КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.
По способу производства различают мартеновскую, бессемеровскую, томасовскую, кислородно-конверторную, тигельную и электросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают сталь основную и кислую. По химическому составу — углеродистые и легированные стали*. По назначению углеродистые стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цементируемые — от 0,025 до 0,3% С, улучшаемые термообработкой от 0,3 до 0,5% С, пружинные — от 0,5 до 0,8% С; инструментальные — от 0,7 до 1,3% С.
Углеродистые стали
Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные
В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь обыкновенного качества согласно ГОСТ 380-71, разделяют на три группы А, Б, В, учитывающие поставки:
сталь группы А – поставляют потребителям по механическим свойствам;
сталь группы Б – по химическому составу;
сталь группы В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7. По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а также прочность и твердость, но снижается пластичность и ударная вязкость.
Сталь группы Б изготовляют тех же марок, но перед маркой стали ставят букву Б (БСт0, БСт1кп). Сталь группы В изготовляют следующих марок: ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5._|
Стали обыкновенного качества применяют для строительных конструкций и неответственных деталей машин. Если из этой стали изготовляют сварные строительные конструкции, то в ней ограничивается содержание углерода, серы, фосфора, азота и других примесей, ухудшающих качество сварки.
Углеродистая конструкционная сталь обычного качества выпускается в виде проката — листов, уголков, балок, прутков и т. д. Углеродистые стали специального назначения имеют дополнительные индексы, например стали для мостовых конструкций — СТЗ мост.
Как уже отмечалось в зависимости от степени раскисления сталь может быть кипящей, спокойной и полуспокойной. Кипящую сталь обозначают индексом «кп», спокойную «сп» и полуспокойную «пс». Спокойная сталь обладает более высокими показателями сопротивления динамическому нагружению и ударной вязкости. Буквы М (мартеновская) и Б (бессемеровская) в марках стали означают способ выплавки. Так, мартеновскую спокойную сталь обозначают МСт. 2сп, бессемеровскую кипящую — БСт. Зкп.
Качественные конструкционные углеродистые стали в зависимости от содержания марганца разделяют на две группы (ГОСТ 1050—74):
I группа — стали с нормальным содержанием марганца (0,5кп, 0,8кп,…, 20, 25,…, 85, где цифры показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента);
II группа — стали с повышенным содержанием марганца (15Г, 20Г,... 70Г, где буква Г означает, что сталь содержит 0,7—1,2% Мп).
Содержание серы и фосфора должно быть не больше 0,04% (каждого).
Малоуглеродистые стали 08кп и 05кп широко применяют в виде листов для штамповки различных деталей (кузова, фары и т. д.).
Малоуглеродистые качественные стали 10, 15, 20, 25 применяют для сварных и клепаных конструкций, а также для деталей, подвергающихся цементации или цианированию (втулки, пальцы, шестерни, и т. д.).
Среднеуглеродистые качественные стали 30, 35, 40, 45 и 50 хуже свариваются, чем стали, указанные выше. Стали 30, 35 и 40 используют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам. Стали 45 и 50 применяют для изготовления деталей, также подвергающихся большим нагрузкам, но после нормализации (коленчатые валы автомобильного двигателя), а также для изготовления мелких деталей с последующей улучшающей термической обработкой.
Высокоуглеродистые качественные стали 55,60, 65 и 70 применяют для изготовления пружин, рессор и зубчатых колес. Высокие эксплуатационные свойства достигаются закалкой с последующим отпуском в интервале 300—400° С.
Инструментальные качественные углеродистые стали предназначены для изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших размеров. Марки этих сталей обозначаются так: буква У и цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, .... У13).
Высококачественные стали содержат более низкое количество серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%), имеют меньшее содержание неметаллических включений, обладают повышенными механическими свойствами.
В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных ставится буква А.
