Основные свойства углеродистых и легированных сталей

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода не превышает 2%. Кроме углерода сталь содержит небольшое количество марганца, кремния, серы и фосфора.
Стали подразделяются: по назначению — на конструкционные и инструментальные; по способу производства — на мартеновские, выплавляемые в мартеновских печах; бессемеровские, получаемые в конвертерах, имеющих футеровку из кислых материалов; томасовские, получаемые в конвертерах с футеровкой из основных материалов, и электросталь, выплавляемую в дуговых или индукционных высокочастотных печах; по химическому составу — на углеродистые и легированные.
Легированные стали, кроме углерода, содержат повышенное количество марганца и кремния, хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия и др., которые придают этим сталям особые свойства, например, жаростойкость, повышенную прочность и твердость, коррозионную стойкость.
Для изготовления сварных конструкций большое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая по ГОСТ 380—71.
Углеродистая обыкновенного качества сталь в зависимости от назначения подразделяется на три группы: группа А — поставляемая по механическим свойствам; группа Б — поставляемая по химическому составу; группа В — поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.
В зависимости от нормируемых показателей стали группы А подразделяются на три категории — Al, А2, A3; стали группы Б — на две категории— Б! и Б2; груп¬пы В — на шесть категорий — Bl, В2, ВЗ, В4, В5, В6. Для стали группы А установлены марки СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. Для стали группы Б марки БСтО, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСтб. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способами. Для нее установлены марки ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСт5.
Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается. Если сталь относится к кипящей, ставится индекс «кп», если к полустойкой — «пс» и спокойной — «СП».
По видам проката сталь бывает листовая, широкополосная, сортовая (полосовая, круглая и др.), фасонная (швеллер, уголок, двутавр).
Арматурная сталь в зависимости от технологии изготовления подразделяется на стержневую и проволочную арматуру, а в зависимости от профиля — на гладкую и периодического профиля.
Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций. Качественные стали по ГОСТ 1050—74 маркируются двухзначными цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т.д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10%, 0,15%, 0,20% углерода.
Сталь по ГОСТ 1050—74 изготовляют двух групп: группа 1— с нормальным содержанием марганца (0,25— 0,80%), группа II — с повышенным содержанием марганца (0,70—1,2%). При повышенном содержании марганца в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание марганца.
Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются легирующими. Легированные стали подразделяются в зависимости от содержания легирующих элементов на низколегированные (2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).
Легированные стали маркируются цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали, а стоящие за ней цифры — среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Для легирующих элементов приняты следующие буквенные обозначения: Б —ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К—кобальт, М —молибден, Н — никель, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ю — алюминий. Буква А в конце марки указывает, что сталь является высококачественной и содержит минимальное количество вредных примесей серы и фосфора.
Влияние основных элементов на свойства углеродистых сталей. По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% углерода; среднеуглеродистые — от 0,25 до 0,6% углерода и высокоуглеродистые — свыше 0,6% углерода. С увеличением содержания углерода повышаются предел прочности стали, твердость и хрупкость при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости.
Содержание углерода в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25% не ухудшает свариваемости стали. При более высоком содержании углерода свариваемость стали ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Повышение содержания углерода в присадочном металле вызывает пористость шва.
Марганец содержится в стали в пределах 0,3— 0,8%. В указанных пределах марганец не затрудняет процесс сварки. При сварке среднемарганцовистых сталей с содержанием марганца 1,8—2,5% возникает опасность появления трещин в связи с тем, что марганец способствует закаливаемости стали.
