2.1 Физико-механические свойства сталей

Стали - это сплавы железа с углеродом и добавками других химических элементов, предназначенных для придания ей определенных свойств. По сравнению с другими материалами стали характеризуются высокой прочностью, пластичностью, хорошей свариваемостью, хорошей обрабатываемостью. Свойства большинства сталей можно существенно улучшить термообработкой. Немаловажным фактором являются сравнительно низкая стоимость стали и большая гамма разнообразных видов металлоизделий.

По составу стали разделяют на стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали разделяются на стали обыкновенного качества, стали конструкционные качественные и легированные. Легированные стали в свою очередь разделяются на качественные, высококачественные и особо качественные.

Сталь углеродистая общего назначения (ГОСТ 380-71) в зависимости от вида контролируемых параметров делится на 3 группы:

А - поставляемая по механическим свойствам (в обозначении не указывается);

Б - поставляемая по химическому составу;

В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

Стали, поставляемые по механическим свойствам обозначают буквами Ст и числом в порядке возрастания прочности. Установлено 13 марок сталей, из которых чаще всего применяют стали марок Ст0 и Ст6. Из сталей обыкновенного качества изготовляют крепежные детали, а также корпусные детали методами штамповки или сварки. Стали углеродистые общего назначения, как правило, не подвергаются термообработке.

Из механических свойств всех групп нормируется предел прочности на растяжение - от σ_в =320 МПа, не менее ( Ст0 ), до σ_в =600 МПа, не менее

(Ст6) , и относительное удлинение - от 23 до 12 %, соответственно. Кроме того, нормируется предел текучести σ_т и для некоторых категорий -ударная вязкость.

Пример обозначения: Ст3-3 ГОСТ 380-71 -сталь углеродная общего назначения, поставляется только по механическим свойствам, марка стали Ст3, контролируется предел прочности и относительное удлинение ( категория 3 ).

Сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-74) предусмотрена марок 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 58, 60 с содержанием углерода от 0,06 % не более (сталь 05), до 0,57-0,65 % (сталь 60) . Обозначение марки соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. По степени раскисления выпускается сталь спокойная (в обозначении не указывается), полуспокойная - пс марок 08пс, 10пс, 20пс и кипящая - марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп.

Поставляется горячекатаная и калиброванная - круглая, квадратная, шестигранная, в виде листов, полос, лент, проволоки, а также круглая со специальной отделкой поверхности (серебрянка), без термической обработки (не указывается), термически обработанная (нормализованная) -Т. и нагартованная - Н (для калиброванной стали и серебрянки).

В зависимости от назначения горячекатаная сталь делится на подгруппы:

а - для горячей обработки давлением;

б - для холодной механической обработки;

в- для холодного волочения.

Из механических свойств нормируются твердость, предел текучести, временные сопротивления разрыву, относительное удлинение, относительное сужение, а для ряда марок стали также ударная вязкость. Для нормализованных сталей нормируется временное сопротивление: от σ_в= 330 МПа (сталь 08) до σ_в= 690 МПа (сталь 60) при относительном удлинении от σ = 33 % до σ = 10 % в зависимости от марки стали, для нагартованных сталей (сталь 10...50) σ_в = 420-670 МПа, σ = 8..6 % .

Различают конструкционные низкоуглеродистые цементируемые стали (содержание углерода до 0,25 % ) , стали средне- и высокоуглеродистые (содержание углерода свыше 0,3 % ), которые могут подвергаться термообработке.

По требованиям к испытанию механических свойств, предусмотрены следующие категории стали:

1- без испытаний на растяжения и ударную вязкость (нормируется только твердость);

2- с испытанием на образцах из нормализованных заготовок диаметром 25 мм;

3- то же с диаметром образца до 100 мм;

4. то же на закаленных и отпущенных образцах;

5. то же на нагартованных образцах (для калиброванной стали ). Если в обозначении марки в заказе нет указания на категорию стали,

поставляется сталь категории 2.

Пример обозначения: сталь 30-2-а ГОСТ 1050-74 - сталь углеродистая качественная конструкционная марки 30, 2-й категории, подгруппы а.

В приборостроении стали высокой пластичности (08; 08кп; 10; 10кп) применяются для малонагруженных, термически необрабатываемых и нецементируемых деталей (прокладок, шайб, заклепок, корпусов), а также для деталей, получаемых методом холодной штамповки (преимущественно стали 08; 08кп; и 05кп).

Из стали невысокой прочности (15, 15кп, 20, 25) изготавливают груженые детали (вилки, фланцы, болты, корпусы), термически необработанные, а также подвергающиеся цементации или цианированию с последующей закалкой и отпуском (оси, рычаги, кулачковые валы, шестерни, пальцы, звездочки и т.д.).

Стали средней прочности (35, 40, 45, 50) используют после нормализации, улучшения, закалки с низким отпуском, поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ для изготовления разных деталей приборостроения (осей, рычагов, штифтов, храповиков, упоров, шпонок, шестерен).

Сталь легированная конструкционная (ГОСТ 4543-71) поставляется горячекатаная без термообработки; термообработанная (отожженная или нормализованная) - Т; калиброванная со специальной обработкой поверхности (серебрянка) термообработанная (отожженная, отпущенная, нормализованная или закаленная) - Т; нагартованная- Н.

Для обозначения высококачественных и особо высококачественных сталей в конце марки ставят буквы А или Ш, соответственно.

В зависимости от основных легирующих элементов сталь делятся на группы. В том числе:

хромистая- 15Х, 30ХА, 30ХРА, 40Х, 50Х и др.,

марганцовистая- 15Г, 50Г, 10Г2..50Г2,

хромомарганцовистая с добавками бора, титана, ванадия, молибдена 18ХГ, 18ХГТ, 20ХГР, 25ХГМ, 35ХГФ и др.,

хромомолибденовая, хромомолибденованадиевая- 15ХМ, 30Х3МФ, 4ХМФА,

хромоникеливая, хромоникелевая с бором- 20ХН, 20ХНР, 30ХН3А.

Всего стандартизировано около 100 марок.

В марке первые цифры - среднее содержание углерода (сотые доли процента); буквы- наименование легирующего элемента: В- вольфрам, Г-марганец, Н- никель, Р- бор, С- кремний, Т- титан, Ф- ванадий, Х- хром, Ю- алюминий, М- молибден. Цифры, стоящие после букв, обозначают

примерное содержание легирующего элемента в процентах (при отсутствии цифры - не более 1,5 %).

Легированные стали, как и углеродистые, делятся на цементируемые (до 0,25 % С) и улучшаемые (0,25- 0,5 % С). Поверхностная твердость и износостойкость цементированных деталей из легированных сталей остается на уровне цементированных из углеродистой сталей, но свойства сердцевины у таких деталей оказывается выше. Применяют легированные стали для тех же целей, что и углеродистые, но для более ответственных крупных нагруженных и точных деталей и обязательно в термически обработанном виде.

Коррозионно-стойкие стали легированы значительным (от 13 до 25 %) количеством хрома, а иногда и никелем. Хромистые стали (30Х13, 40Х13) упрочняют термической обработкой, хромоникелевые (Х18Н10Т, ОХ22Н5Т и др.) - только пластической деформацией, они немагнитны (ГОСТ 7350 -77).