Если материал легирован специальными добавками, то для каждого дополнительного компонента предусмотрено буквенное обозначение. После этой буквы указывается числовое значение, которое информирует о доле добавленного элемента в сплаве. В тех случаях, когда в маркировке отсутствует цифровой показатель, это свидетельствует о том, что процент легирующего вещества не превышает 1%.
Конструкционная сталь: особенности, классификация, сферы применения
Конструкционная сталь в настоящее время пользуется огромным спросом благодаря своей функциональности и широкому спектру применения в различных отраслях. Данный материал является незаменимым элементом в производстве промышленных механизмов и в строительстве, поскольку обладает высокой прочностью, отличной пластичностью и устойчивостью к разрушению.
Она находит использование и в других сферах человеческой деятельностью. Например, из конструкционной стали производят детали для различных станков, горячекатаный прокат, пружины, рессоры, мелкие крепежные элементы и многие другие изделия. Однако при выборе конструкционной стали необходимо учитывать, что она бывает нескольких видов, и у каждого из них свои физические и химические характеристики.
Описание конструкционной стали
Конструкции и механизмы, используемые в строительстве и промышленности, должны соответствовать строгим требованиям прочности и надежности. Для их создания применяются материалы, которые имеют определенные технологические свойства. Выбор металла с необходимыми характеристиками — это основа безопасной эксплуатации всей конструкции в различных условиях. В зависимости от своих химических, физических и механических характеристик, таким материалом может выступать конструкционная сталь.
Ключевой особенностью конструкционной стали является ее способность выдерживать как постоянные, так и переменные нагрузки. Часто от нее требуют также высокой износостойкости и антикоррозийных характеристик. Хотя в некоторых случаях стандартная углеродистая конструкционная сталь может удовлетворить предъявляемым требованиям, в других ситуациях её свойства необходимо усиливать за счет легирования различными химическими элементами.
Рекомендуем изучить статьи о металлообработке
Структура сталей данного типа включает такие полезные добавки как железо, кремний, медь, марганец и другие элементы, однако углерод играет основную роль. Именно он наделяет конструкционный металл ключевыми свойствами и определяет его прочностные характеристики. Степень устойчивости материала к хладноломкости, а также его способность выдерживать производственные нагрузки и различные погодные условия зависят от концентрации углерода в сплаве.
Конструкционная сталь классифицируется на несколько классов в зависимости от уровня содержания вредных примесей, таких как сера и фосфор. Чем выше содержание данных элементов, тем ниже порог хладноломкости и красноломкости материала.
Классификация по содержанию серы (S) и фосфора (P) выглядит следующим образом:
- менее 0,05% – конструкционные стали обыкновенного качества;
- менее 0,035% – качественные конструкционные стали;
- менее 0,025% – высококачественные стали;
- менее 0,015% – особо высококачественные стали.
В чем особенность конструкционных сталей
Для многих видов конструкций и деталей механизмов требуется высокая прочность и стойкость к износу, что является необходимым условием для безопасной эксплуатации изделия. Поэтому для изготовления таких компонентов используют специализированные марки сталей, которые относят к категории конструкционных.
Отличные свойства конструкционных сталей обусловлены уникальным сочетанием их физико-химических характеристик, которые обеспечивают способность этого материала выдерживать различные виды нагрузок. Это дает стали повышенное сопротивление к износу и улучшает антикоррозийные качества.
Достижение этих полезных свойств осуществляется благодаря термической и механической обработке, а также легированию, в процессе которого в состав добавляются такие элементы как медь, марганец, кремний и другие химические соединения.
К тому же на физические и химические параметры стали существенно влияет соотношение железа и углерода в ее составе. Варьируя процент содержания углерода в сплаве, можно получать ключевые свойства металла, включая его стойкость к химическому воздействию и устойчивость к механическим нагрузкам, а также к влиянию природных и техногенных факторов.
