Чем определяется качество стали
Перейти к содержимому

Чем определяется качество стали

  • автор:

Определение характеристик материалов металлических конструкций при обследовании зданий

Исходными материалами для оценки качества стали являются рабочие чертежи и сертификаты на металл, электроды, сварочную проволоку, метизы, а также нормативные документы, действовавшие в период возведения объекта.

При отсутствии рабочих чертежей, а также при недостаточности сведений, при обнаружении в конструкции повреждений определение качества стали производят путем лабораторного исследования образцов отобранных из исследуемых конструкций.

При лабораторном исследовании при необходимости определяют химический состав, механические характеристики и другие показатели.

Элементы для пробы отбирают из участков конструкции с наименьшим напряжением, в необходимых случаях места отбора должны быть усилены или устроены страхующие приспособления.

Отбор проб металла производят в соответствии с техническим заданием.

Порядок отбора проб и испытания конструкций производят в соответствии с ГОСТ.

Нормативные значения предела текучести и временного сопротивления стали определяют на основании образцов и испытаний в соответствии с ГОСТ. Марку стали устанавливают на основании химического или спектрального анализа путем сопоставления с нормами действующих стандартов.

Для определения качества стали заклепок определяют химический состав металла и его временное сопротивление срезу.

При определении механических свойств стали болтов производят испытание болтов на разрыв, испытание образцов на растяжение, измерение твердости, а в необходимых случаях определяют ударную вязкость. Для гаек измеряют твердость. Испытание болтов на разрыв производят с навинченной гайкой.

Контроль качества сварных соединений металлических конструкций необходимо осуществлять методами, указанными в СНиП.

При необходимости усиления конструкций с применением электросварки определяют свариваемость стали усиливаемых элементов.

В чугунных конструкциях или их элементах определение качества чугуна производят путем лабораторного исследования его химического состава.

Глава 4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СТАЛИ

Оценка качества стали, составляющая один из этапов обследования зданий при реконструкции, включает в себя определение свойств стали, выявление соответствия этих свойств условиям эксплуатации металлических конструкций и назначение расчетных сопротивлений.

К основным свойствам стали, важным с точки зрения ее работы в строительных металлических конструкциях, относятся: прочность, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, усталостная прочность, свариваемость, коррозионная стойкость.

Зависимость тех или иных свойств зависит от конкретных условий работы конструкций. Так, при эксплуатации конструкций при пониженных температурах особую важность приобретает склонность стали к хрупкому разрушению. Для подкрановых балок важны характеристики усталостной прочности.

Исходными материалами для оценки качества стали служат техническая документация и результаты испытаний. По чертежам КМ устанавливаются марки стали, электродов, метизов и других изделий, принятые при проектировании. По деталировочным чертежам КМД выявляются возможные замены марок в процессе изготовления конструкций. Данные сертификатов позволяют уточнить свойства материалов, заложенных в конструкцию, и степень соответствия этих свойств действующим ГОСТ и техническим условиям на поставку стали. Следует отметить, что сведения, содержащиеся в сертификатах, не полностью отражают свойства материала, использованного в конструкциях.

Как известно, свойства стали обладают определенной изменчивостью и единичные испытания (1—2 образца на партию проката) не могут дать полной характеристики качества стали. Нередко характеристики металла, получаемые при испытании образцов, вырезанных из конструкций, на 10—15% отличаются от указанных в сертификатах. Кроме того, существующая на металлургических заводах практика отбора проб для контрольных испытаний в потоке приводит к разным условиям охлаждения металла образцов и готового проката.

По исследованиям, выполненным в ЦНИИСК, это может привести к завышению результатов контрольных испытаний на 5—10%, поэтому данные сертификатов следует рассматривать лишь как качественную оценку свойств стали и указанные в них значения предела текучести и временного сопротивления не могут быть приняты в качестве расчетных сопротивлений. Если значения механических характеристик, приведенные в сертификатах, близки к нижним пределам, установленным в стандартах, а содержание углерода, серы и фосфора — к верхним, то существует достаточно большая вероятность появления в конструкциях металла, не отвечающего требованиям норм,

Дополнительные сведения о качестве металла можно получить, зная период его производства.

