Механічні властивості вуглецевих конструкційних сталей звичайної якості
Міністерство освіти і науки України
Харківський державний технічний
університет будівництва та архітектури
6.090200, 6.092500
6.092100, 6.092600
Методичні вказівки
до виконання лабораторних робіт
“Класифікація та маркування вуглецевих сталей”
Харків 2007
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт “Класифікація та маркування вуглецевих сталей” для студентів спеціальностей 6.090200 “Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів”, 6.092500 “Автоматизоване управління технологічними процесами і виробництвами”, 6.092100 “Технологія будівельних конструкцій, виробів і матеріалів”, 6.092100 “Промислове і цивільне будівництво”, 6.092100 “Теплогазопостачання і вентиляція”, 6.092600 “Водопостачання та водовідведення” / Укладачі: Ю.Г. Перетятько, Н.І. Беліменко, С.Б. Агеєнко. - Харків: ХДТУБА, 2007. – 12 с.
Рецензент В.В. Рюмін
Кафедра металевих і дерев’яних конструкцій
Вступ
Студент повинен усвідомити, що залізо-вуглецеві сплави широко використовуються в народному господарстві. Вони є важливими конструкційними матеріалами в машинобудуванні і будівництві.
Студент повинен вміти орієнтуватися в великій кількості сталей і вміти вірно підібрати необхідну сталь з потрібними властивостями.
Мета роботи: вивчення хімічного складу промислових вуглецевих сталей, їх класифікації та маркування.
Прилади, посібники та матеріали
Марочник сталей і сплавів.
Вступ
Залізовуглецеві сплави – сталі і чавуни залишаються найважливішими конструкційними матеріалами у сучасності. Доля вуглецевих сталей складає майже 90 % від загального об’єму виробництва. Ці сталі характеризуються низькою коштовністю у сполученні з задовільними механічними властивостями, оброблюваність різанням і тиском.
1 Загальні положення.
Принципи класифікації вуглецевих сталей.
Сталь – це залізовуглецевий сплав, у якому вуглецю міститься від 0,02% до 2,14%. Сплав з вмістом вуглецю менш ніж 0,02% називається технічно – чистим залізом або залізом Армко. Технічне залізо широко застосовується в електротехніці як магнітном’який матеріал у виробництві сердечників трансформаторів, електромагнітів, у вимірювальних приладах. Сталі промислового виробництва – складні за хімічним складом сплави, крім заліза і вуглецю в них присутні постійні домішки, наявність яких обумовлена технологічними особливостями виробництва (марганець, кремній), або неможливістю повного видалення їх з металу (сірка, фосфор).
Марганець і кремній попадають в сталь з чавуну, а також додаються як розкислювачі. Вони підвищують міцність і твердість металу завдяки їх розчинності у фериті.
Сірка і фосфор – це шкідливі домішки, тому що знижують міцність, пластичність та ударну в’язкість. Сірка попадає в сталь головним чином з вихідної сировини – чавуну, а у чавун – з руди і палива. Вона утворює з залізом сульфід FeS, що входить до складу легкоплавкої евтектики (Тпл=988 
) і розташовується, як правило, по межах зерен. Це робить сталь крихкою при температурі вище 800 . Крихкість при високотемпературній обробці тиском називається червоноламкістю.
Фосфор теж попадає в сталь з чавуну. При цьому фосфор розчиняється у фериті, зміцнює його і робить крихким, особливо при низьких температурах. Фосфор різко підвищує температуру переходу у крихкий стан, тобто викликає холодноламкість сталі.
За класифікацією в залежності від способу виробництва (мартенівський, киснево – конверторний, електровиплавлення) сталі розрізняються вмістом цих домішок. В електропечах виплавляють сталі з мінімальною кількістю шкідливих домішок, але за енерговитратами це найдорожчі сталі. Киснево-конверторні сталі найбільш економічні.
Вуглець найбільш важливий елемент у сталях, він додається спеціально у залізовуглецеві сплави. Вуглець суттєво впливає на властивості при незначній зміні його концентрації, яка визначає кількість м’якого (~80НВ) і пластичного фериту і твердого (~800НВ) і крихкого цементиту. Тому класифікація сталі за призначенням і вмістом вуглецю тісно пов’язані.
Так низьковуглецеві сталі до (0,25%С) дуже пластичні, але відносно маломіцні, застосовуються для виготовлення слабконавантажених виробів (або поверхнево зміцнюються цементацією). Вони відносяться до класу добре зварюваних сталей і використовуються в зварних будівельних конструкціях.
Середньовуглецеві сталі (0,3...0,6%С) мають достатньо високий комплекс таких механічних властивостей як міцність і ударна в’язкість, тому являють собою основні конструкційні матеріали для виготовлення деталей машин і механізмів.
