Выпускаемые промышленностью стали делятся на груп­пы по следующим признакам: химическому составу — угле­родистые и легированные, способу производства — марте­новские, бессемеровские, конверторные, электростали; наз­начению— конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

К классу сталей относятся сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода не превышает 1,7%; кроме углерода, углеродистые стали содержат небольшие коли­чества марганца, кремния, а также примеси фосфора и серы.

Легированные стали различного назначения содержат, кроме углерода, также легирующие элементы — повышен­ное количество марганца и кремния, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и другие, что придает этим сталям особые свойства: повышенную прочность и твердость, жа­ростойкость, устойчивость против действия кислот и пр.

Сталь углеродистая обыкновенного ка­чества, изготовляемая в мартеновских печах и бессеме­ровских конвертерах, поставляется по ГОСТ 380—60, а из­готовляемая в конвертерах с продувкой кислородом свер­ху — по ГОСТ 9543—60.

В зависимости от назначения и гарантируемых показа­телей сталь подразделяется на две группы и одну под­группу:

группа А — поставляемая по механическим свойствам;

группа Б — поставляемая по химическому составу;

подгруппа В — поставляемая по механическим свойствам с дополнительными требованиями по химическому составу.

Для стали группы А установлены следующие марки: Ст. 0, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7. Если сталь относится к кипящей, то в обозначении ставится индекс «кп», если к полуспокойной «пс» (например. Ст. Зкп, Ст. 4пс и т. д.), отсутствие индекса означает, что сталь спо­койная. [8]

Гарантируемыми характеристиками для стали группы А являются предел прочности и относительное удлинение. Спо­соб изготовления стали группы А в обозначение марки ста­ли не вводится и указывается только в свидетельстве о ка­честве (сертификате).

Сталь группы Б изготовляют мартеновским, бессемеров­ским и конвертерным способами. Сталь Б мартеновская в обозначении марки имеет букву М, бессемеровская — Б, конвертерная — К (например, МСт.2кп, БСт. З, КСт. Зпс). Бессемеровскую сталь группы Б изготовляют марок БСт. О, БСт. Зкп. БСт.4кп, БСт.5, БСт.6. Гарантируемой характе­ристикой стали группы Б является химический состав.

Сталь подгруппы В изготовляют мартеновским и конвер­терным способами. Мартеновскую сталь В изготовляют сле­дующих марок: ВСт.2кп, ВСт. Зкп, ВСт. З, ВСт.4кп, ВСт.4, ВСт.5. Конвертерную сталь подгруппы В изготовляют тех же марок, что и мартеновскую сталь этой подгруппы, но конвертерная имеет в обозначении марки букву К (напри­мер, ВКСт. 2 кп, ВКСт. 3 ит. д.). Гарантируемыми характе­ристиками для стали подгруппы В являются: предел теку­чести, предел прочности и относительное удлинение; верх­ние пределы содержания углерода, серы, фосфора и кремния; содержание хрома, никеля и меди, которое для каждого из этих элементов не должно превышать 0,30%. Для полуспокойной стали подгруппы В в обозначение мар­ки вводится индекс «ПС».

В табл. 3 приведены содержание углерода и некоторые механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества.

Ст. О — немаркированная строительная сталь, в которой содержание углерода и других элементов может колебать­ся в широких пределах. Она может содержать повышенные количества серы и фосфора. Поэтому сталь Ст. О применя­ют только в неответственных конструкциях.

Влияние основных элементов на свойства углеродистой стали. По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% углерода; среднеуглеродистые — от 0,25 до 0,6% уг­лерода и высокоуглеродистые — свыше 0,6% углерода. С по­вышением содержания углерода возрастают прочность и твердость стали, но ухудшается свариваемость, уменьшает­ся пластичность и увеличивается хрупкость.

Хорошо свариваются низко - и среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35%. При более высо­ком содержании углерода сталь сваривается хуже и при сварке в ней могут появляться трещины. Поэтому сварка сталей с повышенным содержанием углерода требует при­менения особой технологии сварки, а также предваритель - ‘ нйго или сопутствующего подогрева.

Марганец в низко - и среднеуглеродистой стали содер­жится в количестве 0,25—0,8%, доходя в некоторых марках до 0,&%. Его добавляют в сталь для уменьшения вредного влиянияЧкислорода и серы. Марганец при содержании его в указанных пределах существенно не изменяет механичес­ких свойств стали. При большем содержании он увеличи­вает прочность и твердость стали, но снижает ее пластич­ность и ударную вязкость. Сталь с содержанием марганца свыше 1% относится к категории легированных и труднее поддается сварке.

