Стали, их свойства и области применения

История стали

Самые ранние известные образцы стали были обнаружены при раскопках в Анатолии (Турция). Им около 3800 лет, они датируются 1800 годом до нашей эры.[3][4] Высокой репутацией в древности пользовалась индийская сталь. От индийской стали происходит средневековый булат, широко известный в Средней Азии и Восточной Европе[5]. Сталь научились производить в конце эпохи Античности и в Западной Европе. По определённым показателям (упругость) именно из стали изготавливался испанский копис. Сталь позволила сделать акцент с колющего момента на режущий и перейти к сабле (через палаш). В эпоху Средневековья сталь широко применялась для изготовления холодного оружия (Романский меч, Мечи Ульфберта). На Ближнем Востоке была известна дамасская сталь, из которой ковался шамшир. В средневековой Японии из стали-Тамахаганэ изготавливались знаменитые катана, вакидзаси и танто. Существует версия, что японские мечи XI—XIII веков создавались из легированной стали с примесью молибдена[6]. В Европе сталь позволила удлинить мечи, которые впоследствии эволюционировали в шпагу (в XV веке) и рапиру

Технологию литой стали изобретает английский инженер Гентсман, однако в континентальную Европу она проникает лишь в начале XIX века (благодаря Круппу). Нарезная артиллерия с 1854 года изготовлялась из стали (Пушка Армстронга). В XX веке из стали начали изготовлять танковую броню[7]. В армии Кайзеровской Германии времен Первой мировой войны появились стальные шлемы (Штальхельм)

Стали, их свойства и области применения

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 1, 7% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы). Стали, классифицируют по самым различным признакам.

Характеристики стали

Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7, 7 до 7, 9 г/см³ ).

Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).

Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).

Температура плавления: 1450—1520 °C.

Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).

Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C[10]

Классификация сталей

Существует множество способов классификации сталей, таких как по назначению, по химическому составу, по качеству, по структуре.

1.Химический состав стали.

В зависимости от химического состава различают, стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79). В свою очередь углеродистые стали могут быть:

а) малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0, 25%;

б) среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0, 25-0, 60%

в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0, 60%. Легированные стали подразделяют на: а) низколегированные содержание легирующих элементов до 2, 5%; б) среднелегированные, в их состав входят от 2, 5 до 10% легирующих элементов; в) высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

2. Назначение сталей.

По назначению стали бывают: 1) Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

2) Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0, 65% углерода. 3) С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения. С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

3. Качество стали.

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на: 1) Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0, 07% фосфора. 2) Качественные стали - до 0, 035% серы и фосфора каждого отдельно. 3) Высококачественные стали - до 0.025% серы и фосфора. 4) Особовысококачественные стали, до 0, 025% фосфора и до 0, 015% серы.

4. Степень раскисления стали.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют: 1) спокойные стали, т. е., полностью раскисленные, такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются); 2) кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами " кп"; 3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами " пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

1) сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора)

2) сталь группы Б - по химическому составу 3) сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ %, предел текучести δ т, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами. Стали обыкновенного качества обозначают буквами " Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква " Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают, группу стали, причем группа " А" в обозначении марки стали, не ставится. Для указания категории стали, к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают. Например:

Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А); ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В); Вст0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).

Качественные стали маркируют следующим образом:

1) в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации: а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0, 65% углерода 05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0, 05% С 60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0, 60% С б) в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой " У":

У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0, 7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены)

У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1, 2% С

2) легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А – азот, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий, М – молибден, Ф- ванадий, В – вольфрам Н – никель, Х – хром, Г – марганец, П – фосфор Ц – цирконий Д – медь Р – бор Ю – алюминий, Е – селен С – кремний Ч – редкоземельные металлы.

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0, 8-1, 5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0, 2-0, 3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0, 0010%).Примеры: 14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2, 0% марганца. 03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0, 03% C, 16, 0% Cr, 15, 0% Ni, до З, 0% Мо, до 1, 0% Nb.

Высококачественные и особовысококачественные стали, маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву " Ш". Например:

У8А - углеродистая инструментальная высоко качественная сталь, содержащая 0, 8% углерода 30ХГС-III – особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0, 30% углерода и от 0, 8 до 1, 5% хрома, марганца и кремния каждого.

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе:

1) Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами " ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:

ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0, 6% хрома;

ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1, 5% хрома и от 0, 8 до 1, 5% марганца и кремния.2) Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой " Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама: Р18 - быстрорежущая сталь, содержащая 18, 0% вольфрама Р6М5К5 - быстрорежущая сталь, содержащая 6, 0% вольфрама 5, 0% молибдена 5, 0% кобольта. 3) Автоматные стали обозначают буквой " А" и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12 - автоматная сталь, содержащая 0, 12% углерода (все автоматные стали имеют повышенное содержание серы и фосфора);

А40Г - автоматная сталь с 0, 40% углерода и повышенным до 1, 5% содержанием марганца.