Различные типы конструкционных сталей
Производственные процессы по выпуску конструкционных сталей, их химический состав и свойства стандартизированы. При этом к различным группам этой продукции применяются разные стандарты. Например, производство и маркировка конструкционных углеродистых сталей должны соответствовать требованиям отечественного ГОСТ 1050.
Существуют и другие ГОСТы, определяющие нормы выпуска такой продукции, такие как ГОСТ 5058 для низколегированных конструкционных сталей, ГОСТ 4543 для среднелегированных сталей и ГОСТ 14959 для пружинно-рессорных сталей. Также изготавливаются специальные марки конструкционных сталей с уникальными антикоррозийными, прочностными и прочими характеристиками, в число которых входят высоколегированные стали и сплавы, чей выпуск регламентируется техническими условиями (ТУ) предприятий-производителей.
Минимальный процент содержания углерода в стали, относимой к конструкции, составляет 0,05%, а максимальный может варьироваться от 0,7% до 0,85%.
Классификация конструктивных сталей может происходить по различным критериям, например:
- По химическому составу — углеродистые, низколегированные, легированные.
- По физическим свойствам — обычные, жаростойкие, увеличенной прочности.
- По области применения — пружинные, подшипниковые, автоматные и прочие.
Строительные конструкции из стальных элементов. Источник: unsplash.com
Согласие посетителя сайта https://smk124.ru на обработку персональных данных
Я добровольно, своей волей и в своих интересах даю согласие компании ООО «СтройМК», расположенной по адресу: https://smk124.ru, на автоматизированную и неавтоматизированную обработку моих персональных данных, включая обработку с использованием интернет-сервисов на сайте https://smk124.ru, на следующие виды:
- персональные данные – номер телефона, адрес электронной почты, фамилия, имя и отчество;
- источник захода на сайт https://smk124.ru и информация о поисковом или рекламном запросе;
- данные о пользовательском устройстве (включая разрешение, версию и другие характеристики, идентифицирующие пользовательское устройство);
- пользовательские клики, просмотры страниц, заполнение форм, показы и просмотры баннеров и видео;
- данные об аудиторных сегментах;
- номер телефона, адрес электронной почты, фамилия, имя, отчество; параметры сессии;
- данные о времени посещения;
- идентификатор пользователя, хранящийся в cookie, с целью повышения информированности посетителей сайта https://smk124.ru о продуктах и услугах ООО «СтройМК», предоставления релевантной рекламной информации и оптимизации рекламы, выполнения договорных обязательств, проведения рекламных кампаний и маркетинговых исследований.
Также я даю возможность ООО «СтройМК» обрабатывать мои персональные данные как посетителя сайта https://smk124.ru, включая их передачу другим партнерам ООО «СтройМК». Компания вправе осуществлять обработку моих персональных данных следующими способами: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, обновление, изменение, использование, передача (распространение, предоставление доступа).
Настоящее согласие вступает в силу с момента моего посещения сайта https://smk124.ru и действует в течение сроков, установленных действующим законодательством Российской Федерации.
Обработка персональных данных осуществляется на основании следующих норм: ст. 24 Конституции Российской Федерации; ст.6 Федерального закона №152-ФЗ «О персональных данных».
Персональные данные обрабатываются до завершения процесса обработки. Также обработка персональных данных может быть прекращена по запросу субъекта данных.
Хранение персональных данных, фиксируемых на бумажных носителях, осуществляется в соответствии с Федеральным законом №125-ФЗ «Об архивном деле в Российской Федерации» и другими нормативными актами в области архивного хранения. Условия или сроки прекращения обработки персональных данных: окончание деятельности ООО «СтройМК».
Какие элементы ухудшают свойства стали
Существует ряд веществ, которые способны снижать качество металла. Чем выше содержание таких примесей, тем нижше его качество. К числу таких вредных добавок относятся:
- Фосфор. Его присутствие вызывает образование трещин на поверхности металла. При механической обработке без нагрева деталь может трещать.