Кремний содержится в низко - и среднеуглеродистой ста­ли в количестве 0,05—0,35%, добавляется при выплавке ста­ли для ее раскисления. В этих пределах он не изменяет ме­ханических свойств стали. Повышение содержания кремния делает сталь более прочной, упругой и твердой, но и более хрупкой.

Сера является крайне вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое соединение, называемое сернистым железом. Сталь с примесью серы делается «крас­ноломкой», т. е. дает трещины при прокатке и ковке в на­гретом состоянии. Это объясняется тем, что сернистое же­лезо расплавляется раньше основного металла и становится жидким уже тогда, когда весь металл нагрет еще только до тестообразного (пластичного) состояния. При ковке такого

металла жидкое сернистое железо нарушает связь между его зернами, что вызывает появление трещин. Содержание серы не должно превышать: в мартеновской и конвертерной сталях 0,055% (в Ст. О — 0,060%), в бессемеровской стали 0,060% (в Ст. О —0,070%).

Фосфор также является вредной примесью в стали. Об­разуемое им химическое соединение — фосфористое желе­зо— более хрупко, чем сама сталь. При большом содержа­нии фосфора сталь становится «хладноломкой», т. е. хруп­кой при нормальной температуре. Содержание фосфора не должно превышать: в мартеновской и конвертерной сталях 0,045% (в Ст. 0 — 0,070%), в бессемеровской стали 0,080% (в Ст. 0 — 0,090%).

Вредными примесями в стали являются также кислород и азот. Кислород присутствует в стали в виде окислов же­леза, марганца и кремния. Кислород способствует красно­ломкости стали. Наиболее вредными являются окислы же­леза и кремния. Азот присутствует в стали в виде соедине­ний с железом (нитридов). Азот вызывает «старение» стали, выражающееся в повышении ее хрупкости с течением вре­мени. Бессемеровская сталь, содержащая повышенное ко­личество азота, склонна по этой причине к старению.

Стальной прокат. Применяемую в сварных конст­рукциях сталь используют в виде проката, штампованных заготовок, литья и поковок. Наиболее широко применяют стальной прокат: листовой, сортовой и фасонный. К листо­вому прокату относятся тонкие листы толщиной до 3 мм и. толстые от 4 мм и выше, шириной до 3000 мм. и длиной до 12 000 мм, а также полосы шириной от 200 до 1050 мм. Сор­товой прокат выпускается в виде различных профилей: двутавровых балок, уголков равнобоких и неравнобоких, швеллеров, прутков круглых, квадратных и шестигранных, проката с периодически изменяющимся сечением профиля и др. К фасонному прокату относятся рельсы, специальные профили для судостроения и др. Особым видом проката являются трубы, которые используются также для соору­жения легких конструкций с помощью сварки. В настоящее время значительно расширено производство гнутых профи­лей разнообразных форм из стальных листов, полос и лент; гнутые профили особенно пригодны для изготовления лег­ких, прочных и экономичных конструкций с помощью сварки.

Качественные углеродистые конструкци­онные стали применяют для изготовления ответствен-

ных сварных конструкций и выпускают по ГОСТ 1050—60, который гарантирует механические свойства и химический состав стали. Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050—60 маркируются цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях про­цента. Например, марки 05; 08; 10; 15; 20 и т. д. означают, что сталь содержит в среднем углерода соответственно 0,05; 0,08; 0,10; 0,15; 0,20% и т. д. Сталь по ГОСТ 1050—60 изго­товляют двух групп:

группа I — с нормальным содержанием марганца (0,25-0,80%);

группа II — с повышенным содержанием марганца (0,70—1,20%).

В марке стали группы II ставится буква Г, указываю­щая, что сталь имеет повышенное содержание марганца,

Легированные стали содержат в своем составе легирующие элементы: марганец, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, титан и др. Они существенно изменяют свойства стали, придают ей большую прочность, твердость, способность выдерживать большие нагрузки, удары, дейст­вие кислот, высокие температуры и пр. При небольших до­бавках легирующих элементов (до 2,5%) стали называют низколегированными в отличие от среднелегированных, со­держащих от 2,5 до 10%, и высоколегированных сталей, со­держащих свыше 10% легирующих элементов.

Низколегированные стали с малым содержанием угле­рода хорошо свариваются. Обладая повышенной прочно­стью по сравнению с обычной углеродистой сталью, низко­легированные стали находят широкое применение в про­мышленности, так как их использование дает значительную экономию металла при производстве сварных конструкций.

