и высокий.

Специальное назначение конструкционных сталей и сплавов определяется требованием к конкретному комплексу механических, физических, физико-химических и технологических свойств, необходимому для эксплуатации изделий в строго определенных условиях, например, при очень высоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических или гидроабразивных нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электрои радиотехнической промышленности. В зависимости от химического состава сплавы этой группы подразделяют на классы по основному составляющему элементу: сплавы на железоникелевой основе; сплавы на никелевой основе.