В дореволюционных строительных металлических конструкциях в основном применялось сварочное и литое железо. Нормировались значения временного сопротивления и относительного удлинения. Сварочное железо отличалось малой однородностью. Значение временного сопротивления в сечении проката колебалось в пределах 267—378 МП а. Прочность железа в направлении поперек проката была на 20—30% ниже, чем прочность вдоль проката. Структура волокнистая, с ярко выраженными шлаковыми включениями,

Временное сопротивление при нормированном значении 320 МПа изменялось в пределах 230—490 МПа, а относительное удлинение порядка 10—30%. Ориентировочное значение расчетного сопротивления сварочного железа не превышало 120—140 МПа и в каждом конкретном случае должно быть уточнено.

Литое железо отличалось большей однородностью и прочностью. Временное сопротивление составляло 350—450 МПа, а относительное удлинение было не менее 20%; структура однородная, мелкозернистая. По исследованиям литое железо как по химическому составу, так и по механическим свойствам близко к современной стали, марки СтЗкп, но имеет несколько меньшую однородность, коэффициент вариации по пределу текучести достигает 13%.

В 20-е годы в связи с острой нехваткой металла строительные конструкции нередко выполнялись из случайного материала. Механические свойства этого материала были чрезвычайно неоднородны, Для применения в конструкциях иногда достаточно было провести испытания на холодный изгиб в полевых условиях. Достаточно широко использовались немецкие стали, имевшие повышенное содержание фосфора. Допускалось применение томас-совских сталей. Отмечались случаи, когда при испытании образцов, вырезанных из конструкций, значение временного сопротивления составляло всего 130 МПа, а в месте разрыва обнаруживались объемные шлаковые влкючения. В то же время на многих объектах, сооруженных в этот период, испытания конструкций показали вполне удовлетворительные результаты. В большинстве случаев металл конструкций этих лет можно классифицировать как сталь 0 с расчетным сопротивлением R = 170 МПа.

В 30-х годах разработка и внедрение ОСТов на производство стали способствовали использованию в конструкциях более качественного металла. Исследования показали высокую стабильность свойств стали и хорошую отработку технологии ее изготовления. В строительстве в основном стала использоваться сталь марки СтЗ. Однородность значительно улучшилась и коэффициент вариации по пределу текучести и временному сопротивлению составил 6—9%. Среднее значение предела текучести составляло 261 МПа, временного сопротивления 400 МПа, относительного удлинения 26,3%. Следует сказать, что содержание фосфора и серы немного превышало современные требования и достигало 0,06— 0,08%, но значение ударной вязкости, даже при t = -20°C в среднем составило 0,56 МДж/м2.

С 1937 г. углеродистую прокатную сталь поставляли по ОСТ 2897, Повысилось качество стали и особенно улучшилась ее однородность. Химический состав приблизился к современной стали марки СтЗкп. Применение томассовских сталей было ограничено второстепенными нерасчетными элементами.

Испытания образцов, вырезанных из конструкций, цехов, построенных в 30-х годах, показали значения предела текучести 250-310 МПа, а временного сопротивления не ниже 380 МПа, Порог хладноломкости по результатам испытаний на ударную вязкость составил -10 . — 20°С. Вместе с тем в конструкциях, выполненных в 30-е годы, еще применялась некондиционная сталь пониженного качества. Большое количество конструкций изготовлялось из немецкой стали с повышенным содержанием серы и фосфора. Все эти факторы необходимо учитывать при оценке качества материала. Появившиеся в это время отечественные стали повышенной прочности были использованы только на уникальных объектах и широкого распространения не получили.

В условиях военного времени требования к сталям для строительных конструкций были понижены. Было допущено применение бессемеровских и томассовских сталей. Ряд объектов на Урале, в Сибири и в других районах был выполнен из обезличенной стали, вывезенной из зон боевых действий. Испытания металла производились упрощенным способом на изгиб в холодном состоянии и твердость. Этой стали присваивалась марка СтО.

В конструкциях, построенных в 40-е годы, а также восстановленных после войны, нередко использовались поставленные по репарации из Германии томассовские стали с повышенным содержанием углерода, серы и фосфора. Эти стали при достаточно высокой прочности обладают повышенной хрупкостью и низкой свариваемостью.

