Углеродистые и легированные стали

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и ле­гированные.

Углеродистые стали являются сплавами железа с углеродом с нормаль­ными примесями марганца, кремния, серы и фосфора.

Легированные стали представляют собой сплавы железа с углеродом с нормальными примесями и легирующими элементами никеля, хрома и др.

По области применения стали подразделяются на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные стали подразделяются на качественные и обыкновен­ного качества.

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества подраз­деляется на три группы А, Б и В. К стали группы А предъявляются требова­ния по механическим свойствам, группы Б – по химическому составу и группы В – по механическим свойствам и химическому составу.

В свою очередь, сталь каждой группы делят на категории: группа А - на три; группа Б – на две; группа В – на шесть.

Сталь группы А применяют для изделий, при изготовлении которых не выполняется горячая обработка - сварка, ковка и др. Она сохраняет меха­нические свойства, регламентируемые стандартами. Сталь группы Б применяется для изделий, подвергаемых горячей обработке. При этом свойства ее изменяются. Сталь группы В применяется для изделий, подвергаемых сварке. В зоне сварки свойства металла изменяются.

Механические свойства стали группы А приведены в таблице (18.2)

Таблица 18.2–Механические свойства стали углеродистой общего назначения

Группы А

Марка стали	Временное сопротивление σв, МПа	Предел текучести σт, Н/мм2	Относительное удлинение σs, %	Изгиб на 180° (а –толщина образца, d –диаметр оправки) для толщин, мм
до 20	свыше 20
СтО	Не менее 300	–	20–23	d = 2a	Диа- метр оправки увели­чивает­ся на толщи­ну об- разца
Ст 1кп   Ст 1пс, Ст 1сп	300–390   310–410	–	32–35   31–34	d = 0,5a
Ст 2кп   Ст 2пс, Ст 2сп	320–410   330–430	185–215   95–225	30–33   29–32	d = a
Ст Зкп   Ст Зпс, Ст Зсп   Ст 3Гпс Ст 3Гсп	360–460   370–480     370–490 390–570	195–235   205–245     205–245	24–27   23–26     23–26	d = a
Ст 4кп   Ст 4пс, Ст 4сп	400–510   410–530	225–255   235–265	22–25   21–24	d = 2a
Ст 5пс, Ст 5сп   Ст 5Гпс	490–630     450–590	255–285     255–285	17 – 20     17–20	d = 3a
Ст 6пс, Ст 6сп	Не менее 500	295–315	12–15	–

Сталь углеродистая качественная конструкционная поставляется с га­рантией химического состава и механических свойств. Она содержит серы не более 0,04 % и фосфора не более 0,035 % и отличается несколько более высокими механическими свойствами, чем сталь обыкновенного качества. Она выпускается следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс, 08,10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Применяют эту сталь для деталей машин, сварных конструкций.

Инструментальная нелегированная сталь содержит углерода более 0,65 %. Подразделяется на качественную марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У12А, У13А и высококачественную марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Она имеет высокую твердость, износостойкость, достаточную проч­ность и пластичность, применяется для режущих, штамповых, мерильных инстру­ментов и технологической оснастки.

Для повышения качества стали в ее состав вводят один или несколько легирующих элементов: хром, марганец, кремний, никель, молибден, вана­дий, алюминий, титан, бор. Хромистая сталь имеет высокую прочность, хорошо сваривается; марганцовистая – повышенную прочность, пластич­ность, свариваемость; хромомарганцевая – повышенную прокаливаемость и прочность; хромокремнистая сталь применяется для деталей, испытываю­щих в процессе эксплуатации знакопеременные нагрузки; хромоникелевая имеет высокую прочность, вязкость, прокаливаемость; хромоалюминиевая -повышенную твердость, износостойкость, выносливость.

Маркировка легированной стали осуществляется по буквенно-цифровой сис­теме. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: С – кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т–титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт. Первыми двумя цифрами обозначается содержание углерода в сотых долях процента для конструкционных сталей и первой одной цифрой – в десятых долях процента – для инструментальных сталей. Содержание леги­рующего элемента боле 1 % после буквы ставится в процентах в целых единицах. Например, сталь 12ХН3А расшифровывается так: легированная сталь с содержа­нием углерода 0,12 %, хрома X – 1 %, никеля Н – 3 %. Буква А в конце указывает на ограничение серы и фосфора до 0,03 %.

