Конструкционные стали: марки, применение, методы термической обработки

К стальным элементам ответственных металлоконструкций или деталям механизмов предъявляют высокие требования по стойкости и качеству изготовления. Соответственно, используемая при их производстве сталь обязана отвечать предъявляемым требованиям даже в изменчивых и суровых условиях эксплуатации.

Так родились марки конструкционных сталей, за счёт своих физико-химических и механических свойств способные обеспечить безопасность, прочность и долговечность конструкций, машин и механизмов. 

Что такое конструкционная сталь

Под ней следует понимать стальной сплав особой пластичности и прочности, который обеспечивает высокую сопротивляемость изделий к разрушению и деформации. Это универсальный материал, широко используемый для изготовления ответственных строительных конструкций, промышленных механизмов и машин. В химический состав таких сплавов на основе железа входит целый комплекс добавок, таких как марганец, медь, никель, хром, молибден и другие.

При этом главным параметром, определяющим будущие свойства производимых на основе конструкционных сталей изделий, является присутствие в ней углерода. Чем больше его в сплаве, тем прочнее металл и выше порог его хладноломкости. Именно это и позволяет изготовленным из конструкционных марок сталей деталями и конструкциям выдерживать высокие нагрузки и даже самые суровые климатические условия.

Конструкционная сталь бывает двух видов: машиностроительная и арматурная (строительная). Внутри этих видов она разделяется ещё на несколько классов и категорий, причём многие из них не взаимозаменяемые. 

Классификация конструкционных сталей 

Начальная классификация конструкционных сталей подразумевает их разделение на две основных группы:

• Стали углеродистые обыкновенного качества. Они сильно востребованы в машиностроении во многом за счёт своей дешевизны и сбалансированных свойств. Согласно действующему ГОСТ 380-2005 они не классифицируются на подгруппы.
• Стали углеродистые качественные (улучшаемые стали). Они относятся к категории мягких сталей и используются в изготовлении деталей по технологии штамповки (глубокой вытяжки). К ним относятся сплавы марок Сталь08-Сталь85, где цифры в маркировке указывают на присутствие в сплаве углерода.
• Стали легированные качественные. Эти стали используются в производстве наиболее ответственных узлов конструкций и деталей, практически ко всем применяется закалка со стабилизирующим отпуском. Легирующими элементами в них выступает хром, марганец, никель, молибден, ванадий или бор.

Стальные сплавы этого типа не лишены и «вредных» примесей, основными из которых выступает фосфор и сера:

• за счёт наличия фосфора в составе детали приобретают способность к растрескиванию и разрушению в ходе обработки механическими методами;
• из-за наличия серы в составе детали подвержены трещинообразованию при горячей обработке и высоком давлении.

В углеродистых сталях содержание примесей серы и фосфора находятся в нижеследующих значениях:

• сплавы обычного качества (к ним применима маркировка «Ст») содержат до 0,05%;
• качественные сплавы (маркируемые как «Сталь») содержат не больше 0,035%;
• высококачественные стали (маркируемые буквой «А») содержат до 0,025%;
• отличающиеся особо высоким качеством (они маркируются буквой «Ш») содержат до 0,015% примесей.

Для эксплуатации в условиях ударных нагрузок и постоянного износа разработан специальный вид конструкционных сталей — цементированные, которые могут быть как углеродистыми, так и легированными. Делятся они, в свою очередь, на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, легированные вольфрамом, молибденом, бором. 

Области применения 

Назначение конструкционных сталей напрямую зависит от их химических и технологических свойств. К ним применимо следующее распределение, исходя из характеристик:

• Жаростойкие. Они сохраняют свои характеристики даже в условиях высокотемпературного воздействия, невосприимчивы к появлению окислов и коррозии. Из них изготавливают комплектующие к двигателям внутреннего сгорания, элементы трубопроката, ёмкости для цементации.
• Криогенные. В эту группу входят малоуглеродистые сплавы, улучшенные эксплуатационные качества которых достигаются в результате дополнительной обработки. Они предназначены для эксплуатации в условиях низких температур (ниже точки кипения кислорода, то есть -183 °С) и широко применяются в промышленности.
• Износоустойчивые. В эту группу входят высоколегированные сплавы с высоким содержанием углерода, стойкие как к механическому износу, так и к коррозии. Из таких сплавов производят детали измельчающего оборудования, траки и другие элементы машин, требующих максимальной износостойкости.
• Антикоррозионные. Это сплавы с высоким созданием хрома, обеспечивающим защиту металла от коррозии. Из стали этого типа изготавливают трубопрокат, гидравлическое оборудование и его компоненты, турбины, валы машин и механизмов.
• Пружинные. Это высокопрочные стальные сплавы, главная характеристика которых: очень высокий предел текучести. Именно это позволяет изделиям возвращаться в первоначальную форму после деформации. Из них изготавливают пружины, рессоры, торсионы и даже фортепианные струны.
• Автоматные. Таким сплавам характерна средняя прочность и лёгкость обработки, применяются они в производстве болтов, гаек, метизов и другой продукции, выпуск которой производится на специализированных станках-автоматах.

В целом различные марки конструкционной стали используются в выпуске деталей, конструкций и механизмов, которым важна устойчивость к внешним факторам, в том числе к механическому воздействию. Традиционные сферы, где используют такие стали: строительство и машиностроение. Также конструкционная сталь востребована практически во всех областях промышленности и производства. 