Особенностью отечественной стали, выпущенной в период 1943— 1946 гг., является широкое использование легированного металлолома военных лет. Это привело к повышению средних значений прочностных характеристик при увеличении разброса. Сред нестатические значения предела текучести повысились до 300-310 МПа, а временное сопротивление до 440 МПа. Коэффициент вариации увеличился до 9—10%. В 50-х годах эти значения понизились и составили для предела текучести: среднее значение 270—280 МПа, при среднем квадратичном отклонении 20-25 МПа; для временного сопротивления соответственно 430-440 МПа и 20-23 МПа.

В последующие годы статистические характеристики распределения свойств малоуглеродистой стали оставались приблизительно на том же уровне. Как правило, спокойная сталь имеет прочностные характеристики на 20-25 МПа выше, чем кипящая. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение. Существенная разница (до 10%) отмечается между свойствами металла, поставленного с разных заводов [33]. Фасонный прокат обладает повышенными прочностными характеристиками. С уменьшением толщины проката предел текучести и временное сопротивление увеличиваются, особенно при толщинах менее 10 мм [33]. В диапазоне толщины 4—10 мм на каждый миллиметр увеличения толщины значение предела текучести падает на 4-12 МПа.

Начиная с 60-х годов широкое применение в строительных конструкциях получили стали повышенной и высокой прочности. По результатам статистических исследований средние значения предела текучести большинства низколегированных сталей намного выше нормируемых величин, значения нормативных сопротивлений, установленные в стандартах, имеют обеспеченность выше 95%. Исключение составляет сталь марки 09Г2С, для которой среднее значение предела текучести близко к нижнему пределу и нормативное сопротивление имеет недостаточную обеспеченность. Как и для малоуглеродистых сталей профильный прокат обладает более высокой прочностью. С увеличением толщины проката предел текучести уменьшается. Так, для стали марки 10Г2С1 среднее уменьшение предела текучести на 1 мм толщины в диапазоне толщин 16-80 мм составляет 0,85 МПа. Значительно сильнее влияние толщины проявляется в диапазоне 4—10 мм. По исследованиям, выполненным для стали марки 09Г2 [45], снижение предела текучести для этих толщин составляет 7—10 МПа на 1 мм.

Указанные в нормах проектирования расчетные сопротивления устанавливались исходя из анализа всей совокупности свойств металла данной марки. При этом не учитывались особенности отдельных заводов-поставщиков, различия в свойствах металла разных профилей и толщин. При индивидуальном же подходе к каждому конкретному сооружению, выполненному из ограниченного набора профилей и толщин, представляется возможным уточнить значения расчетных сопротивлений, что во многих случаях позволит выявить определенные резервы несущей способности. Это можно сделать на основании испытаний образцов металла, отобранных из конструкций. Кроме того, испытания необходимы, если в технической документации отсутствуют сведения о марках стали, использованных при изготовлении конструкций, и сертификаты, а также в случае, если в конструкциях обнаружены повреждения, связанные с низким качеством стали (хрупкие трещины, расслой и т.д.).

Как показывают результаты обследований, в конструкциях, изготовленных после 1931 г., прочностные характеристики металла не ниже, чем регламентируемые для стали марки СтО. Поэтому, если конструкции эксплуатируются при статических нагрузках и положительной температуре, если напряжения в них не превышают 170 МПа и после реконструкции не предполагается увеличения нагрузок и интенсивности воздействий, то испытания образцов металла можно не проводить.

Учитывая, что свойства проката зависят от типа профиля и толщины, а также завода — поставщика металла, все конструкции разделяются на партии. В одну партию включается прокат одного профиля и толщины, входящий в состав однотипных конструкций (балки, фермы, колонны и т.д.) одного периода строительства. Объем партии не должен превышать 60 т или 100 шт. конструкций. При этом предполагается, что для однотипных конструкций одной очереди строительства каждый вид проката поставляется с одного металлургического завода.

В общем случае комплекс показателей, устанавливаемых при испытании металла эксплуатируемых конструкций, включает в себя определение:

содержания в стали углерода, кремния, марганца, серы и фосфора (для низколегированных сталей дополнительно выявляется содержание легирующих элементов);

временного сопротивления разрыву, предела текучести и относительного удлинения при статическом растяжении;

ударной вязкости при различных температурах в зависимости от условий эксплуатации и после механического старения;

распределения сернистых включений способом отпечатков по Бауману (для кипящих сталей).