2. Свойства стали

В металлургии, для конструктора имеют в первую очередь значение механические и физические свойства стали. Только когда нужно обеспечить определенные эксплуатационные показатели, например жаростойкость или окалиностойкость, наиболее важное значение имеет химический состав, т. е. конкретная группа специальных металлов. Предел текучести согласно стандарту определяется как напряжение, при котором растягивающее усилие, несмотря на удлинение образца, впервые остается постоянным или даже снижается.

Временное сопротивление разрыву определяется как напряжение, получающееся при применении наибольшего растягивающего усилия на первоначальную площадь поперечного сечения образца. Предел ползучести при какой-либо температуре согласно стандарту DIN 50119 определяется как статическая нагрузка (Н/мм2 или МПа), отнесенная к начальному сечению образца при комнатной температуре, которая по истечении определенной продолжительности испытания (например, через 104 или 105 ч) вызывает определенную деформацию растяжения (например, 1%). Такие свойства стали как предел длительной прочности представляет собой статическую нагрузку, которая при тех же условиях вызывает разрушение образца. Этот показатель зависит от продолжительности испытаний.

Постоянный предел длительной прочности определяется как наивысшее статическое напряжение, которое образец может выдержать бесконечно долго без разрушения. Этот показатель имеет скорее теоретическое, чем практическое значение. Относительное удлинение согласно стандарту DIN 50145 представляет собой остаточное изменение длины после разрушения разрывного образца, отнесенное к его начальной рабочей длине. Эти, как и некоторые другие механические и физические свойства стали измеряются в процентах.

Относительное сужение согласно стандарту DIN 50145 определяется как наибольшее остаточное изменение площади сечения после разрушения образца, отнесенное к его начальной площади. Для определения способности материала к деформации применяют способы испытания на загиб и на холодный изгиб. Различие между обоими методами испытания заключается в том, что при испытании на загиб образец, опирающийся на два подвижных ролика с определенным расстоянием между ними, выгибается вокруг оправки заданного диаметра, тогда как при испытании свойств стали на холодный изгиб вследствие жесткой опоры образца течение материала в зоне его растяжения исключается.

Испытание на циклическую прочность предназначается для определения характеристик механического поведения материала или конструктивных деталей при длительном или часто повторяющемся пульсирующем или знакопеременном нагружении. Такое свойство стали, как ударная вязкость по стандарту DIN 50115 представляет собой работу разрушения, поглощаемую образцом при испытании на ударный изгиб с надрезом, отнесенную к площади поперечного сечения образца в месте надреза (Дж/см2). В стандартах поясняются различные формы образцов для определения ударной вязкости.

Также одно из основных свойств стали - стойкость к старению. Согласно стандарту DIN 17135 такими качествами обладает металл, вязкость которого даже и после длительного вылеживания лишь незначительно изменяется по сравнению с ее уровнем в исходном состоянии. По принятому соглашению признаком стойкости к старению материалов, сдаваемых по вышеупомянутому стандарту, считается получение ударной вязкости (измеряемой на образцах при 20 °С) после искусственного старения с холодным растяжением на 5 или 10 % и отпуска в течение 0, 5 ч при 250 °С не ниже некоторого заданного значения. Для оценки чувствительности к хрупкому разрушению применяют, как правило, испытание на описанную выше ударную вязкость при определенных температурах. В качестве критериев оценки используют работу ударного разрушения (Дж), удельную работу разрушения, наклон кривой, площадь кристаллической части в изломе разрушенного образа, угол изгиба и рабочую диаграмму.

Редуктор

Он используется для снижения давления газа, выходящего из баллона. Редукторы могут быть прямого или обратного действия, а для сжиженного газа используются модели с оребрением, которые исключают его вымерзание при выходе.

Специальные шланги

Газовую сварку невозможно выполнять без использования специальных шлангов, по которым может подаваться как газ, так и горючие жидкости. Такие шланги делятся на три категории, маркируемые 1) красной полосой (работают при давлении до 6 атмосфер), 2) желтой полосой (для подачи горючих жидкостей), 3) синей полосой (работают при давлении до 20 атм).

Устройство газосварочного резака

Горелка

Смешивание газов и их горение обеспечивается за счет использования горелки, которая может быть инжекторного и безинжекторного типа. Классифицируются горелки и по своей мощности, которая характеризует количество газа, пропускаемого в единицу времени. Так, бывают горелки большой, средней, малой и микромалой мощности.

Специальный стол

Газовую сварку осуществляют на специально обустроенном месте, которое называется постом. По сути, таким местом является стол, который может быть с поворотной или фиксированной столешницей. Этот стол, оснащенный вытяжной вентиляцией и всем необходимым для хранения вспомогательного инструмента, значительно облегчает труд сварщика.

Схема газовой сварки

Чтобы улучшить качество шва и зоны, которая к нему прилегает, выполняют дополнительный нагрев или так называемую термическую ковку металла.