В строительстве применяют преимущественно низколегированные стали с содержанием легирующих элементов не более 2,5 %.

Химический состав и механические свойства некоторых легированных сталей приведены в таблице 18.3.

Таблица 18.3–Механические свойства легированных сталей после термической

Обработки

Марка стали	от, МПа	ов, МПа	85, %	V,%	kcv, Дж/см2
20Г					–
40Г, 40ГР					58,8
20Х					58,8
18ХГ					–

В строительстве сталь применяют для изготовления конструкций, устройства кровель, подмостей, ограждения, для армирования железобетона.

Стальные конструкции испытывают разнообразные нагрузки. Колонны работают на сжатие, балки – на растяжение, рельсы воспринимают ударные воздействия.

Строительные конструкции работают в атмосферных условиях при обычных и пониженных температурах. Для их изготовления применяют хорошо свариваемые стали, не снижающие ударную вязкость вблизи свари­ваемого шва, имеющие высокую пластичность, хорошо обрабатывающиеся резанием.

Чугуны

Чугуны являются железоуглеродистыми сплавами с содержанием угле­рода более 2,14 %. Они подразделяются на белые, серые и ковкие.

В белом чугуне весь углерод химически связан с железом в виде цемен­тита Fе_зС. В изломе – белого цвета с характерным блеском. Имеет повы­шенную твердость и хрупкость. Служит полуфабрикатом для переделки в сталь и для получения ковких чугунов.

В серых чугунах углерод полностью или частично находится в свобод­ном состоянии в виде графита. Содержание углерода не превышает 0,8 %. Из-за графитовых пластинчатых включений серый чугун более хрупкий и менее прочный материал по сравнению со сталью. Предел прочности s_в составляет от 100 до 450 МПа, s_и – от 280 до 650 МПа, твердость от – 120 до 289 НВ.

Серый чугун модифицируют добавками SiCa, FeSi, Al, Mg. Графит при­обретает шаровидную форму. Механические свойства чугуна повышаются. Его называют высокопрочным. Предел прочности при растяжении s_в со­ставляет 350–1000 МПа, твердость – 140–360 НВ.

Серые чугуны называют литейными. Из них методом литья изготавли­вают канализационные трубы, тюбинги метрополитена, отопительные ра­диаторы и др.

Ковкие чугуны получают отжигом (томлением) белого чугуна при тем­пературе 900–950 °С. Графит приобретает форму хлопьев, в результате чего пластичность чугуна повышается. Прочность чугуна s_всоставляет 330–600 МПа, твердость – 165–269 НВ.

Их применяют для деталей, подвергающихся ударным и вибрационным нагрузкам (картеры, редукторы, муфты), для некоторых строительных дета­лей (кронштейны, фитинги).

Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы. Алюминий – легкий металл плотностью 2700 кг/м³, прочностью при растяжении s_в = 80 ... 100 МПа, твердостью 20 НВ.

Он имеет высокую электропроводность, пластичность, коррозионную стойкость.

В строительстве алюминий применяют в виде: пигмента для приготов­ления красочных составов, которыми окрашивают металлические конст­рукций; газообразователя при получении ячеистых материалов; фольги.

На поверхности алюминия образуется тонкая плотная оксидная пленка, стойкая к атмосферной коррозии. Это позволяет применять его для защиты алюминиевых и других сплавов от коррозии.

Для повышения прочности алюминий легируют марганцем, медью, кремнием, железом и др.

Алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые.

К литейным относят сплавы алюминия с кремнием (силумины) с содер­жанием кремния от 6 до 13 %, алюминия с кремнием (4–8,5 %) и медью (4–8,5 %); сплав алюминия с медью (4–6,2 %); алюминия с магнием (4,5–13 %); сплав алюминия с прочими компонентами. Они маркируются буквами АЛ или АК, после которых идет номер сплава.