Все испытания проводятся в соответствии с действующими стандартами. Образцы и пробы должны быть замаркированы с указанием мест их отбора. Стружка для химического анализа отбирается сверлением на всю толщину проката в трех местах по длине элемента и смешивается. Масса готовой пробы должна быть не менее 50 г. Перед отбором пробы поверхность элемента следует очистить от загрязнений, краски и окалины до металлического блеска.

Испытание на растяжение рекомендуется проводить на плоских образцах с записью диаграммы (ГОСТ 1947—84). При невозможности изготовления плоских образцов эти испытания можно провести на малых точеных образцах. Ударная вязкость определяется на стандартных образцах с надрезом. Элементы для испытания на растяжение и ударную вязкость следует вырезать по направлению действия основного силового потока. При вырезке должны быть обеспечены припуски, предохраняющие образец от влияния наклепа и нагрева.

Наибольший интерес представляет изучение свойств металла наиболее нагруженных элементов конструкций, поэтому предварительно следует выявить элементы, которые имеют наибольший уровень напряжений. Образцы вырезаются из малонапряженных зон этих элементов. Например в элементах ферм из уголков образцы отбираются из выступающих полок уголков в узлах, для поясов разрезных балок — в приопорных сечениях. Вырез должен быть плавным, без надрезов, в необходимых случаях места вырезки образцов должны быть усилены,

Темплеты для снятия отпечатков по Бауману вырезаются из листовой и широкополосной стали — вдоль направления прокатки, из сортового и фасонного проката — поперек направления прокатки. Рабочая поверхность шлифа должна лежать в плоскости, перпендикулярной направлению прокатки. Для листовой и широкополосной стали шлиф должен иметь поверхность 150xt (t — толщина проката, мм); для сортового и фасонного проката поверхность шлифа должна быть равна поперечному сечению профиля или половине профиля от кромки до оси симметрии.

Необходимость проведения тех или иных испытаний зависит от условий работы конструкций.

Для конструкций 1 и 2 (СНиП 11 -23-81), работающих в наиболее тяжелых условиях, проводится весь комплекс испытаний. Если конструкции выполнены из кипящей стали, то рекомендуется также для выявления размеров зерна определить микроструктуру. В конструкциях групп 3 и 4, эксплуатирующихся в отапливаемых помещениях, можно ограничиться только установлением химического состава и испытаниями на растяжение, поскольку опасность хрупкого разрушения таких конструкций мала.

Важным вопросом является определение количества проб и образцов для испытаний. Естественно, что достоверность результатов испытаний при увеличении их числа возрастает. Однако сложность вырезки образцов и усиления этих мест в условиях действующего производства, дополнительные затраты на изготовление образцов и проведение испытаний заставляют ограничить их число минимально необходимым, установленным на основании практики обследований

Для получения наиболее полной информации о механических свойствах стали можно воспользоваться косвенными методами оценки прочности без вырезки образцов. Одним из таких методов является оценка прочности стали по результатам измерения твердости. Под твердостью понимается сопротивление, которое данный материал оказывает проникновению в него другого, более твердого. В отличие от других методов механических испытаний определение твердости не приводит к разрушению образцов или элементов конструкций. Существующие приборы отличаются простотой и компактностью и позволяют проводить испытания непосредственно на конструкциях.

Наиболее распространенными способами оценки твердости являются методы Бринеля и Польди. Интересная методика оценки твердости стали была разработана в ЦНИИПпроектстальконструкции, Волгоградском политехническом институте и ВНИИФТРИ, По результатам определения твердости по эмпирическим зависимостям вычисляется значение временного сопротивления бв и условного предела текучести а. Для строительных сталей твердость по Бринелю НВ обычно не превышает 260 и значения прочностных характеристик могут быть определены по формулам

Однако из-за недостаточной точности этого метода его можно использовать только для предварительной оценки прочности стали и выбора наиболее слабых элементов для последующих испытаний более точными методами. В то же время простота и возможность испытаний практически всех наиболее нагруженных элементов делают этот метод весьма полезным при проведении обследования.

Другая методика для определения механических свойств стали была разработана в МИСИ им. В.В, Куйбышева и в Коммун а рском горно-металлургическом институте [22, 35]. Она основана на определении усилия, необходимого для среза резьбы с записью диаграммы деформирования и позволяет получить характеристику прочностных и пластических свойств стали.

