8.3. Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема. Это объясняется тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.

Главный недостаток углеродистых сталей - небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Крупные детали изготовляют из сталей без термического упрочнения - в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкций.

По статической прочности (см. табл. 8.1 и 8.3) углеродистые стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества. Это наиболее дешевые стали. В них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как они выплавляются по нормам массовой технологии.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т. п.), а также поковок. В зависимости от гарантируемых свойств их поставляют трех групп: А, Б, В.

Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б или В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях -«сп», полуспокойных - «пс», кипящих «кп», например, Спокойными и полуспокойными производят стали кипящими - всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами (табл. 8.1). Химический состав не указывается.

ТАБЛИЦА 8.1. Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества группы А

Из таблицы следует, что с увеличением номера марки повышается прочность и снижается пластичность стали.

Стали группы А используют в горячекатаном состоянии для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют исходную структуру и механические свойства, гарантируемые стандартом.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом (табл. 8.2). Механические свойства не гарантируются. Стали этой группы предназначены для изделий, изготовляемых с применением горячей обработки (ковки, сварки и термической обработки), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режимов горячей обработки.

Стали группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Их широко применяют для производства сварных конструкций. В этом случае важно знать исходные механические свойства стали,

ТАБЛИЦА 8.2. (см. скан) Массовая доля элементов (%) в углеродистых сталях обыкновенного качества группы Б

так как они сохраняются неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе.

Стали этой группы выпускают марок

Механические свойства сталей группы В соответствуют нормам для аналогичных сталей группы А (см. табл. 8.1), а химический состав нормам для тех же номеров марок сталей группы Б (см. табл. 8.2). Например, сталь имеет механические свойства, аналогичные стали а химический состав — одинаковый со сталью

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что их прочность заведомо обеспечивается Поэтому на выбор стали большое влияние оказывают не столько механические, сколько технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают стали групп Б и В, номеров 1-4, благодаря чему из них изготавливают сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции. Стали группы В, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали и особенно (всех трех групп) широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.

Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большей прочностью, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из сталей групп Б и В подвергают термическому улучшению.

Углеродистые качественные стали. Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 8.3). Маркируются двухзначными числами обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях

процента (ГОСТ 1050-74). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С, сталь 45 - 0,45% С и т. п.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно Химический состав спокойных сталей приведен в табл. 8.3. Кипящими производят стали полуспокойными — . В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более в полуспокойных его количество ограничено 0,17%.

ТАБЛИЦА 8.3. (см. скан) Свойства углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-74)

Продолжение табл. 8.3 (см. скан)

В соответствии с ГОСТ 1050-74 качественные стали производят и поставляют без термической обработки (горячекатаными, коваными), термически обработанными и нагартованными. Механические свойства гарантируются после нормализации (см. табл. 8.3), а также по требованию потребителя после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку - отжига или высокого отпуска.

Качественные стали находят многостороннее применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы.

1. Стали 05, 08, 10 - малопрочные, высокопластичные; из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для

Рис. 8.6. Зависимость механических свойств стали 40 от температуры отпуска (а), диаметра заготовок (б). Отпуск при 580 °С

холодной штамповки различных изделий (см. п. 9.2). Без термической обработки в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

2. Стали 15, 20, 25 — цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т. п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо.

Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; применяются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т. п.), а также для деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от — 40 до 425°С.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые (см. табл. 8.3). Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии - после закалки и высокого отпуска на структуру сорбита - достигаются высокая вязкость, пластичность (рис. 8.6, а) и, как следствие, малая чувствительность к концентраторам напряжений. При увеличении сечения деталей из-за несквозной прокаливаемости механические свойства сталей снижаются (рис. 8.6, б). После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т. п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение, сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается 12 мм. Для деталей (валы, оси и т. п.), испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения, которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного при закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей - 30 мм.

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45, 50. Их применяют после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности

Рис. 8.7. Сечение ходового винта после поверхностной индукционной закалки: I — закаленный слой; 2 — сердцевина

и сопротивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валиков, зубья шестерен и т. п.).

Индукционной закалкой с нагревом ТВЧ упрочняют также поверхность длинных валов, ходовых винтов станков (рис. 8.7) и других деталей, для которых важно ограничить деформации при термической обработке.

Стали с высокой концентрацией углерода (60, 65, 70, 75, 80, 85), а также с увеличенным содержанием марганца преимущественно применяют в качестве рессорно-пружинных. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита для получения высоких упругих и прочностных свойств Стали используют для силовых упругих элементов-плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа.

В нормализованном состоянии стали применяют для прокатных валков, шпинделей станков и других крупных деталей.