Кремний содержится в низко- и среднеуглеродистой стали в пределах 0,02—0,35%. В указанных пределах он не вызывает затруднений при сварке. При содержании кремния в специальных сталях от 0,8 до 1,5% сварка затрудняется из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких окислов кремния.
Сера является вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое соединение, называемое сернистым железом. Сталь с примесью серы дает трещины в нагретом состоянии, т. е. становится красноломкой. Содержание серы в стали не должно превышать 0,055%. Свариваемость стали с повышением содержания серы резко ухудшается.
Фосфор также является вредной примесью в стали. Содержание его в стали не должно превышать 0,05%. Фосфор образует с железом химическое соединение — фосфористое железо. Фосфор увеличивает твердость и хрупкость стали, вызывает хладноломкость, т. е. появление трещин в холодном состоянии.
Ванадий в легированных сталях содержится в пределах 0,2—0,8%. Он способствует закаливаемости стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки ванадий активно окисляется и выгорает.
Вольфрам в легированных сталях содержится в пределах от 0,8 до 18%. Вольфрам увеличивает твердость стали и затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.
Никель в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах 0,2—0,3%, в конструкционных — от 1 до 5% и легированных — от 8 до 35%. Никель в стали увеличивает пластические и прочностные свойства, свариваемости не ухудшает.
Молибден ограничивается содержанием в стали от 0,15 до 0,8%. При сварке способствует образованию трещин, активно окисляется и выгорает.
Хром в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,3%, конструкционных — 0,7—3,5%, легированных хромистых сталях—12—18% и хромоникелевых — 9—35%. Хром затрудняет сварку, так как в процессе сварки образует тугоплавкие карбиды хрома.
Титан и ниобий в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях при сварке соединяются с углеродом, препятствуя образованию карбидов хрома. Этим титан и ниобий улучшают свариваемость.
Медь в сталях содержится в пределах 0,3—0,8%. Медь улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и коррозионную стойкость стали.
Кислород содержится в сталях в виде закиси железа. Закись железа растворяется в чистом расплавленном железе в количестве до 0,5%, что соответствует содержанию 0,22% кислорода. Растворимость закиси железа в стали уменьшается с повышением содержания углерода. Кислород ухудшает свариваемость стали, снижает ее прочностные и пластические свойства.
Азот растворяется в расплавленном металле, попадая в сварочную ванну из окружающего воздуха. При охлаждении сварочной ванны азот образует химические соединения с железом (нитриды), которые повышают прочность и твердость, и значительно снижают пластичность стали.
Водород — вредная примесь в стали. Водород скапливается в отдельных местах сварочного шва, при сварке вызывает появление пор и мелких трещин.
Приблизительно марку углеродистой стали можно определить пробой на искру. Если испытываемый образец прижать к вращающемуся шлифовальному кругу, то образуется пучок искр. Форма и цвет искр меняются в зависимости от количества углерода и легирующих добавок. Пучок прямых линий представляет собой светящиеся частицы горящего железа, ответвления от прямых линий — вспышки частиц углерода. С увеличением встали содержания углерода основные светящиеся линии делаются короче и тоньше, а разветвления увеличиваются. Стали с содержанием углерода 0,15—0,20% дают соломенно-желтый цвет искр, стали с содержанием углерода 0,25—0,50% — светло-желтый цвет, а с содержанием углерода от 0,6 до 1,1 % —белый цвет. Стали с более высоким содержанием углерода дают темно-красный цвет искр.
Стали поставляются предприятиям по видам проката. На торце полосы, уголка или другого профиля наносится краска в зависимости от марки стали. Углеродистые стали обыкновенного качества марок СтО, БСтО, Ст1 окрашиваются на торце в красный и зеленый цвета, БСт1, Сг2, БСт2 — в белый и черный, ВСт2, СтЗ, БСтЗ, ВСтЗ — в желтый, Ст4, БСт4 — в красный, ВСт4, Ст5, БСт5 — в черный, ВСт5, Стб, БСтб — в синий цвет.
Углеродистая качественная конструкционная сталь марок 0,8, Юкп, 10, 15, 15кп, 20 окрашивается на торцах в белый цвет, сталь 25, 30, 35, 40 — в белый и желтый цвета, сталь 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 —в белый и коричневый цвета, сталь 15Г, 20Г, 25Г, ЗОГ, 35Г, 40Г — в коричневый цвет.
Легированные конструкционные стали: хромистые — в зеленый и желтый цвета, марганцовистые—в коричневый и синий, хромоникелиевые — в желтый и черный, хромомолибденовые — в зеленый и фиолетовый цвета.
Высоколегированные стали окрашиваются на торце: хромоникелевые— в алюминиевый и красный цвета, хромоникелетитановые — в алюминиевый и синий цвета.

