Диаграмма состояния железо - углерод

малым содержанием других элементов
Стали, содержащие легирующие элементы (т.е. элементы, специально

вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств)

Углеродистые стали (по качеству)

Качественные –
Содержат 0,04% S (0,03% для инструмен-тальных сталей); 0,035% Р (в особо ответственных случаях <0,02% S, <0,03% P).
Изготовляют по ГОСТ 1050-88.
Выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах.
Маркируют двумя цифрами - среднее содержание углерода в сотых долях процента. При обозначении кипящей и полуспокойной стали в конце марки ставится «кп» или «пс», в случае спокойной стали букв нет. Требования по содержанию примесей более жесткие (S 0,040%, Р 0,035% ).
Пример: 20, 10пс

Обыкновенного качества -
содержат не более 0,05% S, не более 0,04% Р.
Изготовляют по ГОСТ 380-80
Выплавляют обычно в крупных мартеновских печах и кислородных конверторах
Маркируют буквами СТ, затем цифра (0-6) и буквы кп – кипящая; пс – полуспокойная; сп – спокойная
Чем выше цифра (0 – 6), тем выше содержание углерода в стали. В стали всех марок (кроме Ст0) содержание S 0,050%, Р 0,040% (в стали марки Ст0 S 0,060%, Р 0,070% )

Пример: Ст3кп, Ст4пс, Ст6сп.

0,5 % С)
Высокоуглеродистые конструкционные
(до 0,65 % С)
Высококачественные стали применяют

для изделий ответственного назначения. Имеют еще более низкое содержание вредных примесей (серы и фосфора), что сильно удорожает производство, поэтому высококачественные стали чаще бывают не углеродистые, а легированные. При обозначении в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7 – 1,3 % С используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Маркируют У7, У13, где «У» – углеродистая сталь, цифра – содержание углерода в десятых долях процента.

перлит
Эвтектоидные
Содержание углерода ~0,8%; структура - перлит
Заэвтектоидные
Содержание углерода от 0,8 до

2,14%; структура перлит+цементит

– раскислители, вводятся при производстве стали;
S и P присутствуют

всегда, т.к. избавиться от них невозможно.

Скрытые примеси: кислород (О), водород (Н) и азот (N) Присутствуют в малых количествах в любой стали.

Случайные примеси: примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов или случайно

Легирующие элементы – специально вводят в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств. Стали, содержащие такие элементы называются легированными или специальными.

2,5%
Среднелегированные стали, содержание легирующих от 2,5 до 10 %
Высоколегированные

стали, содержание легирующих более 10 %

Классификация по назначению

Конструкционные стали

Применяются в машиностроении и строительстве

Инструментальные стали

Штамповые стали, стали для режущего и мерительного инструмента

Стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами

Стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами:
Коррозионностойкие (нержавеющие) – для изделий, работающих в агрессивных средах;
Жаропрочные и теплоустойчивые – для деталей, работающих при повышенных температурах;
Износостойкие – для деталей машин, работающих в условиях трения (шарикоподшипниковые, высокомарганцовистые, графитизированные стали);
Электротехнические – для изготовления магнитопроводов электротехнического оборудования (электромагниты, трансформаторы, генераторы и др.);
Хладостойкие – для деталей машин, работающих в условиях севера и Сибири;
Магнитные – для изготовления постоянных магнитов, сердечников трансформаторов и др.;
и другие…..

(Ni)
В – вольфрам (W)
М – молибден (Mo)
Ф – ванадий (V)
Т

– титан (Ti)
Ю – алюминий (Al)

Д – медь (Cu)
Г – марганец (Mn)
С – кремний (Si)
К – кобальт (Co)
Ц – цирконий (Zr)
Р – бор (В)
Б – ниобий (Nb)

А

В середине марки стали указывает на легирование азотом (специальные марки)

В конце марки указывает на то, что сталь высококачественная

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента выше 1%, то после буквы указывается среднее значение в целых процентах.

Пример:
Сталь 18ХГТ содержит, %: 0,17 – 0,23 С; 1,0 – 1,3 Cr; 0,8 – 1,1 Mn и около 0,1 Ti
Сталь 38ХН3МФА содержит, %: 0,33 – 0,40 С; 1,2 – 1,5 Cr; 3,0 – 3,5 Ni; 0,35 – 0,45 Mo;
0,1 – 0,18 V; высококачественная

Для инструментальных марок стали первая цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если углерода около 1% или более.

Пример:
Сталь 3Х2В8Ф содержит, %: 0,3 – 0,4 С; 2,2 – 2,7 Cr; 7,5 – 8,5 W; 0,2 – 0,5 V
Сталь 5ХНМ содержит, %: 0,5 С; 0,5 – 0,8 Cr; 1,4 – 1,8 Ni4 0,19 – 0,30 Mo
Сталь ХВГ содержит, %: 0,90 – 1,05 С; 0,9 – 1,2 Cr; 1,2 – 1,6 W; 0,8 – 1,1 Mn

Л – литейная сталь (в конце марки)

автоматные;
Ш – подшипниковые;
Р – быстрорежущие;
Э – электротехнические;
Е – магнито-твердые.
Электротехнические стали:

маркировка 1211, 1313, 2211 и т.д.
Первая цифра – класс по структурному состоянию и виду прокатки;
Вторая цифра – содержание кремния;
Третья цифра – потери на гистерезис;
Четвертая цифра – группа по основной нормируемой характеристике.
Три первые цифры вместе – тип стали;
Четвертая цифра – порядковый номер типа стали.