В технике чаще всего применяются силумины. Для улучшения свойств в их состав, кроме кремния, могут вводиться магний, титан, бериллий. Проч­ность их s_в = 128...334 МПа, твердость – 50–90 НВ. Силумины характери­зуются хорошей текучестью в расплавленном состоянии и малой усадкой. Применяют их для изготовления сложных отливок.

К деформируемым сплавам, обрабатываемым давлением, относят: спла­вы алюминия с марганцем (до 0,8 %); сплавы алюминия с магнием (2,8 %) –магналии; сплавы алюминия с медью (до 5,5 %) и магнием (до 0,8 %) – ду-ралюмины; сплавы алюминия с медью (до 2,6 %), магнием (до 0,8 %), крем­нием (1,2 %) и марганцем (до 0,8 %) – авиаль; сплавы алюминия с цинком, магнием, медью – высокопрочные алюминиевые сплавы и др.

Самыми распространенными деформируемыми сплавами являются ду-ралюмины. Медь и магний упрочняют сплавы, марганец повышает корро­зионную стойкость. Прочность дуралюминов увеличивается после закалки при температуре 495–525 °С и последующим старением на воздухе в тече­ние 4–5 суток. Для повышения коррозионной стойкости листовой алюми­ний плакируют, т. е. покрывают с двух сторон слоем чистого алюминия, и производят совместную горячую прокатку.

Дуралюмины хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавления.

Сплавы алюминия применяются для изготовления прокатных профилей: уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечений. Эффективно его применение при возведении легких конструкций зданий и сооружений, особенно в большепролетных сооружениях, а также конструк­ций и изделий, к внешнему виду которых предъявляются повышенные эсте­тические требования (элементы выставочных павильонов, оконных и двер­ных заполнений).

Медь иее сплавы.Медь – металл красновато-розового цвета. Плот­ность меди составляет – 8,9 г/см³, температура плавления – 1083 °С, прочность –s_в = 150...250 МПа, относительное удлинение d – более 50 %. Она обладает высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью. На поверхности меди образуется темная пленка углекислых соединений меди, называемая па­тиной. Чистая медь из-за высокой стоимости и низкой прочности как конст­рукционный материал не применяется. Из-за высокой электропроводности медь используется в основном в электро- и радиотехнике, а из-за высокой теп­лопроводности применяется для различных теплообменников, нагревателей, холодильников. Из-за высокой коррозионной стойкости ее применяют в хими­ческой промышленности для изготовления трубопроводов, насосов и др.

Основное количество меди используется для изготовления сплавов -латуни и бронзы.

Сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк, называют латунями. Содержание цинка составляет 4–40 %. Они мар­кируются: Л96, Л90, ..., Л60, где цифры указывают количество меди в про­центах. Прочность латуни s_в = 250 ... 400 МПа, относительное удлине­ние

d = 15 ... 35 %. Большую группу медно-цинковых сплавов составляют специальные (многокомпонентные) латуни, легированные одним или не­сколькими элементами: алюминием, никелем, марганцем, оловом и др.

Латуни – самые распространенные сплавы на основе меди, которым при­сущи все основные положительные свойства меди: высокая электро- и теплопроводность, пластичность, коррозионная стойкость, но более высо­кая прочность и технологические свойства.

Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами. Это все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов.

Наибольшее применение имеют оловянные бронзы, где олово – основ­ной легирующий элемент (до 10 %) и в качестве добавок вводятся цинк, свинец, фосфор, никель и др. Маркировка бронз расшифровывается сле­дующим образом. Например, Бр ОЦС 4–4-2,5: Бр – бронза, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, цифры 4; 4; 2,5 – содержание олова, цинка, свинца в про­центах.

Бронзы оловянные подразделяются на два вида – обрабатываемые давлением и литейные. Обрабатываемые давлением имеют прочность s_в = 270 ... 800 МПа и более, относительное удлинение d = 3...40 %, твердость – 60 НВ.

Бронзы обладают удовлетворительной электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошими антифрикционными свойствами. Бронзы, обрабатываемые давлением, обладают хорошей пластичностью, упругостью, сопротивлением усталости.

Применяют бронзы для изготовления водяной и паровой арматуры, подшипников, шестерней, пружин, деталей машин и пр.