Свариваемость стали

Свариваемостью называется способность металлов образовывать при установленной технологии сварки сварное соединение, металл шва которого имел бы ме¬ханические свойства, близкие к основному металлу.
При определении понятия свариваемости различают металлургическую и технологическую свариваемость.
Металлургическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых деталей, в результате которых образуется неразъемное сварное соединение. На границе соприкосновения соединяемых деталей происходят физико-химические процессы, протекание которых определяется свойствами соединяемых металлов. Однородные металлы (одного химического состава) обладают одинаковой металлургической свариваемостью. Сварка разнородных металлов может не произойти, так как свойства таких металлов иногда не в состоянии обеспечить протекание необходимых физико-химических процессов в зоне сплавления, поэтому эти металлы не обладают металлургической свариваемостью.
Под технологической свариваемостью понимается возможность получения сварного соединения определенным способом сварки. При различных способах сварки происходит окисление компонентов сплавов. В стали, например, выгорает углерод, кремний, марганец, окисляется железо.
В связи с этим в определение технологической свариваемости входит определение химического состава, структуры и свойств металла шва в зависимости от способа сварки, оценка структуры и механических свойств околошовной зоны, склонности стали к образованию трещин, оценка получаемого при сварке сварного соединения.
Технологическая свариваемость устанавливает оптимальные режимы и способы сварки, технологическую последовательность выполнения сварочных работ, обеспечивающие получение требуемого сварного соединения. На свариваемость оказывают влияние углерод и легирующие элементы, входящие в состав стали.
О свариваемости стали известного химического состава судят по эквивалентному содержанию углерода. Для этого каждый легирующий элемент оценивают с точки зрения его влияния на твердость (закаливаемость) стали.По свариваемости стали подразделяются на четыре группы: первая группа — хорошо сваривающиеся, вторая— удовлетворительно, третья — ограниченно, четвертая — плохо сваривающиеся.
К первой группе относятся стали, у которых Сэкв не более 0,25%. Эти стали при обычных способах сварки не дают трещин. Сварка этих сталей ведется без подогрева и после сварки не требуется последующей термообработки, получаются сварные соединения высокого качества.
Ко второй группе относятся стали, у которых Сэкв находится в пределах 0,2—0,35%. Для получения сварных соединений с хорошим качеством требуется строгое соблюдение режимов сварки, применение специального присадочного металла, особо тщательной очистки свариваемых кромок и нормальные температурные условия, а в некоторых случаях предварительный подогрев до 100— 150° С с последующей термообработкой.
К третьей группе относятся стали, у которых Сэкв в пределах 0,35—0,45%. К этой группе относятся стали, которые в обычных условиях сварки склонны к образованию трещин. Сварка этих сталей ведется с предварительным подогревом до 250—400° С с последующим отпуском.
К четвертой группе сталей относятся стали, у которых С экв более 0,45%. Такие стали трудно поддаются сварке и склонны к образованию трещин. Сварка этих сталей должна выполняться с предварительным подогревом и последующей термообработкой.
Классификация основных марок стали по свариваемости приведена в табл. 44.
В процессе сварки в сварном соединении возможно образование трещин. По расположению относительно оси шва они могут быть продольными и поперечными. Трещины являются наиболее опасным дефектом, так как исправление их требует сложной подготовки. Часто трещины ведут к неисправимому браку.
ли по сравнению с влиянием углерода. Эквивалентное содержание углерода может быть определено из выражения:

В зависимости от температур, при которых они образуются, трещины разделяются на две группы: горячие (высокотемпературные) и холодные (низкотемпературные).

44. Классификация основных марок стали по свариваемости

Горячие трещины возникают в процессе кристаллизации металла шва. Горячими трещинами называют микро- и макроскопические трещины, проходящие, как правило, по границам кристаллов, а потому вызывают межкристаллическое разрушение. Причинами образования горячих трещин являются неправильное жесткое закрепление свариваемых деталей и повышенное содержание в металле шва серы, углерода, кремния и никеля. Для уменьшения опасности образования горячих трещин необходимо применять сварочные материалы с повышенным содержанием марганца и минимальным количеством серы и углерода, вводить в металл шва модифицирующие элементы (титан, алюминий, медь), производить 1 парку с предварительным подогревом и последующей термообработкой.
Для определения стойкости металла шва против образования горячих трещин проводится технологическая проба на свариваемость — «проба института электросварки им. Е. О. Патона». Образец для испытания представляет собой пластину размерами 200X400 мм (рис. 106). Пластина имеет четыре отверстия диаметром d с треугольным надрезом глубиной 2,5 мм на всю толщину пластины. Пластина двумя поперечными швами приваривается к швеллеру № 20. На пластину наплавляется продольный валик. Готовый образец замораживают углекислотой, после чего подвергают удару пятикилограммовым копром.
Холодные трещины образуются при температурах ниже 300° С в результате возникновения в сварных соединениях значительных внутренних напряжений. Холодные трещины проявляются после окончания сварки.
В закаливающихся сталях образование холодных трещин вызывается влиянием водорода, поступающего из металла в околошовную зону. Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется применять сварочные материалы с минимальным содержанием фосфора, сварку производить на оптимальных режимах. Шов после сварки проковать.
Для определения стойкости металла против образования холодных трещин используется технологическая проба на свариваемость (проба Кировского завода). Для этого в середине пластины (рис. 107) из испытуемой стали делают выточки диаметром 80 мм так, чтобы металл в месте выточки имел толщину 2, 4 и 6 мм. На пластину в центре выточки наплавляют валик, в процессе наплавки нижнюю поверхность пластины охлаждают проточной водой или воздухом. После охлаждения пластины из нее вырезают образцы для изготовления макрошлифов. По этим шлифам судят о наличии трещин в сварном шве и околошовной зоне и оценивают стой¬кость металла против образования холодных трещин.