Строительные стали
(С235, С345, С 590К и др.):
С – строительная сталь;
Цифры – предел текучести проката;
К – вариант химического состава

Особо высококачественные стали в конце могут иметь обозначение способа дополнительного переплава:
ВД – вакуумно-дуговой переплав;
Ш – электрошлаковый переплав;
ПД – плазменно-дуговой переплав;
ВИ – вакуумно-индукционная выплавка.

(от 4 до 10% легирующих элементов)
Высоколегированные (более 10% легирующих элементов)

быстрорежущие стали

Применяют:
- качественные стали марок У7-У13;
- высококачественные стали марок У7А – У13А

У7 – У9 – для режущего инструмента при работе с ударными нагрузками (клейма по металлу, зубила, топоры и т.п.)

У10 – У13 – для режущего инструмента без ударных нагрузок (напильники, острый хирургический инструмент и т.п.)

Применяют :
Стали типа 9Х5ВФ, ХВГ и др.
для изготовления сверл, разверток и др. диаметром до 60 – 80 мм.

Низколегированные стали типа 13Х, 9ХС и др. применяются для инструмента диаметром не более 15 мм (гравировальный инструмент, лезвия безопасных бритв и т.п.)

Применяют стали типа Р18, Р6М5 и др. для изготовления резцов, работающих при больших скоростях.

HRC
Достоинства: низкая стоимость, хорошая обрабатывае-мость давлением и резанием в отожженном

состоянии.

Недостатки: невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента (до 5-6 мм) из-за низкой прокали-ваемости, значительные деформации после закалки.

Легированные стали

Низколегированные – промежуточное положение между углеродистыми и среднелегированными, теплостойкость все еще недостаточная, но прокаливаемость выше, чем у углеродистых  минимальная толщина инструмента до 15 мм.

Среднелегированные – обладают хорошей теплостойкостью (скорости резания увеличиваются) и достаточно высокой прокаливаемостью, что позволяет изготавливать инструмент толщиной до 60 – 80 мм.

Недостатки – возрастает цена за счет легирования и удорожания процесса изготовления.

Твердость готового инструмента 61 – 65 HRC

быстрый), цифры показывают среднее содержание вольфрама – основного легирующего элемента;

затем буквы и цифры, указывающие содержание остальных легирующих. Содержание Cr (до 4%) и С (до 1%) не указывается.

Примеры: Р18, Р6М5, Р6М5К5 и др.

Достоинства – обладают высокой теплостойкостью (сохраняет структуру неизменной при нагреве до 600 – 620 С), что позволяет значительно увеличить скорость резания; обладает высокой прокаливаемостью, что позволяет закаливать детали достаточной толщины и избежать коробления изделий.

Недостатки – дорогостоящее легирование, дорогостоящий процесс производства.

Твердость готового инструмента 63 – 65 HRC

резанием при больших скоростях, при этом получается высокое качество поверхности
Сера

образует включения MnS, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки и снижают трение между стружкой и инструментом.
Фосфор повышает твердость и снижает пластичность  приводит к образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.
Легирование свинцом  округлые включения свинца больше способствуют образованию ломкой стружки, при резании образуется пленка свинца, уменьшающая трение между инструментом и изделием.
Недостатки – такие стали обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению, имеют пониженный предел выносливости.

Маркируют – буква А, цифра (среднее содержание С в сотых долях процента), при повышенном содержании марганца в конце добавляют букву Г.
Примеры: А20, А30, А40Г, А12.
Применяют для изготовления метизов и т.п.

- высокий предел выносливости ;
- повышенная релаксационная стойкость с сохранением
упругих свойств в течение долгого времени.
Для достижения требований стали должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью, а также мелкозернистой структурой (повышение сопротив-ления пластической деформации).
Такие стали обычно легируют Si и Mn – упрочняют феррит, увеличивают прокали-ваемость стали. Si – задерживает распад мартенсита при отпуске.
Пружины из углеродистых, марганцевых и кремнистых сталей работают при 200С;
При 300С – 50ХФА, до 500С – 3Х2В8Ф.
В агрессивных средах – пружины из коррозионностойких сталей типа 40Х13 и др.

Химических состав некоторых марок пружинных сталей, % (ГОСТ 14959-79)

14% Cr сталь устойчива против коррозии в атмосфере, морской воде,

ряде кислот, щелочей и солей.
Коррозионная стойкость достигается за счет образования непрерывной прочной пассивирующей пленки на поверхности металла.

Электрохимический потенциал железохромистой стали

Хромистые ферритные

Хромистые мартенситные

Хромоникелевые аустенитные

Содержат 12 – 25% Cr и 0,07 – 0,2 % С.

Примеры: 08Х13, 12Х13

Содержат 12 – 18% Cr и 0,15 – 1,2 % С.

Примеры: 30Х13, 40Х13

Содержат 12 – 18% Cr, 8 –30 % Ni и 0,02 –0,25% С

Примеры: 12Х18Н10Т, 04Х18Н10 и др.

Применение – подшипники, втулки, ножи и др. детали, работающие в агрессивных средах, трубы теплообменной аппаратуры, в холодильной и криогенной технике, в пищевой промышленности и др.

– способность материала сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде

при высоких температурах.

Fe и O образуют три вида оксидов: FeO, Fe3O4, Fe2O3. До 560 - 600С – плотные Fe3O4, Fe2O3, свыше 600 С – рыхлый оксид FeO.
Для повышения жаростойкости легируют Cr (основной легирующий элемент), Al и Si.
Жаростойкость  с ростом содержания хрома:
40Х9С2 – жаростойкость до 800С, 08Х17Т – до 900С.

Зависимость скорости окисления Fe от Т.

Жаропрочность – способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Достигается легированием элементами с высокой Тпл – Cr, Mo, W, Nb, Ta.
Перлитные стали – 12ХМ, 12Х1МФ и др. Назначение – для крепежа, труб, паропроводов и др., работающих при 500 - 550С.
Мартенситные стали – 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ и др. Детали энергетического оборудования, работающие при 600 - 620С.
Аустенитные стали – 09Х14Н16Б, 45Х14Н14В2М и др. Роторы, диски, лопатки газовых турбин и др., работающих при 600 - 700С.

свойства-ми, не уступающими свойствам основного свариваемого металла и высокого качества

— отсутствия различного рода сварочных дефектов (пор, трещин, шлаковин и др.).

Влияние легирующих элементов на свариваемость стали с 0,2% С.

С – определяет группу свариваемости: - низкоуглеродистые стали (С до 0,25%) свариваются без ограничений;
- среднеуглеродистые стали (до 0,35%) свариваются удовлетворительно, стали с С до 0,45% - свариваются ограниченно;
- высокоуглеродистые стали (С от 0,5%) – трудносвариваемые стали.

Основная масса сталей для сварных конструкций и изделий – низколегированные стали с небольшим содержанием углерода (0,15 – 0,25%).

Кремний (Si) – до 1,7% существенно не влияет; образует тугоплавкие окисные пленки (снижает свариваемость), упрочняет феррит – приводит к трещинообразованию.
Сера (S), фосфор (P) – вредные примеси, снижают свариваемость.
Марганец (Mn), хром (Cr) – чем содержание С, тем сильнее отрицательное влияние Mn и Cr – приводят к охрупчиванию в зоне термического влияния(ЗТВ).
Никель (Ni) - чем содержание С, тем сильнее влияние Ni – повышает склонность к водородному охрупчиванию в ЗТВ.

стыковые; б – угловые; в – тавровые; г – нахлесточные.

Угловые соединения – элементы сваривания расположены под любым углом один к другому, но не несут большой нагрузки. Применяется для различных сосудов, емкостей, резервуаров. Толщина металла 1-3 мм.
Нахлесточные соединения – не требует особенной обработки кромок. Толщина металла не более 12 мм. Чаще всего используется двухсторонний шов, чтобы с противоположной стороны шва не проникала влага.
Тавровые соединения – применяется для сварки колонн, стоек, балок. В сечении это соединение представляет собой букву Т, причем сварочный шов может быть как с одной, так и с двух сторон.

Стыковые соединения - наиболее распространенные, имеют самое низкое значение напряжения, а также меньше всего поддаются деформации в процессе сваривания. Толщина свариваемого металла от 1 до 60 мм.

без разделки кромок (толщина до 8 мм);

II – V-образная разделка

кромок (толщина до 26 мм);

III – U-образная разделка кромок (толщина 20-60 мм);

IV – двусторонняя Х-образная разделка кромок (толщина 12-60 мм).

Послесварочная термообработка – проводится в основном для углеродистых и низколегированных сталей. Цель – снижение остаточного напряжения, повышение пластичности и ударной вязкости, освобождение диффундирующего водорода – отжиг для снятия напряжений.

Послесварочная термообработка коррозионностойких сталей проводится в тех случаях, когда сварная конструкция будет работать в агрессивных средах – цель повысить коррозионную стойкость путем растворения карбидов хрома и перевода хрома в твердый раствор.

продольные, поперечные и др., могут располагаться как в металле шва,

так и в ЗТВ.

Группа 2 – поры: газовая пора, пористость, скопление пор, усадочная раковина и др., располагаются в металле шва.

Группа 3 – твердые включения: шлаковое, флюсовое, оксидное, металлическое; располагаются в металле шва.

Группа 4 – несплавление и непровар – между металлом шва и основным металлом, между сварочными валиками, в корне шва.

Группа 5 – нарушение формы шва: подрез, наплав, смещение, натек, прожог и др.

Группа 6 – прочие дефекты: брызги металла, задиры, утонение металла и др.