Конструкционные стали

Конструкционные стали представляют собой наиболее обширный класс сталей. Формально отличаясь двумя качествами – увеличенной площадкой текучести и определённым процентным содержанием углерода – они обладают хорошей механической обрабатываемостью, что позволяет производить из них детали и конструкции сколь угодно высокой степени сложности.

Классификация видов конструкционных сталей

Беря за основу отечественные марки, конструкционные стали целесообразно классифицировать следующим образом:

1. Углеродистые стали без легирующих добавок, которые производятся в соответствии с техническими условиями ГОСТ 1050.
2. Углеродистые стали с низким процентом легирования ( они используются преимущественно в строительстве и поставляются по ГОСТ 5058.
3. Стали со средней степенью легирования, выпуск которых регламентируется ГОСТ 4543.
4. Качественные рессорно-пружинные стали, выплавка которых осуществляется по ГОСТ 14959.
5. Специальные конструкционные стали, в основном высоколегированные нержавеющие, а также стали с особыми свойствами. Большинство подобной продукции выпускается по ТУ предприятий-производителей, а её химический состав во многих случаях вынуждает относить такие материалы скорее к сплавам на основе железа, чем к сталям.

Общим классификационным признаком, определяющим принадлежность стали к конструкционной, считается процентный состав углерода в готовом продукте. Причём, если нижняя граница данного химического элемента устанавливается довольно точно – 0,05% , то верхняя часто бывает размытой. Формально этим пределом считается значение 0,7…0,85%, но в некоторых случаях таким же процентным содержанием углерода обладают и инструментальные стали.

Характерным примером является сталь марки 60С2, которая у разных металловедов входит то в группу рессорно-пружинных, то в группу инструментальных сталей. Подобное же можно отнести и к таким сталям, как ШХ9, У7А или сталь 75Г.

Поэтому с целью уточнения верней границы содержания углерода в конструкционных сталях дополнительно рассматриваются также следующие два фактора:

• Диапазон текучести, т.е., предельное значение деформации сжатия, при котором стальной образец не теряет своей целостности. При увеличенной длине площадки текучести сталь можно считать конструкционной, в противном случае – инструментальной;
• Процентный диапазон некоторых химических элементов, неизбежно попадающих в сталь при её выплавке. Для примера стоит привести химический состав двух сталей с примерно одинаковым процентным содержанием углерода, но относящихся к разным группам (см. таблицу):

Таким образом, при одном и том же процентном вхождении углерода конструкционные стали в отличие от инструментальной, характеризуются менее жёсткими допусками на наличие примесей, что обуславливает их более высокую пластичность и, соответственно, меньшую твёрдость. Что является основным критерием улучшенной обрабатываемости рассматриваемых сталей.

Далее рассматривается более детальное подразделение конструкционных сталей на подгруппы, а также их особенности.

Нелегированные конструкционные стали

Подразделяются на три подгруппы: низко-, средне- и высокоуглеродистые. К первым можно отнести стали, содержащие до 0,20 % углерода включительно, ко вторым – стали, в составе которых углерода — до 0,45%, к третьим – все остальные.

Характерными особенностями  низкоуглеродистых конструкционных сталей  являются:

1. Чрезвычайно высокая пластичность (например, допустимая степень деформации сталей типа сталь 05кп составляет 90..95%; немногим уступает ей и сталь 08кп).
2. Малая склонность к деформационному упрочнению при повышенных степенях деформации (несмотря на то, что в условиях малых деформаций предел пластичности вначале заметно повышается, последующего прироста практически не происходит).
3. Нечувствительность к упрочняющей термической обработке, из-за чего увеличения прочностных показателей у таких сталей можно добиться только их грамотным деформационным упрочнением.

Основными структурными составляющими низкоуглеродистых сталей являются феррит (являющийся твёрдым раствором углерода в α-железе) и незначительное количество цементита. Поскольку конструкционные стали с минимальным процентным содержанием углерода практически представляют собой чистое железо, то их всех марок они наиболее стойки против коррозии. Вторым эксплуатационным достоинством  низкоуглеродистых конструкционных сталей является их повышенная свариваемость.  Типичные представители низкоуглеродистых сталей – сталь 05 (используется преимущественно в электротехнической промышленности) и сталь 08  (низколегированное исполнение такой стали – сталь 08Ю, с повышенным содержанием алюминия, который облегчает процесс раскисления – применяется в автомобилестроении).

Особо популярны низкоуглеродистые стали при изготовлении сварных конструкций, поскольку обладают наилучшей свариваемостью.