Високовуглецеві сталі (0,7...1,3%С) характеризуються дуже високою твердістю, низькими показниками пластичності і в’язкості. З них виготовляють ріжучий, вимірювальний та штамповий інструмент, а також вироби з високою зносостійкістю.
Таким чином, треба уяснити, що вуглецеві сталі розподіляють на конструкційні та інструментальні. Конструкційні сталі вміщують до 0,7%С, тобто за структурою це доевтектоїдні сталі. Інструментальні сталі (0,7...1,3 %С) – евтектоїдні і заевтектоїдні.
За якістю вуглецеві сталі бувають звичайної якості, якісні і високоякісні. В основу класифікації сталей за якістю лежить вміст шкідливих домішок – сірки і фосфору, неметалевих включень і газів кисню, водню, азоту. Сталі звичайної якості містять до 0,05% сірки і до 0,07% фосфору;
Якісні – не більше 0,04% сірки і 0,035% фосфору;
Високоякісні – не більше 0,025% сірки і 0,025% фосфору.
За ступенем розкислення і характером затвердіння у формі сталі розподіляються на спокійні (сп), напівспокійні (пс) та киплячі (кп). Розкислення – це процес видалення із рідкого металу кисню. Кисень погіршує міцність та особливо пластичність і в’зкість сталей, і щоб запобігти крихкому руйнуванню при низьких температурах проводять розкислення феросплавами: феромарганцем, феросиліцієм та алюмінієм. Феросплави – це продукти доменного виробництва, сплави на основі заліза, у яких міститься велика кількість 
, 
або інших елементів. Так феромарганець вміщує 70...75% , феросиліцій – 9...13% і до 3% .
Кипляча – це не повністю розкислена в печі сталь, вона може бути одержана розкисленням тільки одним феромарганцем. В такій сталі реакція утворення газу СО (за формулою FeO + С = Fe + CO) не зупиняється при розливанні у форму і метал продовжує так би мовити „кипіти” за рахунок виділення бульбашок СО. Ці бульки залишаються в металі у великій кількості і зникають при послідуючому прокатуванні. Це найбільш дешева сталь, а за властивостями – найбільш пластична.
Спокійна сталь – найбільш розкислена, одержується при послідовному розкисленні металу у печі або ковші феромарганцем, феросиліцієм та алюмінієм. Внаслідок введення розкислювача така сталь затвердіває без виділення газів, вона найбільш якісна, але й дорожча.
Напівспокійну сталь отримують при розкисленні у ковші феромарганцем і зменшеною кількістю феросиліцію. За властивостями і вартістю вона є проміжною між киплячою і спокійною сталлю.
2 Маркування вуглецевих сталей
Вуглецеві сталі звичайної якості за ГОСТ 380 – 94, та ДСТУ 2651 – 94 (таблиця 2.1) виготовляють таких марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1пс, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, ..., Ст6пс, Ст6сп.
Ці сталі можуть бути низько (Ст0...Ст4) і середньо вуглецевими (Ст5, Ст6). За ступенем розкислення – киплячими, спокійними і напівспокійними.
Літери Ст визначають „сталь”, цифри – умовний номер марки в залежності від хімічного складу. Чим більший номер – тим більше вміст вуглецю і вище міцність та твердість, але менша пластичність. Із сталей звичайної якості виготовляють рядовий прокат: прутки, балки, швелери, а також листи та труби. Ці сталі широко застосовують в будівництві для зварних, клепаних та болтових конструкцій.
В залежності від призначення і гарантованих характеристик за попереднім ГОСТ 380 – 80 ці сталі розподілялися на три групи:
У сталей групи А гарантовані були тільки механічні властивості, хімічний склад не гарантований. Ці сталі не призначені для термічної обробки і зварювання. Групу поставки сталі А у марці не ставили.