Строительные стали
Наиболее широко в строительстве применяют основную мартеновскую сталь. Для элементов строительных конструкций, не подверженных динамической нагрузке и влиянию низких температур, ранее применяли бессемеровскую сталь. В сварных конструкциях эту сталь применяли только для малоответственных назначений. Применение кислорода в конверторном производстве позволило практически полностью заменить бессемеровскую сталь и значительно расширить область применения стали в строительной технике.
Строительные конструкционные стали в основном предназначены для работы в атмосферных условиях при обычных и пониженных температурах.
Строительные стали должны обладать хорошей свариваемостью (не образовывать трещин в процессе сварки и не снижать ударную вязкость металла вблизи сварного шва), пластичностью, хорошей обрабатываемостью резанием.
Малоуглеродистую сталь обыкновенного качества применяют для изготовления строительных конструкций. По данным институтов электросварки им. Патона и Проектстальконструкции, оптимальный химический состав строительной малоуглеродистой стали следующий: 0,13—0,18% С; 0,1% 51; 0,4-0,6% Мп; до 0,035% 5; до 0.04% Р.
Сталь обычного назначения (ГОСТ 380—71) широко применяется в строительной технике; поэтому остановимся на ней более подробно.
Сталь группы А подразделяют на три категории. Первая категория этой стали нормирует показатели временного сопротивления разрыву и относительного удлинения. Вторая категория кроме первых двух показателей учитывает также изгибе холодном состоянии, а третья еще и предел текучести стали.
Сталь группы В гарантирует не только механические свойства, но и химический состав, что очень важно для строительных сварных конструкции.
В строительстве применяют также низколегированные стали (см. ниже).
Стальные фасонные гнутые профили изготавливают из стали марок Ст0, Ст1, Ст2, Ст3 по ГОСТ 380—71 и стали марок от 08 до 25 включительно по ГОСТ 1050—74.
Стали, предназначенные для изготовления ответственных металлоконструкций, подвергают испытанию на чувствительность к старению после наклепа. Для этого образцы деформируют на 10%. Один образец испытывают на ударную вязкость до старения, другой — после. Старение производят в течение 1 ч при 250°С с последующим охлаждением на воздухе.
Показатель чувствительности стали к деформационному старению определяют по формуле
К = ,
где аи
– ударная вязкость образца в исходном состоянии;
ас
' — то же, после старения.
Если этот показатель более 0,5, из такой стали не разрешают изготовлять металлоконструкции.
Несущие (расчетные) сварные и клепаные конструкции зданий и сооружений изготовляют из мартеновской и кислородно-конверторной стали. Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих только статические нагрузки, применяют в основном мартеновскую сталь.
Нерасчетные элементы конструкций (не несущие большие нагрузки) изготовляют из мартеновской и бессемеровской стали. В случае применения сварки следует использовать стали этих марок по группе Б (ГОСТ 380—71). Сталь группы Б, предназначаемую для изготовления строительных конструкций, проверяют на свариваемость по специальному стандарту.
Стали группы А (ГОСТ 380—71) применяют для неответственных элементов строительных конструкций.
Кровельное железо изготовляют из стали марок МСт1кп, КСт1кп. Поставляют его в виде отожженных листов толщиной 0,38—0,82 мм. Листы испытывают на перегиб с образованием двойного кровельного замка; при этом не должны появляться отслаивания, трещины, надрывы и изломы.
Конструкции из листовой стали: резервуары, газгольдеры, трубопроводы и другие изделия изготовляют из стали различных марок: мартеновской или конверторной, кипящей или полуспокойной. Эти стали малочувствительны к концентрации напряжений, не склонны к хрупкому разрушению и старению после наклепа, обладают хорошей свариваемостью, достаточно высокой ударной вязкостью.
Арматурная сталь для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций подразделяется на четыре класса: А-1, А-II, А-III и А-IV. Стержни класса А-1 изготовляют из стали: СтЗкп, СтЗсп, СтЗпс, ВСтЗкп2, КСтЗпс2: стержни класса А-IIдиаметром от 10 до 40 мм — из стали марки ВСт5сп2.