Площадь диаграммы деформирования дает оценку пластических свойств стали. Анализ результатов испытаний стандартных образцов на растяжение и по предложенной методике выявил тесную корреляционную связь между характеристиками, получаемыми по обеим методикам. Коэффициент корреляции составляет 0,8— 0,9. К достоинствам методики следует отнести определение механических характеристик практически без разрушения элементов (диаметр отверстий не превышает 5 мм, глубина составляет небольшую часть толщины проката), возможность изучения свойств металла в малых зонах, например в угловых швах, быстроту проведения испытания и низкую трудоемкость работ.

Склонность стали к хрупкому разрушению оценивается по результатам испытаний на ударную вязкость. Использование силовых, деформационных и энергетических критериев, основанных на линейной механике резрушения, требует специального оборудования; кроме того, толщина металлопроката, применяемого в конструкциях из обычной строительной стали, не позволяет изготовлять образцы для таких испытаний. Поэтому такие методы не могут быть рекомендованы для широкого применения.

Основным типом образцов для ударных испытаний являются образцы с U-образным надрезом. Для наиболее ответственных конструкций могут использоваться образцы с V-образным надрезом. По результатам испытаний при разных температурах определяют порог хладноломкости и сопоставляют его с условиями работы конструкций.

Свариваемость стали является комплексной характеристикой, включающей в себя прочность соединения при различных условиях работы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин, хладноломкость и т,д, В эксплуатируемых сварных конструкциях косвенной оценкой свариваемости материала является состояние сварных соединений. Если при обследовании не обнаружено трещин, вызванных самой сваркой, то дополнительных оценок свариваемости можно не проводить. В клепаных и других конструкциях, не имеющих сварных соединений, оценка свариваемости необходима в том случае, если при их усилении предполагается использование сварки.

Использование специальных технологических проб требует вырезки заготовок из конструкций и достаточно трудоемких испытаний, поэтому их применение может быть рекомендовано только в исключительных случаях. Обычно свариваемость стали эксплуатируемых конструкций оценивают по углеродному эквиваленту, определяемому по формуле

Коррозионную стойкость стали эксплуатируемых конструкций также можно оценить по их состоянию, т.е. виду и степени развития коррозионных повреждений. Косвенно коррозионную стойкость определяют по ее химическому составу. Так, при добавках в стали никеля, хрома и меди ее коррозионная стойкость в промышленной атмосфере повышается. Все строительные стали по коррозионной стойкости можно разделить на три группы [27]. Наименее стойкие марганцовистые стали 09Г2; 14Г2; 14ГСМФР входят в первую группу и в средне- и сильноагрессивной среде имеют повышенную скорость коррозии, Медистые и атмосферостойкие стали 10ХСНД, 15ХСНД, 10ХНДП и другие имеют повышенную коррозионную стойкость й в слабоагрессивных открытых атмосферах могут применяться без специальных защитных мероприятий. Прочие стали, в том числе и малоуглеродистые, имеют промежуточную коррозионную стойкость.

По результатам комплексных испытаний стали и их сопоставлению с нормативными требованиями выявляется соответствие свойств материала новым условиям эксплуатации после проведения реконструкции. В необходимых случаях вводятся ограничения на эксплуатацию, например в горячих цехах с конструкциями, выполненными из кипящих сталей и имеющих пониженную хладостойкость, не допускается остановка технологического оборудования в зимний период; в зимний период на эстакадах для снижения уровня напряжений ограничивается сближение и величина грузов для мостовых кранов и т.д.

При разработке проекта усиления учитывается свариваемость стали. Способ защиты конструкций от коррозии назначается с учетом не только среды, но и коррозионной стойкости стали. Если металл конструкций не удовлетворяет нормативным требованиям и в конструкциях обнаружены серьезные повреждения (трещины, расслой), может быть поставлен’ вопрос об их замене.

Одним из основных результатов оценки качества материала является назначение расчетных сопротивлений. При ограниченном числе испытаний, указанном в табл. 4.1, не представляется возможным использовать их результаты непосредственно для назначения расчетного сопротивления. В этом случае по материалам испытаний устанавливается марка стали или ее аналог в действовавших в период строительства ГОСТах и технических условиях и расчетные характеристики назначаются исходя из опыта эксплуатации конструкций, выполненных из аналогичных сталей,

Расчетное сопротивление основного металла рекомендуется определять делением нормативного значения предела текучести RH на коэффициент надежности по материалу Для сталей, у которых приведенные в сертификатах или полученные при испытаниях значения предела текучести соответствуют требованиям стандартов, действовавших в период строительства, в качестве нормативного принимается минимальное значение предела текучести, указанное в этих документах.