Особенности термической обработки 

Вид и метод термообработки конструкционных сталей напрямую зависит от условий их дальнейшей эксплуатации и степени их ответственности в составе конструкций и механизмов. Опираясь на конкретную поставленную задачу, могут применяться как простейшие виды термообработки (нормализация), так и двойная термообработка, состоящая из закалки и отпуска.

Конечный уровень прочности и физические свойства одновременно зависимы от нескольких факторов:

• сколько углерода присутствие в сплаве;
• количество легирующих компонентов в сплаве;
• выбранный режим термообработки;
• зернистость и чистота металла.

Опираясь на эти факторы, можно прогнозировать допустимое двукратное увеличение прочностных характеристик металлов после их термообработки. Также термоулучшенным сталям характерны улучшенные показатели пластичности и вязкости, достигаемые посредством того, что оказывается снижен порог хладноломкости. 

Конкретный способ термообработки подбирается исходя из того, насколько углеродсодержащий оказался обрабатываемый сплав:

• среднеуглеродистая сталь подвергается высокому отпуску (так называемому улучшению);
• низкоуглеродистая — низкому отпуску.

В их отношении применяется двойная упрочняющая термообработка, условия и этапы которой зависят от рассмотренных выше факторов.

Для проведения закалки стальная деталь нагревается до ненамного превышающей (на 30–50 °C) точку ассистенции температуры. Для низкоуглеродистых сплавов она составляет порядка 900 °C, среднеуглеродистых — около 850 °C. Процесс закалки углеродистых и низколегированных сталей проводится в воде (небольшие детали могут закаляться в масле).

Чем больше легирующих компонентов в стальном сплаве, тем выше показатель стойкости, который наблюдается у переохлаждённого аустенита. Уровень их содержания в конструкционных сталях позволяет проводить закалку в масле, одновременно с этим использование хрома-вольфрама или хрома-никеля-молибдена в составе сплава настолько задерживает перлитное превращение аустенита, что даже при охлаждении достаточно габаритных изделий на открытом воздухе обеспечивается формирование упорядоченной структуры кристаллической решётки.

Из этого следует ряд выводов:

1. Классическим способом термической обработки является закалка изделий в масле с их отпуском: различия в термообработке легированных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей заключается только в отпускной температуре, хотя их механические свойства приблизительно равные.
2. Высоколегированные низкоуглеродистые сплавы нередко допускается отпускать при большей температуре, что обеспечит увеличение вязкости и пластичности изделия. Однако тогда несколько снизятся их прочностные характеристики.
3. Если необходимо придать изделиям из среднеуглеродистой стали максимально возможную прочность, то отпуск производится при температуре 200–250 °C. Но при этом заметно снижается показатель ударной вязкости.
4. Чтобы добиться одновременно высоких прочностных характеристик и вязкости, применяется изотермическая закалка, при которой распад аустенита осуществляется в промежуточном температурном интервале (300–400 °C). Но применимо это не ко всем сплавам.
5. Максимальные прочностные показатели изделий достигаются путём их термомеханической обработки (ковки). Но это технологически сложный процесс.

Нелишним будет рассмотреть зависимость ударной вязкости легированной стали от температуры отпуска и скорости охлаждения, поскольку эти параметры у неё отличны от углеродистых сталей.

Если медленно охлаждать металл после отпуска, то кривая ударной вязкости получит два минимальных значения: для отпуска при 300 °C и около 550 °C. Когда сталь становится более хрупкой после процесса отпуска, это явление называют отпускной хрупкостью. Она делится на два рода:

1. Отпускная хрупкость I рода возникает при отпуске практически всех сталей. Она возникает вне зависимости от состава сплава и скорости, с которой изделие охлаждают. Если сделать отпуск более долгим, а температуру повысить, то происходит восстановление вязкости и пластичности изделия.
2. Отпускная хрупкость II рода возникает, если отпускать изделия при температурном воздействии выше 500 °C. Её отличительная черта: возникает в том случае, если после отпуска изделие медленно охлаждать. Если охлаждать быстро, то вязкость не станет меньше, а будет равномерно возрастать по мере снижения температуры отпуска. Однако изделие способно приобрести хрупкость этого типа заново при повторном аналогичном отпуске. Но не у всех сталей наблюдается появление отпускной хрупкости II рода.

Важно учитывать, что другие физико-механические качества стальных изделий не находятся во влиянии от того, насколько быстро охлаждается изделие после отпуска.

На практике легированные марки стали, в кратчайшие сроки охлаждённые после отпуска при 650 °C и вновь нагретые до 500–520 °C с длительным сохранением температуры, приобретают свойства хрупкости. И неважно, как долго будет длиться охлаждение. Выходит, что при температурах ниже 600 °C в сплавах происходят процессы, вызывающие их охрупчивание. Чтобы этого избежать, нужно исключить температурное воздействие в диапазоне 300–400 °C.

Те сплавы, которые подвержены к отпускной хрупкости II рода, нужно оперативно охлаждать после отпуска. При эксплуатации требуется избегать их нагревания до 500–600 °C и выше, иначе они станут хрупкими. Яркий пример — перегретые шестерни трансмиссии, легко разрушающиеся в случае, если ввиду отсутствия масла нагревались буквально «до синевы».

Если после отпуска невозможно в кратчайшие сроки охладить изделие, то нужно заранее подбирать сплавы с легированием молибденом, который замедляет возникновение отпускной хрупкости II рода. Однако использование безфорсорных сплавов, как и с отсутствующими примесями — наиболее эффективный способ, как избежать отпускной хрупкости II рода, даже по сравнению с легированием молибденом.