Среднелегированные и высоколегированные стали ис­пользуют при изготовлении различной аппаратуры для неф­теперерабатывающей, химической, пищевой и других отрас­лей промышленности. Свариваемость этих сталей зависит от химического состава и, особенно, содержания в них угле­рода, хрома, марганца. Для некоторых марок этих сталей приходится применять специальную технологию сварки и последующую термическую обработку по заданному режиму.

В обозначения марок легированных сталей входят бук­вы и цифры. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в сталь, а стоящие за ней цифры — среднее содер­жание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. В конструкци­онных легированных сталях перед первой буквой всегда стоят две цифры, обозначающие содержание в стали угле - .рода в сотых долях процента. В инструментальных легиро­ванных сталях в начале стоит одна цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Для эле­ментов приняты следующие буквенные обозначения: Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — ко­бальт, М — молибден, Н — никель, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ю — алюминий. Буква А означает, что сталь содержит пониженное количество серы и фосфора и является высококачественной. Стали, предназ­наченные для изготовления стальных отливок, имеют в кон­це обозначения марки букву Л.

Термическая обработка стали. Процесс тер­мической обработки состоит из следующих стадий: 1-я — на­грев до заданной температуры, 2-я — выдержка при этой температуре установленное время и 3-я — охлаждение с не­обходимой скоростью. Для стали применяются следующие способы термообработки.

Нормализация. Состоит в нагреве до температуры, на '30—50° С превышающей критическую точку (800—950°С) для данной стали, некоторой выдержке при этой температу­ре до полного равномерного прогрева и перекристаллиза­ции, а затем охлаждения на воздухе. При нормализации углеродистые, низколегированные и легированные стали получают мелкозернистую структуру, состоящую из ферри­та и перлита (механическая смесь феррита с цементитом). Нормализацию применяют для улучшения структуры изде­лий и снятия оставшихся внутренних напряжений в метал­ле после гибки, ковки и сварки.

Отжиг. Режим нагрева тот же, что и при нормализации, но охлаждение более медленное, осуществляемое вместе с охлаждением печи; применяют для повышения пластично­сти металла перед гибкой, вытяжкой и сваркой. Д зависи­мости от целей термообработки применяют различные виды отжига, а именно: полный перекристаллизационный отжиг для измельчения зерна и снятия внутренних напряжений; диффузионный отжиг с нагревом до 1100—1150° С для вы­равнивания химического состава слитков; отжиг на зернис­тый перлит для улучшения обрабатываемости инструмен­тальных сталей; изотермический отжиг для полного превра­щения аустенита в перлит и получения равномерной структуры. В зависимости от вида применяемого отжига сталь получает ту или иную структуру, сообщающую метал­лу нужные свойства

Закалка. Режим нагрева тот же, но охлаждение быстрое в воде, в 10% - ном растворе едкого натра (для углеродис­тых сталей) или в трансформаторном масле (для специаль­ных сталей)'. При этом углеродистые, низколегированные и легированные стали приобретают мартенситную структуру. Мартенситом называется пересыщенный твердый раствор углерода в чистом железе (феррите). Мартенсит обладает высокой твердостью, но отличается хрупкостью. Скорость охлаждения при закалке в первый момент охлаждения должна быть выше критической скорости закалки, т. е. наи­меньшей скорости охлаждения (град/сек), при которой об­разуется структура чистого мартенсита. Например, для углеродистых сталей, содержащих 0,8—1,0% углерода, кри­тическая скорость закалки равна 400 град/сек, а для сталей, содержащих менее 0,3% углерода, —- более 1200 град/сек. Стали, содержащие более 0,3 и менее 0,8% углерода, имеют критическую скорость закалки ют 400 до 600 град/сек.

При обработке низколегированных и легированных ста­лей закалку применяют для увеличения твердости и проч­ности, за счет частичного снижения пластичности стали. Высоколегированные стали закаливают для получения ха­рактерной для них структуры — аустенитной или ферритной. Малоуглеродистые стали при закалке не изменяют своих механических свойств и поэтому закалке не подвергаются.

Отпуск. Состоит в нагреве до температуры критической точки (720°С), некоторой выдержке при этой температуре до полного равномерного нагрева и последующем охлажде­нии на воздухе или в масле. Получаемая структура зависит от температуры нагрева. Для среднеуглеродистых, высоко­углеродистых, низколегированных и легированных сталей можно получить следующие структуры: сорбитную (550— 700°С), трооститную[9] (400—550°С), мартенситную (200— 400° С).

Отпуск производят после закалки с целью уменьшения твердости и снятия закалочных напряжений. Отпуск после сварки, называемый также низким отжигом (600—680°С), применяют для снятия внутренних термических напряже­ний, возникших в изделии в процессе сварки.

§ 4