Если приведенные в сертификатах или полученные при испытаниях значения предела текучести ниже указанных в стандартах, то за нормативное принимается минимальное из данных сертификатов или результатов испытаний значение предела текучести.

Стали, применявшиеся до 1932 г. (срока введения первых общесоюзных нормативных документов), имели весьма большой разброс свойств, поэтому для них коэффициент надежности по материалу следует принимать не ниже 1,2.

После введения ОСТа на производство стали однородность металлопроката улучшилась и значение коэффициента 7м Для конструкций, выполненных в период 1932—1982 гг., можно снизить. По результатам статистических исследований для малоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности с пределом текучести dT < 380 МПа можно принять 7м = 1#1- Для сталей более высокой прочности, как правило, прошедших термообработку, разброс свойств увеличивается, поэтому значение 7м следует назначить 1,15. Наконец, для зданий, построенных после 1982 г. и запроектированных по СНиП М-23-81, коэффициент надежности по материалу принимается в соответствии с нормами.

В конструкциях, выполненных до 50-х годов, для сварки нередко использовались электроды с ионизирующей обмазкой. В этом случае, учитывая пониженное качество шва, следует вводить коэффициент условий работы 7СВ = 0,8.

Расчетные сопротивления срезу заклепок определяются по ранее действующим нормам проектирования (СНиП М-В,3-72), при этом, если способ образования отверстий не установлен, то расчетные сопротивления принимаются по группе С.

При большом количестве испытанных на каждую партию образцов (не менее 10) для определения нормативного сопротивления могут использоваться статистические методы. В качестве нормативного сопротивления при этом принимается значение предела текучести, имеющее обеспеченность не ниже 95%, что соответствует основным положениям методики расчета строительных конструкций по предельным состояниям.

Как показывают результаты статистических исследований, плотность распределения предела текучести стали достаточно близко соответствует нормальному распределению

При бесконечно большой выборке и значениях выборочных характеристик, приближающихся к параметрам генеральной совокупности, обеспеченности 95% соответствует к = 1,65. Для ограниченной выборки п статистические характеристики распределения могут отличаться от параметров генеральной совокупности и тем больше, чем меньше выборка. Учитывая это, значение к определяется по формуле

Для наиболее ответственных конструкций, наступление предельного состояния для которых связано с обрушением (потеря устойчивости, любой вид разрушения), доверительную вероятность у следует назначить достаточно высокой и принять ее не менее 0,9, Для элементов и конструкций, имеющих повышенную ответственность, но для которых наступление предельного состояния не связано с обрушением (развитие пластических деформаций и прогибов) значение у можно уменьшить и принять 0,7. Для конструкций, имеющих чисто экономическую ответственность, если наступление предельного состояния не грозит обрушением, значение у можно принять 0,5.

Во всех случаях значение нормативного сопротивления следует принимать не выше минимального предела текучести полученного при испытаниях. Для элементов, подвергнутых испытаниям, в качестве нормативного сопротивления принимается полученное значение предела текучести,

При использовании для определения свойств стали метода среза резьбы для контроля полученных результатов следует из каждой партии вырезать хотя бы по одному образцу и испытать его на растяжение. Для определения расчетного сопротивления коэффициент надежности по материалу принимается аналогично изложенному выше.

Смотрите также:

Классификация стали

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

Классификация сталей и сплавов производится:

  • по химическому составу
  • по структурному составу
  • по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей
  • по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице
  • по назначению

По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

  • малоуглеродистые — менее 0,3% С;
  • среднеуглеродистые — 0,3-0,7% С;
  • высокоуглеродистые — более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

  • низколегированные — менее 2,5%;
  • среднелегированные — 2,5-10%;
  • высоколегированные — более 10%.

Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

  • в отожженном состоянии — доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
  • в нормализованном состоянии — перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству, то есть по способу производства и содержанию вредных примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы:

Группа S, % P,%
Обыкновенного качества (рядовые) менее 0,06% менее 0,07
Качественные менее 0,04% менее 0,035
Высококачественные менее 0,025% менее 0,025
Особовысококачественные менее 0,015% менее 0,025

Стали обыкновенного качества
Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Стбкп.
Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.
Стали качественные

Cтепень раскисления и характер затвердевания металла в изложнице

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложницеделятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.
Стали высококачественные
Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные — в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.
Стали особовысококачественные
Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали
Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Строительные стали
К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям — их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Стали для холодной штамповки
Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.

Цементируемые стали
Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали
К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению — термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали
Высокопрочные стали — это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях — таких, как 30ХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали
Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости — кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали
Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.), обрабатываемых на станках-автоматах. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей — пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.

Износостойкие стали
Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.). Пример износостойкой стали — высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали — легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях — нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость.
Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть:
ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20X17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 — для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
ферритной (15X28) — для растворов азотной и фосфорной кислот; аустенитной (12Х18Н10Т) — в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;
мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) — в фосфорной, уксусной и молочной кислотах.
Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.
Коррозионно-стойкие стали
Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.
— Жаропрочные стали
Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, йодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С — 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С — 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13;
при 600-650’С — 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР,ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.
Жаростойкие стали
Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Сг до +1300°С. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.
Криогенные стали
Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Сг, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Инструментальные стали
Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.

Стали для режущих инструментов
Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.
— Углеродистые инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.
— Легированные инструментальные стали
В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость — до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).
— Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью — до +650вС. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, Р10К5Ф5.

Стали для измерительных инструментов
Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8. У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Штамповые стали

Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.
Стали для штампов холодного деформирования
Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Например Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.
Стали для штампов горячего деформирования
Эти стали должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью. Примером таких сталей могут служить стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ.
Валковые стали
Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов. К валковым сталям относят такие стали, как 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.

Нелегированные конструкционные стали обыкновенного качества в соответствии с ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94) обозначают следующим образом: СтЗсп, Стбкп, СтО и др.
Здесь Ст — буквы, указывающие на принадлежность стали к группе сталей обыкновенного качества; следующая за ними цифра от 0 до 6 указывает на процент содержания углерода. В конце наименования стали приводятся буквы, определяющие степень ее раскисления (кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная).
В обозначение сталей с повышенным содержанием марганца после цифры добавляется также буква Г. Например, СтЗГсп, СтбГпс и др.

Марки стали и классификация сталей

Компания ООО «Анатомика» осуществляет производственную деятельность в области металлообработки и инжиниринга. Специалисты нашей компании реализуют проекты от разработки модели детали до её полного изготовления. В частности, к видам деятельности относятся разработка 3D моделей, технологических карт, управляющих программ, оснастки и инструмента, токарные и фрезерная обработка, слесарные работы и покраска, гальваническая обработка, шлифование, сверление.

Сталь — это металл, который является основным сырьём для металлоизделий промышленного назначения и занимает более 80% от всего объёма потребления стальных сплавов.

Углеродистая сталь — это ковкий сплав железа с концентрацией углерода от 0,02% до 2,14%. В низколегированной стали содержание легирующих добавок: хрома, никеля, молибдена содержится менее 2,5% от всего объёма, не считая углерода. Высокоточная металлообработка использует сталь только определенных марок, о которых будет рассказано ниже.

Общая классификация сталей

расшифровка марки стали фото

Все стальные сплавы, исходя из состава и процентного соотношения примесей и газов, делятся на пять групп:

  1. По химическому составу:
    • углеродистые, помимо железа и углерода, в своём составе содержат постоянные примеси: фосфор, серу, марганец, кремний;
    • легированные марки содержат дополнительные легирующие элементы: кремний, бор, титан, вольфрам, цирконий.
  2. По структуре:
    • отожженое состояние, сплав после термической обработки проходит процесс медленного охлаждения;
    • нормализационный отжиг, особенность технологического процесса заключается в температурном и временном режиме;
  3. По назначению:
    • специальные — высоколегированные конструкционные марки стали с коррозийно-стойкими,жаростойкими свойствами и высоким электрическим сопротивлением;
    • инструментальные углеродистые сплавы идут на производство режущего, ударного инструмента;
    • конструкционная сталь качественной марки СТ0 и СТ1 с наличием примесей фосфора и серы идёт на производство проволоки, крепёжных деталей, гвоздей, пружин, рессор, деталей машин;
  4. По способу раскисления- технологической операции, при которой присутствующий в металле азот, водород и кислород, удаляются или переходят в нерастворимое соединение.