У сталей групи Б був гарантований хімічний склад і випускали такі
Механічні властивості вуглецевих конструкційних сталей звичайної якості
(по ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94))
Таблиця 2.1
| Марка сталі | Масова частка вуглецю, % | Мn, % | Si, % | sВ, МПа | s0,2, МПа | d, % | Призначення |
| Ст0 | Не более 0,23 | – | – | Ненавантажені деталі металоконструкцій, арматура, прокладки, шайби, огородження, кожухи. | |||
| Ст1кп | 0,06 – 0,12 | 0,25 – 0,5 | Не более 0,05 | ||||
| Ст1пс | 0,06 – 0,12 | 0,25 – 0,5 | 0,05 – 0,15 | ||||
| Ст1сп | 0,06 – 0,12 | 0,25 – 0,5 | 0,15 – 0,30 | 320-400 | |||
| Ст2кп | 0,09 – 0,15 | 0,25 – 0,5 | Не более 0,05 | ||||
| Ст2пс | 0,09 – 0,15 | 0,25 – 0,5 | 0,05 – 0,15 | ||||
| Ст2сп | 0,09 – 0,15 | 0,25 – 0,5 | 0,15 – 0,30 | 340-420 | |||
| Ст3кп | 0,14 – 0,22 | 0,30 – 0,60 | Не более 0,05 | 380-400 | Деталі металоконструкцій, що не піддаються термообробці, втулки, вкладиші, болти, гайки, хомути і деталі після цементування, від яких потрібно висока твердість поверхні і невисока серцевини (вали, зубчасті колеса, черв'яки й ін.) | ||
 Ст3пс | 0,14 – 0,22 | 0,40 – 0,65 | 0,05 – 0,15 | 400-430 | |||
| Ст3сп | 0,14 – 0,22 | 0,40 – 0,65 | 0,15 – 0,30 | 480-500 | |||
| Ст3Гпс | 0,14 – 0,22 | 0,80 – 1,10 | Не более 0,15 | ||||
| Ст3Гсп | 0,14 – 0,20 | 0,80 – 1,10 | 0,15 – 0,30 | ||||
| Ст4кп | 0,18 – 0,27 | 0,40 – 0,70 | Не более 0,05 | 420-440 | |||
| Ст4пс | 0,18 – 0,27 | 0,40 – 0,70 | 0,05 – 0,15 | 460-480 | |||
| Ст4сп | 0,18 – 0,27 | 0,40 – 0,70 | 0,15 – 0,30 | 530-560 | |||
| Ст5пс | 0,28 – 0,37 | 0,50 – 0,80 | 0,05 – 0,15 | 540-570 | Металеві конструкції, важелі, осі, стрижні, штоки кільця й ін. | ||
| Ст5сп | 0,28 – 0,37 | 0,50 – 0,80 | 0,15 – 0,30 | 580-620 | |||
| Ст5Гпс | 0,22 – 0,30 | 0,80 – 1,20 | Не более 0,15 | ||||
| Ст6пс | 0,38 – 0,49 | 0,50 – 0,80 | 0,05 – 0,15 | 640-670 | Застосовуються, як правило, після поліпшення, нормалізації. | ||
| Ст6сп | 0,38 – 0,49 | 0,50 – 0,80 | 0,15 – 0,30 | 680-720 | Деталі, що вимагають підвищеної точності: вали, осі, колінчаті вали, гальмові стрічки й ін. |
марки: БСт0, БСт1, БСт2, ..., БСт6 ці сталі підлягають термічній обробці.
Сталь групи В поставляли за хімічним складом і механічними властивостями по нормам для сталей груп А і Б, і випускали таких марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ..., ВСт6. Вони призначені для зварних конструкцій.
В залежності від нормативних показників сталь груп А, Б і В ділиться на категорії, які позначаються цифрами у кінці марки сталі.
Сталь групи А – 1, 2, 3.
Сталь групи Б – 1, 2.
Сталь групи В – 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Сталі всіх груп постачання з номерами марок 1, 2, 3, 4 за ступенем розкислення виготовляються киплячими, спокійними і напівспокійними, а сталі з номерами марок 5, 6 – спокійними і напівспокійними. У сталі марки Ст0 ступінь розкислення не регламентована, вона призначена для невідповідальних конструкцій.
Приклад маркування сталей вуглецевих звичайної якості за ГОСТ 380 – 80:
Сталь БСт4кп2:
Б – група поставки сталі з гарантованим хімічним складом,
Ст4 – номер марки сталі,
кп – ступінь розкислення (кипляча – найменш розкислена),
2 – категорія.
За новими ГОСТ 380 – 94 і ДСТУ 2651 – 94 група поставки не вказується, а хімічний склад повинен відповідати нормам, указаним в стандарті.
Сталь вуглецева конструкційна якісна випускається за ГОСТ 1050 – 94. Якісні сталі менш забруднені неметалевими включеннями, мають менший вміст розчинених газів. Вони більш пластичні і в’язкі відносно сталей звичайної якості, особливо при низьких температурах.