- Сера. Она приводит к растрескиванию стальной поверхности при механической обработке с нагревом. Высокое содержание серы делает металл менее пластичным и более подвергнутым коррозии. Металл со значительной долей серы плохо сварится, что усложняет восстановление сломанных деталей.
- Водород. Увеличенный процент водорода делает сплав хрупким, подверженным образованию трещин, сколов и разрывов. Вызывает снижение стойкости к окислению и ускоренное появление коррозии.
- Кислород и азот. Эти элементы входят в состав газов и делают металл менее прочным и хрупким.
На заметку: Для определения количества вредных примесей в металле достаточно ознакомиться с маркировкой; производители всегда указывают содержание таких элементов в материалах.
Какими свойствами обладает конструкционная сталь
- Конструкционные сплавы хорошо поддаются различным видам обработки: их можно сваривать, резать, гнуть и вытягивать. Процесс обработки не приводит к образованию трещин или дефектов на поверхности заготовок. Сварные швы не снижают рабочих характеристик металла.
- Сталь относится к категории ковких и жидкотекучих материалов, что делает поверхность стального изделия легкой для ремонта. Эта пластичность способствует перераспределению нагрузок в конструкции, позволяя избежать перегрузки в одних участках и недогрузки в других.
К механическим свойствам конструкции относятся высокая прочность, твердость и оптимальная ударная вязкость.
Благодаря таким характеристикам конструкционная сталь применяется в различных областях, включая машиностроение, производство промышленного оборудования и специальные агрегаты.
Виды и марки
Обыкновенного качества
Примером углеродистых сталей общего назначения служит сплав ВСт3сп. Данный металл сваривается без особых проблем и рисков. Прогрев перед сваркой не нужен, однако для металла толщиной более 3,5 см его все же следует проводить. Рабочий диапазон температур стального изделия составляет от –40 до +425 градусов.
Ключевые характеристики ВСт3сп:
- отсутствие чувствительности к флокенам;
- отсутствие хрупкости после отпускания;
- высокоэффективная возможность механической обработки;
- содержание железа не менее 97,8%;
- концентрация марганца в диапазоне от 0,4 до 0,65%.
Качественные
Как уже упоминалось, стали делятся на обыкновенные и высококачественные. К группе улучшенных материалов входят углеродистые сплавы, содержащие легирующие компоненты, которые подвергаются закалке на мартенсит и высокому отпуску. Концентрация углерода варьируется от 0,3 до 0,55%. Хорошим примером такой стали является марка 10, обозначение которой указывает на содержание углерода на уровне 0,1%. Качественные конструкционные сплавы поставляются в следующих формах:
- сортовой прокат;
- тонкие и толстые листы;
- полосы;
- трубы;
- проволока;
- ленты (производимые согласно ГОСТ 6009 от 1974 года).
Сталь марки 10 применяется при температурах от –40 до +450 градусов. Легирующие добавки в ее производстве используют в минимальных количествах, поэтому данный металл считается нелегированным. Отмечаются повышенные пластические свойства этого материала. Для достижения лучшей обрабатываемости, сталь 10 нормализируется при температуре 930-950 градусов. Появление флокенов для этого сплава нехарактерно.
Автоматные
Данные сплавы получили свое название не из-за использования в производстве автоматических винтовок. Они находят применение в изготовлении метизов для строительных нужд и в машиностроении. Чтобы достичь высокой точности обработки поверхности таких сталей, они должны обладать определенными свойствами, которые можно получить только за счет увеличенного содержания серы и фосфора. В этом случае автоматная сталь является исключением, где содержание таких элементов стараются повышать до определенных предельных значений.
В отличие от обычных сплавов, автоматные стали легче поддаются обработке на металлообрабатывающих станках. При работе с такими материалами резцы изнашиваются меньше, что является положительным фактором для инженеров и станочников. Готовые метизы обычно обладают низкой шероховатостью и почти не нуждаются в доработке. Автоматные стали могут быть как углеродистыми, так и легированными.
Помимо метизов, из них также производят шестеренки и валы.
Легированные
Изучение легированных сталей считается важным, так как на них часто основываются строительные сварные конструкции. Их высокая коррозионная стойкость — это не единственное их преимущество. Достойным упоминания является тот факт, что лишь с развитием металлургии в XIX веке стало возможным массовое производство этого материала. Добавление кремния не оказывает влияния на вязкость, но при этом увеличивает предел прочности, магнитную проницаемость и электропроводимость.
Обработка и сварка
Конструкционная сталь для получения трубных заготовок часто подвергается холодной радиальной ковке. Однако перед этой процедурой требуется термическое улучшение. Одна из характерных особенностей этого продукта заключается в наличии мелкозернистой и нанокристаллической структуры, что позволяет достичь отличных механических характеристик. Подобного результата удается добиться при механико-термической обработке (той самой радиальной ковке) в холодном состоянии и последующем отжиге.
Ковочная обработка по радиусной схеме обеспечивает повышенную точность и деформацию длинномерных поковок. Этот подход способствует возникновению дробной деформации, так как очаги деформирования перекрываются, что приводит к накоплению высокой степени деформации. При отжиге металла происходит рекристаллизация, что приводит к формированию дисперсной структуры.
Контроль микроскопической структуры производится на основе микрошлифов с применением сертифицированных оптических микроскопов.
Термическое улучшение (в частности для сплава 09Г2С) приводит к образованию сорбитной структуры. В ней может отмечаться также избыточная ферритная фаза. При правильной рекристаллизации получается однородная структура, которая сохраняет свою монолитность на всем сечении стенки заготовки. При оптическом наблюдении сложно обнаружить феррит в этой структуре, так как он практически отсутствует.
Отжигая сталь 09Г2С при температуре 500 градусов, наблюдается ее разупрочнение. Прочность понижается на 15% по сравнению с холоднодеформированным состоянием, но предел прочности меняется незначительно. Относительное удлинение немного увеличивается, но остается примерно вдвое меньше, чем в термоулучшенном состоянии. Последующее прогревание до 300 градусов почти не влияет на прочность, только слегка снижает надежность.
Сварка низкоуглеродистых конструкционных сталей считается наиболее простой. Обычно применяется ручная сварка с обмазочными электродами, при этом важен правильный выбор марки электродов. Процесс подготовки соединяемых частей требует тщательности. Газовая сварка также возможна, и для нее не требуется дополнительных флюсов; идеальной присадкой считается металлическая проволока с небольшой долей углерода, что снижает риск образования пор.
Для ответственных изделий из конструкционной стали лучше использовать сварку в аргоновой атмосфере. Подготовленные изделия требуют нормализации: их нагревают до 400 градусов, затем выдерживают и охлаждают в воздухе. После такой обработки структура металла становится более однородной. Низкоуглеродистый конструкционный металл можно сваривать ручным способом с использованием покрытых электродов, предпочтительно в низком пространственном размещении.
Для электрошлаковой сварки конструкционных сталей рекомендуется использование флюсов. Электроды могут быть как проволочного, так и пластинчатого типа, выбор которых нужно проводить с учетом химического состава сплава. Автоматическая и полуавтоматическая обработка должна проводиться в среде чистого аргона или гелия. В ряде случаев применение высококачественной углекислоты помогает снизить затраты.
Среднеуглеродистые сплавы допускают ковку. Сварка таких сталей затруднена по сравнению с низкоуглеродистыми металлами. Необходимо помнить о том, что основной и наплавленный металл могут иметь разную прочность, и существует риск формирования крупных трещин и непрочных участков рядом со швом. Также возможно появление кристаллизационных дефектов.