Мостовые металлические конструкции изготовляют из горячекатаной малоуглеродистой мартеновской стали (ГОСТ 6713—53). Сварные конструкции мостов изготовляют из стали марки М16С. Клепаные конструкции мостов изготовляют из стали марки МСтЗмост. Структура мостовых сталей должна быть мелкозернистой, однородной, без внешних дефектов (раковины, пористость, трещины, волосовины).
Прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость) имеют решающее значение при выборе марки стали для элементов мостовых конструкций.
До последнего времени строительные стали не подвергали упрочнению термической обработкой. Однако исследования показали, что термическое упрочнение малоуглеродистой стали повышает ее механические свойства [предел прочности и предел текучести стали марки МСтЗкп увеличился на 20–30%; ударная вязкость при температуре –20°С составляет не менее 40 Дж/см2
(4 кгсм/м2
). Термическую обработку осуществляют после прокатки; такая обработка, упрочняя сталь, позволяет уменьшить массу конструкции на 15–20%.
Строительные стали можно упрочнить холодной обработкой давлением, а также высокотемпературной термомеханической обработкой при прокатке.
Алюминий и сплавы на основе алюминия
Алюминий — металл серебристо-белого цвета, трехвалентен, находится в II группе периодической системы элементов, порядковый номер 13. Его атомный радиус 1,43А; имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с параметром от 4,041 до 4,047А, изменяющимся в зависимости от чистоты алюминия. Плотность алюминия в зависимости от температуры имеет следующие значения:
Температура, °С.............. 20 100 400
Плотность, кг/м3
............... 2703 2690 2620
В зависимости от чистоты температура плавления алюминия колеблется 667 до 660° С. Чистый алюминий обладает высокой пластичностью (δ≈40%), небольшой прочностью (σв
≈80 МН/м2
(МПа)), высокой электропроводностью, относительно высокой теплопроводностью, теплоемкостью и коррозионной стойкостью на воздухе. В зависимости от содержания примесей чистый алюминий по ГОСТ 11069—64 подразделяется на особо чистый А999 (99,999% А1) и высокой чистоты А99, А995, А97, А95 и технически чистый А85, А8, А7, А6, А5 и т. д. Примеси значительно снижают электропроводность, теплопроводность и пластические свойства алюминия.
Низкий предел прочности чистого алюминия сильно ограничивает область его применения. В качестве конструкционных материалов промышленность широко применяет сплавы алюминия с другими металлами и неметаллами, сочетающие в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики добавок. За последние годы в технике нашли применение многокомпонентные легированные сплавы на основе алюминия, которые по своим прочностным и другим свойствам конкурируют с традиционными сплавами на основе железа и других металлов.
Все сплавы на основе алюминия подразделяются на два класса — деформируемые и литейные.
Деформируемые алюминиевые сплавы. В зависимости от химического состава деформируемые сплавы можно разделить на следующие семь групп: сплавы на основе системы Аl—Мn (АМц);
сплавы на основе системы Аl—Мg—Si (АД31, ДДЗЗ, АД35, АВ);
сплавы на основе системы Аl—Сu—Mg (Д1, Д16, В65, ВД17, Д18, Д19);
сплавы на основе системы Аl—Мg—Мn (АМг1, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6); сплавы на основе системы Аl—Мg—Zn—Cu (В93, В94, В95, В96);
сплавы на основе системы Аl—Сu—Мg—Ni—Fe (АК2, АК4, АК4-1);
сплавы на основе системы Аl—Si—Мg—Cu (АК6—АК8).
Алюминиевые деформируемые сплавы разделяются на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
Деформируемые алюминиевые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют специальные буквенные обозначения, указывающие характер этой обработки; М (мягкий) — отожженный; Н — нагартованный, Т — термически обработанный (после закалки и естественного старения), Т1 — после закалки и искусственного старения, ТН — нагартованный после закалки и естественного старения, ТНВ — нагартованный после закалки и естественного старения с повышенным качеством выкатки, О — отожженные листы с повышенной
Обработкой давлением в холодном или горячем состоянии из этих cплавов изготавливают трубы, уголки, тавры, плиты, листы и т. д. Высокопластичные термически неупрочняемые сплавы разделяют на «мягкие» (АД, АДО, АД1, АМц, АМг, АМг2) и «твердые» (АМгЗ, АМг5, АМгб). Содержание магния в этих сплавах колеблется от 2 до 7%, а марганца 1,0—1.6%. По структуре эти сплавы представляют однородный твердый раствор марганца, магния, меди и других элементов в алюминии. Упрочнение указанных сплавов достигается деформацией в холодном состоянии (наклеп, нагартовка).
В строительстве и мостостроении термически неупрочняемые алюминиевые сплавы применяют для несущих сварных конструкций (фермы, арки, балки и т. д.), малонагруженных и ненагруженных элементов конструкций здания (кровельные настилы, стеновые панели, дверные и оконные переплеты, арматурные детали).
В строительстве применяют сплавы АМг6М (5,8—6,8% Мg, 0,5— 0,8% Мn, 0,02-0,1 % Тi), АМг5 (4,7—5,7% Мg, 0,2—0,6% Мn), АМг3М (3,2—3,8% Мg, 0,3-0,6% Мn, 0,5-0,8% 51), АМг5ВМ (4,8—5,5% Мg, 0,3—0,6% Мn, 0,02% V). Все эти сплавы обладают высокой коррозийной стойкостью.
Сплав марки АМг6 в состоянии поставки (АМг6М) обладает следующими механическими свойствами: σв
= 320 МН м2
(МПа); НВ 800 МН/м2
(МПа), δ = 20%. Прочность этого сплава по сравнению со сталью марки Ст3 в 1,9 раза больше; по сравнению с легированной сталью марки 15ХСНД — в 1,38, а марки 10ХСНД — в 1,17 раза. Сплав высокой прочности АМг4ВМ (σв
= 280 МН/м2
(МПа), 5 = 15%) применяют для сварных ответственных конструкций.
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы этой подгруппы приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Эти сплавы делят на авиали (АВ, АД31, АДЗЗ), дуралюмин (Д1.Д16, АК6, АК8), сплавы высокой прочности (В96, В95) и специальные сплавы, работающие при повышенных температурах — жаропрочные (АК4, АК4-1, ВД17). Термическая обработка заключается в закалке и последующем старении. Изменение структуры можно проследить по диаграмме состояния системы А1—Си (рис. 55). Выбор температуры закалки определяется левой частью этой диаграммы. При обычной температуре содержание Си составляет 0,5%; с возрастанием температуры растворимость меди в алюминии увеличивается при эвтектической температуре (548° С).
Из диаграммы видно, что алюминий с медью образует ограниченные твердые растворы различной концентрации (в зависимости от температуры) и химическое соединение CuAl2
. Сплавы Al—Сu, содержащие до 0,5% Сu, после медленного охлаждения имеют однофазную структуру α-раствора меди в алюминии; при содержании 0,5— 5,7% Си — двухфазный α-раствор +CuAl2
. Если этот двухфазный сплав нагреть до температуры выше линии предельной растворимости меди в алюминии, то химическое соединение CuAl2
растворится в алюминии и сплав станет однофазным. Это обстоятельство используется при закалке Al—Cu сплавов. При быстром охлаждении примерно с температуры 550° С СиА12
не успевает выделиться из α-твердого раствора и последний зафиксируется в неустойчивом метастабильном состоянии. Этот пересыщенный твердый раствор сохраняется, как правило, около 30 мин (инкубационный период) и в дальнейшем распадается
с выделением соединения CuAl2
. Происходит процесс старения. После старения прочность и твердость увеличиваются. Во время инкубационного периода можно осуществлять пластическую деформацию. По окончании этого периода производить ковку, гибку, отбортовку невозможно.
Естественное старение протекает при комнатной температуре и заканчивается через 4—7 суток. При искусственном старении этот процесс протекает при температуре 150—180° С с выдержкой 2—3 ч.
Выделившиеся дисперсные частицы (θ'-фаза) не отличаются по химсоставу от CuAl2
и вызывают упрочнение сплава; так, например, если алюминиевомедный сплав после отжига имеет предел прочности разрыву σв
=200 МН/м2
(МПа), и свежезакаленный сплав 250 МН/м2
(МПа), то после старения прочность повышается до 400 МН/м2
(МПа).
Если сплав после естественного старения подвергнуть кратковременному нагреву при 150—250° С, то он вновь приобретает свойства свежезакаленного сплава (явление возврата). Это широко используют различных технологических деформацией.
С течением времени сплав, обработанный на «возврат», вновь подвергается естественному старению.
К сплавам низкой прочности σв
< 300 МН/м2
(МПа) относятся марки АМг1, АМг2, АМг3, АМг4,АМг5. Они обладают хорошей коррозийной стойкостью. Средней прочностью σв
- 300 до 450 МН/м2
(МПа) обладают ковочные сплавы АК4, АК6, АК8, а также дуралюмин Д1, Д16, Д19 и др. Их применяют после закалки и искусственного или естественного старения. Холодная пластическая деформация со степенью обжатия 5—10% повышает прочностные свойства дуралюмина. Сплавы высокой прочности (σв
>450 МН/м2
) типа В93, В95 применяют после закалки и искусственного старения.
Литейные алюминиевые сплавы находят в промышленности широкое применение. ГОСТ 2685—63 предусматривает более 35 марок литейных алюминиевых сплавов, которые можно разделить на шесть основных групп (по химическому составу):
На основе системы Al—Si(силумины): АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9, АЛ4М, ВАЛ5 и др.;
Al—Mg: АЛ8, АЛ 13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28, АЛ29 и др.;
А1—Cu: АЛ7; АЛ 19; А1—2п: АЛ 11, АЛ24;
поршневые: АЛ 10В. АЛ25. АЛ26, АЛЗО;
жаропрочные: АЛ1, АЛ20. АЛ21, ВАЛ1, АЦР-1 и др.
Химический состав некоторых из этих сплавов представлен в табл.3.
Таблица 3
Химический состав некоторых литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 2685—63)
Марка сплава | Химический соетан, % Al— основа | |||||
Mg | Si | Mn | Cu | Ti | Прочие моменты | |
АЛ2 АЛ4 АЛ9 |
–0,17–0,3 0,2–0,4 | 10,0–3,0 8,0–0,5 6,0–8,0 | 0,2–0,5 – |
|||
АЛ7 АЛ9 |
– – |
– – |
– 0,6–1,0 |
4,0–5.0 4,5–5,8 | 0,15–0,35 |
|
АЛ27 АЛ 13 АЛ22 АЛ23 AЛ 28 АЛЗ АЛ6 АЛ10В АЛ15В АЛ1 АЛ11 АЛ18 АЛ20 АЛ24 АЛ26 АЛ30 |
9,5–11,5 4,5–5,5 10,5–13,0 6,0–7,0 4,8–6,3 0.35–0,6 – 0,2–0,5 – 1,25–1,75 0,1–0,3 – 0,7–1,2 1.5–2.0 0.4–0,7 0,8–1.3 |
– 0,8–1,3 0.8–1.2 – – 4.5–5.5 4,5–6,0 4,5–6,5 3,0–5.0 – 6,0–8,0 1,5–2,5 1.5–2,0 – 20,0–22.0 11.0–13,0 |
– 0,1-0.4 – – 0,4–1,0 0,6–0,9 – – 0,2–0,6 – – 0,3–0,8 0,15–0,3 0,2–0,5 0.4–0,8 – |
– – – – – 1,5–3,0 2,0–3.0 6,0–8,0 3,5–5,0 3,75–4,0 – 7,5–9,0 3,5–4.5 – 1.5, 2,5 0.8, 1.5 |
0.05–0,15 – 0,05–0,15 0,05–0,15 0,05–0,15 – – – – – – – 0,05–0.1 0,1–0.2 –, – –, – |