Якісна вуглецева сталь поставляється в різному стані: без термічної обробки, після нормалізації, нагартована; ділиться на гарячекатану і ковану, калібровану, сталь круглу з особливою обробкою поверхні (сріблянку). Ці сталі призначені для виготовлення виробів, що піддають термічній обробці, тому
Механічні властивості вуглецевих конструкційних сталей (по ГОСТ 1050-94)
Таблиця 2.2
| Марка стали | Масова частка вуглецю, % | Властивості після нормалізації | Призначення | ||||
| sВ, МПа | s0,2, МПа | d, % | y, % | НВ | |||
| 0,05 – 0,12 | 340-420 | Деталі з високою пластичністю, цементовані і ціанірувані: втулки, валики, упори, зубчасті колеса, фрикційні диски. | |||||
| 0,07 – 0,14 | 360-450 | ||||||
| 0,12 – 0,19 | 400-490 | Деталі з високою пластичністю, цементовані і ціанірувані, не потребуючої високої міцності серцевини: втулки, валики, упори, зубчасті колеса, сполучні муфти, шпинделі, осі. | |||||
| 0,17 – 0,24 | 440-540 | ||||||
| 0,22 – 0,30 | 480-580 | ||||||
| 0,27 – 0,35 | 520-620 | Те ж, що й у попередньому випадку, і деталі дрібні типу кріпильних, які можуть гартуватися | |||||
| 0,32 – 0,40 | 560-660 | ||||||
| 0,37 – 0,45 | 600-720 | Деталі, що вимагають більш високої міцності при середній в'язкості: осі, колінчаті вали, кронштейни, зубчасті колеса, болти, гайки, шайби, шпонки – після поліпшення. | |||||
| 0,42 – 0,50 | 640-760 | Деталі зносостійкі, працюючі без ударних навантажень – після загартування + відпал | |||||
| 0,47 – 0,55 | 680-800 | ||||||
| 0,52 – 0,60 | 710-830 | ||||||
| 0,57 – 0,65 | 730-850 | Ресори, пружини, деталі, що піддаються абразивному зношуванню. | |||||
| 0,62 – 0,70 | 760-880 | ||||||
| 0,67 – 0,75 | 780-900 | ||||||
| 0,72 – 0,80 | |||||||
| 0,77 – 0,85 | |||||||
| 0,82 – 0,90 | |||||||
| 60Г | 0,57 – 0,65 | 800-920 | |||||
| 65Г | 0,62 – 0,70 | 840-940 | |||||
| 70Г | 0,67 – 0,75 | 840-690 |
стандарт регламентує їх хімічний склад.
Сталь маркується двозначним числом, яке вказує на середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка: 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30 ... 55, 58 (55пп), 60 ... 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г.
Механічні властивості деяких вуглецевих конструкційних сталей приведені у таблиці 2.2.
Сталі вуглецеві інструментальні вміщують вуглецю від 0,7% до 1,3%, вони виготовляються якісними і високоякісними, за ступенем розкислення – тільки спокійними, за структурою в основному - заевтектоїдні і евтектоїдні.
Маркуються вони за ГОСТ 1435 – 90: якісні – У7, У8, У9, У10, У11,У12, У13; високоякісні – У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А.
Літера У означає, що це вуглецева інструментальна сталь, цифра вказує на середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка. Високоякісні сталі в кінці марки мають літеру А. Застосовують ці сталі залежно від умов роботи інструменту. Так, для різального інструменту, що працює без ударів (напилки, мітчики), застосовують сталі більш тверді, тобто з більшим вмістом вуглецю У10, У11, У12. Інструмент, який піддають ударним навантаженням (зубила, молотки), повинен мати деяку в’язкість, тому для його виготовлення застосовують менш тверді сталі з меншим вмістом вуглецю – У7, У8.
3 Зміст звіту про роботу
У звіті необхідно визначити мету роботи, основні теоретичні зауваження про принципи класифікації і маркування вуглецевих сталей та виконати контрольну роботу по визначенню характеристик наданих викладачем вуглецевих сталей за прикладом, що приведений у таблиці 3.3.
Визначення марки сталі та її
характеристик відповідно класифікації.
Таблиця 3.3
| № п/п | Марка сталі | Яка це сталь відповідно класифікації | ||||
| За хімічним складом | Приблизний вміст вуглецю у % | За приз- наченням | За якістю | За характером твердіння (ступенем розкислення) | ||
| Сталь 08кп | Мало-вуглецева | 0,08 | Конструкційна | Якісна ГОСТ 1050 – 94 | Кипляча-найменш розкислена |
Запитання для самоперевірки і контролю підготовленості студентів
1. Яким чином пов’язана класифікація сталей за хімічним складом (вмістом вуглецю) і призначенням?
2. Від чого залежить якість сталі, як класифікують вуглецеві сталі за якістю?
3. Яким чином розрізняється маркування вуглецевих сталей звичайної якості і якісних?
4. Які особливості твердіння у виливниці (формі) киплячих і спокійних сталей. Як розрізняються їх властивості.