Конструкционная сталь

Сталь используется в различных отраслях человеческой деятельности. Благодаря широкому спектру ее применения, различают конструкционную, инструментальную сталь, и стали особого назначения. Каждый вид был разработан для специального назначения, поэтому отличается своим химическим составом и формой обработки, что позволяет получать заданные характеристики. Конструкционные стали и сплавы активно используются в машиностроении и строительной сфере, как технологичные, качественные и дешевые материалы, обладающие всем необходимым набором свойств при производстве конструкций.

Общие характеристики

В составе сплавов присутствует некоторый процент полезных добавок, к которым можно отнести медь, марганец, кремний и так далее, однако главным элементом, который определяет свойства конструкционной стали, является углерод. Увеличение его содержания приводит к усилению прочности и устойчивости к низким температурам, что дает возможность создавать конструкции, работающие даже в условиях сурового климата, при этом выдерживать большие нагрузки.

Изначально конструкционные стали классифицируют на:

• легированные;
• углеродистые.

Качество углеродистых конструкционных сталей зависит от присутствия в их химическом составе фосфора и серы. Первый наделяет металл способностью к растрескиванию в процессе холодной механической обработки. Второй вызывает трещинообразование при горячей (термической) обработке под воздействием высокого давления. Применение сталей конструкционных с большим процентом серы и фосфора обосновано при изготовлении деталей с высокой степенью обрабатываемости способом резки. На основании процентного содержания данных примесей, металл классифицируется следующим образом:

• Сталь обыкновенного качества – состав содержит около 0,5% добавок (маркируется как «Ст»).
• Качественная сталь – до 0,0З5% примесей (качественная углеродистая сталь маркируется «Сталь»). Качественная конструкционная сталь широко используется в машиностроении.
• Высококачественная – количество серы и фосфора в пределах 0,025% (маркируется буквой «A» в конце).
• Сталь особо высокого качества – 0,015% вредных примесей (высокого качества углеродистая сталь маркируется в конце «Ш»).

Кроме этого, в процессе производства, металлы классифицируют в соответствии с их физико-механическими свойствами.

Типы и свойства сплавов

В зависимости от свойств, стали можно разделить на физические и механические. К физическим свойствам относят объемную плотность = 7850 кг / м3, коэффициент теплового расширения a, коэффициент Пуассона v = 0,3 и коэффициент продольной упругости E = 210 000 Н / мм2.

К механическим свойствам: прочность, ударную вязкость и пластичность.

Прочностные свойства конструкционной стали связаны со способностью металла переносить нагрузки. Мера прочности – предел текучести и предел прочности. Прочность на растяжение – напряжение, соответствующее наибольшему усилию, полученному во время испытания на растяжение.

Ударная вязкость – способность поглощать энергию, которая передается при ударной нагрузке Пластичность – способность стали деформироваться. Минимальная пластичность обеспечивается, если отношение предела прочности к пределу текучести составляет 1,10, относительное удлинение при разрушении составляет не менее 15%, а отношение деформации при разрушении к деформации при достижении предела текучести составляет ≥ 15.

Конкретную область применения металлопроката определяют механические и физико-химические характеристики:

• Низколегированный сплав – содержит до 0,22% углерода и используется при возведении мостов и других конструкций, работающих при высоких и часто изменяющихся нагрузках, а также способных выдерживать постоянные перепады температур. Применяется при производстве сельскохозяйственной техники, железнодорожных вагонов, локомотивов и так далее.
• Теплоустойчивая сталь – изготовление деталей, испытывающих постоянные нагрузки при очень высоких температурах.
• Арматурная – после обработки показывает высокую твердость. Используется для армирования бетона, повышая его износоустойчивость и прочность.
• Пружинная – содержит большой процент кремния и используется при изготовлении пружин, рессор и торсионных стержней, и иных подобных деталей. Для особо нагружаемых пружин в сплав добавляют ванадий и хром.
• Машиностроительная – благодаря способности хорошо сопротивляться ударному воздействию и высокой механической прочности используется при производстве автомобилей.
• Автоматная – используется при производстве мелких крепежных деталей, которые выпускаются на автоматических станках большими партиями (шурупы, шайбы, гайки и так далее).
• Шарикоподшипниковая – материал, обладающий высокой твердостью и сопротивляемостью к контактной усталости. При изготовлении небольших деталей чаще всего используют высокоуглеродистую хромистую сталь, для производства деталей с большим сечением применяется хромомарганцевая сталь, прокаливающаяся на большую глубину.

Особняком стоит котельный углеродистый сплав, который применяется при изготовлении:

• Толстолистового металла – толщина листов более 4 мм.
• Тонколистового материала – толщина до 4 мм.

Котельные листы отличаются хорошей свариваемостью и имеют высокую прочность, поэтому используются в производстве паровых котлов, паропроводов и труб, работающих под давлением до 98Мпа, при температуре до 450 градусов. В маркировке обозначаются буквой «K» в конце.

Зарубежные производители аналогичной продукции производят маркировку по собственным стандартам.

Дефекты конструкционных сталей

Наиболее распространенными дефектами конструкционных сталей являются:

• Дендритная ликвация. Из-за наличия в металле легирующих элементов повышается температурный интервал кристаллизации. Диффузные процессы в легированной стали протекают медленно, поэтому материал становится склонным к дендритной ликвации и полосатости в структуре. Ликвидировать такой дефект можно диффузным отжигом.
• Флокеныю. Наличие газов пагубно сказывается на свойствах сталей, приводя к возникновению такого дефекта как флокены, которые представляют собой трещины, которые становятся заметными при макротравленни. На извилинах флокены выглядят как округлые пятна. Чаще всего флокены появляются при быстром охлаждении металла после ковки или прокатки. Такой дефект связан с наличием в сплаве водорода, который в процессе плавки растворяется в жидком металле. Чаще всего флокены появляются в хромовых и хромоникелевых сплавах.