0,05–0,1 Sb, 0,05–0,20 Zr – 0,03–0,07 Ве 0,05–0.20 Zr 0,02–0,1 Ве – – – – – 1,75–2.25 Ni 7,0–12,0 Zn 1,0–1.8 Fe 1,2–1,7 Fe 3,5–4,5 Zn 0,1–0,4 Cr, 1,0–2,0 Ni 0,8 Ni, 0,8–1,3 Ni |
В зависимости от условий работы детали и химического состава сплава выбирают тот или иной вид термической обработки. Классификация этих видов в зависимости от назначения детали приведена в табл. 4.
Сплавы на основе системы Al—Si (силумины) обладают хорошими литейными и достаточно высокими механическими свойствами: высокой жидкотекучестью (от 350 до 420 мм при 700° С), небольшой литейной усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин, хорошим отпечатком по полости формы, достаточно высокой
Классификация видов термообработки деталей из литейных алюминиевых сплавов
Вид таримескоа обработки ■ его обозначение | Назначение |
Искусственное старение без закалки Т1 | Улучшение обрабатываемости ретанием для повышения чистоты поверхности. Повышение механической прочности (до 20%) деталей т сплавов АЛЗ АЛ5 и др. |
Отжиг Т2 | Снятие литейных и гермических напряжений, а также наклепа. Повышение пластичности сплава |
44 Закалка Т4 | Повышение прочностных характеристик и коррозийной стойкости деталей, работающих при температурах до 100°С |
Закалка4-неполное искусственное старение Т5 | Получение высокого предела прочности при сохранении хорошей пластичности |
Закалка --(-полное искусственное старение Т6 | Получение максимальной прочности при некотором снижении пластичности |
Закалка-К' тгбилнзируюший отпуск Т7 | Получение достаточно высокой прочности и высоких стабильных свойств по структуре и объемным изменениям |
Закалка -+■ смягчающий отпуск Т8 | Получение повышенной пластичности и стабильных размеров при некотором снижении прочностных характеристик |
§ 2. Строительные алюминиевые сплавы
В строительной индустрии с каждым годом увеличивается применение строительных алюминиевых сплавов в качестве основною конструкционного материала в несущих конструкциях зданий и со- оруженнй, а не только в ограждающих элементах, оконных и дверных переплетах.
Основными достоинствами деформируемых и литейных сплавов являются: значительная удельная прочность, высокая технологичность (в холодном и в горячем состоянии), сохранение высоких прочностных свойств при отрицательных температурах, повышенная I жаростойкость, значительная стойкость против коррозии.
Из сплавов марок Д1, Дб, Д16 изготовляют клепаные несущие конструкции сооружений и зданий (арки, фермы, балки и др.), а также различные элементы конструкций, совмещающих функции ограждающих и несущих конструкций (кровельные панели, каркасы стеновых панелей, подвижные потолки и др.). Для силовых элементов конструкций рекомендуется применять дюралюминий ДО и Д16, а для элементов конструкций средней прочности сплав Д1. Сварку можно применять только в тех конструкциях, в которых сварные швы мало нагружены. Ответственные конструкции не рекомендуется сваривать, так как в околошовной зоне в результате нагрева прочность значительно понижается. Это не относится к сплавам А В, АД 31, АДЗЗ.