Среднеуглеродистые нелегированные стали считаются наиболее универсальными, поскольку при повышенных прочностных характеристиках обладают всё ещё отличной пластичностью. Поэтому при изготовлении многих деталей промышленного оборудования, машиностроительной и бытовой техники методами холодной штамповки используются именно среднеуглеродистые конструкционные стали: сталь 10, сталь 15, сталь 20 и т.п.  Их иногда дополнительно маркируют также по способу выплавки: так, сталь 10кп означает «кипящая», сталь 10пс – «полуспокойная», сталь 10сп – «спокойная». При этом кипящие стали выделяются своей повышенной пластичностью, но меньшей прочностью. Кроме того, себестоимость выплавки кипящих сталей – минимальная из всех сталей данного класса.

Высокоуглеродистые стали обладают наивысшей прочностью, и, соответственно, наименьшей пластичностью из конструкционных сталей рассматриваемой подгруппы.  Деформирующая  обработка таких сталей сопряжена с повышенными сложностями, а поэтому выполняется преимущественно в горячем или полугорячем состоянии. Исключение составляют разделительные операции холодной штамповки – резка, вырубка, пробивка, что объясняется меньшей зависимостью деформационного упрочнения таких сталей от степени деформации исходной заготовки. Для таких сталей чаще применяется механическая обработка резанием, либо методы формообразования с применением высоких энергий (лазерная и дуговая резка, электроискровая обработка и т.д.). В то же время характерной особенность таких сталей – их способность заметно повысить прочность готовых изделий вследствие выполнения определённой высокотемпературной обработки: закалки, улучшения, либо нормализации.

Именно к среднеуглеродистым конструкционным сталям относится сталь 45 – наиболее универсальная и любимая конструкторами. Её выгодно отличают приемлемое в большинстве случаев сочетание неплохой пластичности и достаточно высокой твёрдости.

Конструкционные легированные стали

Дальнейшее повышение конструкционной прочности рассматриваемых сталей возможно вследствие их легирования. Наиболее активно повышают твёрдость такие химические элементы (в порядке убывания), как марганец,  кремний, никель, молибден, вольфрам и хром. Вместе с тем для конструкционных сталей такого типа существенно снижаются допуски на содержание примесей, в частности, серы и фосфора.

Из низколегированных конструкционных сталей наиболее распространена сталь 09Г2С. При достаточно высокой (по сравнению с нелегированными низкоуглеродистыми сталями) прочности, она обладает отличной свариваемостью, а потому особенно интенсивно применяется в строительстве при изготовлении различных сварных металлоконструкций. Штамповке сталь поддаётся только в полугорячем состоянии. Менее употребительны заменители данной стали  — марки 09Г2 и 12ГС.

Номенклатура практически используемых средне- и высоколегированных конструкционных сталей значительно шире. Обычно максимальное число легирующих компонентов у сталей, выпускаемых по ГОСТ, а не ТУ, не превышает трёх: повышенная легирование заметно увеличивает стоимость сложнолегированных сталей.  Поэтому такие стали используются преимущественно в авиакосмических технологиях, при производстве пищевых аппаратов и медицинского оборудования.

Различают следующие основные подгруппы конструкционных сталей, содержащие в значительном количестве легирующие добавки:

1. Хромомарганцевые (типичные представители – стали 18ХГТ, 20ХГР, 35ХГФ и др.);
2. Хромокремнистые (типичные представители – стали 40ХС, 20ХГС, 30ХГСА и др.);
3. Хромоникельмолибденовые и хромоникельванадиевые (типичные представители – стали 20ХМ, 30ХМЮА, 35ХНМ, 40ХМФ, и др.).

Особенность конструкционных легированных сталей заключается в том, что они всегда до и после механической обработки (либо обработки давлением) проходят и термообработку. Чаще всего это закалка в воду или в масло с последующим отпуском.

В результате механические свойства таких сталей существенно повышаются. Например, для стали 30ХГТ (применяется при изготовлении шестерён) они находятся в следующих пределах:

• Предел текучести, МПа – не менее 1300;
• Предел прочности, МПа – не менее 1500;
• Относительное удлинение, % – не менее 10;
• Ударная вязкость, кДж/м2, — не менее 700.

Особую группу конструкционных сталей составляют высокоуглеродистые, как легированные, так и нелегированные.  При содержании углерода более 0,6% заметно увеличиваются упругие характеристики материала. Поэтому такие стали применяются для производства различного рода пружин, рессор и других деталей, где требуется повышенная прочность и твёрдость, при высокой жёсткости изделия.