Определение качества сталей

низколегированная сталь фото

Качество железоуглеродистого сплава определяется по совокупности химического состава, структурой металла и физических свойств. Качество металла зависит от содержания посторонних неметаллических вредных примесей: фосфора, серы, кислорода, азота, водорода, снижающих качественные характеристики сплава. Углерод в сплаве с железом снижает пластичность и вязкость металла и придаёт ему твёрдость и прочность.

Маркировка продукции из углеродистой стали проставляется исходя из требований ГОСТа 7566-94, и содержит семь классификаций от 0 до 6.

Высоколегированная сталь — это сплав основных составляющих элементов: железа с углеродом и дополнительных добавок, общее содержание которых более 10%.

Маркировка сталей и расшифровка

Расшифровка марки стали необходима для правильного выбора материала при изготовлении различных изделий. Специалисты, работающие в сфере металлообработки, по указанной маркировке определяют физические свойства металла и его химический состав.

Буквенно-цифровое обозначение говорит о химическом составе металла и его структуре. Нелегированные марки обозначаются буквами (Ст10кп):

высоколегированная сталь это фото

  • Ст-сталь обыкновенная нелегированная строительная;
  • степень раскисления проставляется в конце маркировки (Кп- кипящая степень, Пс -полуспокойная, Сп –спокойная);
  • в марке Ст10, содержание углерода в сплаве 0.10%;
  • Ст20 -0.20%;
  • Ст50 — содержит в своём составе 0.50% углерода.

Маркировка легированной стали отличается от нелегированной. В ней присутствуют элементы, повышающие физические и механические свойства сплава (20ХГСА):

  • две первые цифры – это среднее содержание углерода в сотых долях процента -0.20%;
  • буква (Х-хром) после цифры — наличие химического элемента (все добавки обозначается как в таблице химических элементов);
  • следующие за буквой цифры говорят о количестве элемента в процентах;
  • далее все последующие обозначения — количественное содержание примесей, если цифры отсутствуют, то их содержание не превышает 1%.

Нелегированные марки конструкционной стали электротехнической категории состоят только из цифр (202889, 200253, 196798):

  • первые цифры — тип обработки (1- кованная, 2- калиброванная);
  • второй знак — коэффициент старения (0-ненормируемый,1 или 2-нормируемый)
  • третья – указывает на группу, к которой данная марка относится;
  • последующими цифрами нумеруются характеристики

Из легированной стали 12Х18Н10Т производятся детали, которые эксплуатируются в агрессивных средах: при температуре до +600 0 С, в условиях щелочных, солевых, кислотных растворов.

Маркировка сталей в цифровой и буквенной форме:

  • 12-0.12% содержание углерода;
  • Х18- хрома содержится 18% от общего состава;
  • Н10- 10% никеля;
  • Т-титан, если буквы отсутствуют, то его содержание не более 1%.

Основные марки сталей для изготовления конструкций

автоматная сталь фото

Сплавы обыкновенного качества производятся в плавильных печах и кислородных конвекторах в виде слитков. Застывшие слитки методом горячего проката получают листовую горячекатаную сталь. Большая доля выплавляемого металла идёт на производство восьми видов конструкционной стали, основные из них:

  1. Автоматная сталь предназначена для массового производства на станках широкого спектра разных деталей из металла.
  2. Инструментальные сплавы, предназначенные для изготовления различных инструментов, изделий и оборудования для улучшения их механических свойств подвергают закалке.

Сталь — основной конструкционный материал для добывающей, обрабатывающей промышленности, транспорта, строительства, машиностроения, энергетике и других отраслей народного хозяйства. Если вам потребуется токарная обработка стали, обращайтесь к специалистам нашей компании.

Рассчитайте свой заказ

Отправьте нам чертеж или описание на [email protected] или заполните форму и мы рассчитаем стоимость и сроки выполнения заказа

Анатомика

Оставьте свой номер телефона и наш специалист свяжется с вами в ближайшее время

Меню
Контакты
  • Россия, Казань, ул. Монтажная д.15
  • +7 (903) 305-54-03
  • [email protected]
  • С 8 до 17.00

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *