До какой температуры сталь сохраняет свойства

Главная / Полезная информация

Характеристики высокопрочной стали

Марки высокопрочной стали

Сталь является одним из самых важных материалов, который используется практически во всех отраслях промышленности. К высокопрочной стали (в зависимости от области применения) предъявляют различные требования. Марки сталей отличаются по структуре, химическому составу и по своим свойствам (физическим и механическим).

Сталью называют деформируемый сплав железа с углеводом (не более 2 процентов) и примесями других элементов: марганца, кремния, фосфора. К высокопрочному крепежу предъявляются особые требования. Поэтому для получения стали, которая будет идеально соответствовать всем характеристикам добавляют специальные примеси – легирующие элементы. Это – хром, вольфрам, ванадий, титан, марганец или кремний. 

СТАЛЬ МАРКИ 3

Углеродистая сталь обычного качества.

Именно такая сталь пользуются наибольшим спросом в строительстве. Причина такой популярности – технологичность, прочность и привлекательная цена. Еще одно преимущество этого сплава – возможность изготавливать из нее изделия, которые выдерживают большую нагрузку и обладают хорошей сопротивляемостью ударам.

Сталь 3 производят по ГОСТ 380-94, согласно ему сталь маркируются буквами «Ст» с порядковым номером от 0 до 6. Чем выше этот номер, тем большее количество углерода содержится в стали. А значит, лучше прочность, но при этом хуже пластические характеристики. Сталь 3 хорошо сваривается, нефлокеночувствительна, не склонна к отпускной хрупкости. Сталь 3 содержит: углерод – 0,14-0,22%, кремний – 0,05-0,17%, марганец – 0,4-0,65%, никель, медь, хром – не более 0,3% , мышьяк не более 0,08%, серы и фосфора – до 0,05 и 0,04%. Количество этих компонентов в сплаве Ст3 не допускается выше указанных значений.

Основа стали – феррит. Его характеристики не позволяют использовать его в чистом виде. Для улучшения показателя прочности феррита сталь насыщают углеродом, добавляют (легируют) хром, никель, кремний, марганец и проводят дополнительное термическое упрочнение.

Сталь 3 выдерживает широкий температурный диапазон при переменных нагрузках. Хорошо сваривается, штампуется в холодном и горячем состоянии, подвергается вытяжке. Применяется без термической обработки.

Свариваемость стали

Без ограничений – сварка производится без подогрева и без последующей термообработки. В стали, относящейся к хорошей, содержание углерода составляет менее 0,25%. Они свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов сварки.

Температура применения

Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 30.

Максимальная температура применения – плюс 300.

СТАЛЬ МАРКИ 35

Качественная среднеуглеродистая сталь.

Такой вид стали применяют для деталей, которые требуют высокой пластичности и сопротивления удару. Качественные углеродистые стали типа 35 изготавливают по ГОСТ 1050-88 и маркируют двухзначными цифрами, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 35 (0,35 %). Она обладает высокой прочностью (σв = 640…730 МПа, σ0,2 = 380…430 МПа) и относительно низкой пластичностью (δ = 9…14 %, ψ = 40…50 %). Кроме того, этот тип стали не восприимчив к средним напряжениям, обладает стойкостью к деформации и износостойкостью, не подвержен образованию трещин и коррозии. Поэтому именно сталь 35 используют при производстве высокопрочного крепежа и фланцевых соединений.  Температурный диапазон: от -40 до +450 градусов Цельсия

Сталь 35 сваривается ограниченно. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Рекомендуем подогрев и последующую термообработку. КТС без ограничений.

Свариваемость стали

Сталь конструкционной марки 35 сваривается ограниченно. С увеличением углерода в стали зона термического влияния и шов закаливаются, увеличивается твердость, сварные соединения становятся более хрупкими и склонными к образованию трещин. 

Удовлетворительные стали имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильных режимах сварки получается качественный шов. Для улучшения качества сварки часто применяют подогрев.

Температура применения

Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.

Максимальная температура применения – плюс 425.

СТАЛЬ МАРКИ 35Х

Сталь легированная, хромистая

Крепежные изделия из стали 35Х обладают высокой конструктивной прочностью, гарантируют надежность конструкции. Кроме того, сталь 35Х хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, обладает большим запасом вязкости и высоким сопротивлением усталости. Также, сталь 35Х имеет высокое сопротивление износу, коррозии, трещинам и другим дефектам. 

Главное преимущество крепежа из легированной конструкционной стали 35Х перед углеродистыми – это более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость. А уровень механических свойств повышен за счет термической обработке.

Свариваемость стали

Ограниченно свариваемая.

Температура применения

Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.

Максимальная температура применения – плюс 425.

СТАЛЬ МАРКИ 40Х

 Сталь конструкционная легированная. Сталь марки 40Х содержит 0,40% углерода и менее 1,5% хрома. Эта сталь довольно трудносвариваема. Поэтому, чтобы получить качественное сварное соединение, необходимы дополнительные операции. При сварке потребуется подогрев до 200-300 градусов, а потом – термообработка путем отжига.

Благодаря добавлению хрома, крепежные изделия из ст.40Х обладают твердостью, прочностью, жаропрочностью и устойчивостью к коррозии. Сталь 40Х рассчитана на значительные нагрузки. Механические свойства стали 40х: предел кратковременной прочности – 570 – 940 МПа, предел пропорциональности – 320 – 800 МПа, относительное удлинение – 13 – 17%, относительное сужение – 35 – 55%, ударная вязкость – 400 – 850 кДж/кв.м.

Плюсы этой марки стали: устойчивость к действию высоких и низких температур и их резким перепадам, могут использоваться под открытым небом и даже в агрессивных, влажных средах. Еще одно неоспоримое преимущество крепежных изделий именно из этой марки стали – это отсутствие необходимости обрабатывать и очищать поверхность.

Свариваемость стали

Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка.

Температура применения

Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.

Максимальная температура применения – плюс 425.

СТАЛЬ МАРКИ 45

Сталь марки 45 обладает высокой стойкостью и прочностью. Сталь 45 применяют при изготовлении деталей механизмов, используемых при повышенных нагрузках и требующих сопротивления (ударам, трению). Механические свойства этой стали позволяют ей выдерживать значительные перепады температур и другие неблагоприятные климатические воздействия. Эта сталь способна выдержать температурные испытания от 200 до 600 градусов по Цельсию.

При использовании ст. 45 следует помнить, что:

• прочность снижается при нагревании до 200 0С;
• сталь является трудносвариваемой и характеризуется низкой флонекочувствительностью.

Сталь марки 45 — среднеуглеродистая; идеально подходит для изготовления деталей, требующих высокой прочности или высокой поверхностной твердости, а также деталей средненагруженных и не подвергающихся в работе истиранию.

Свариваемость стали

Высокоуглеродистую сталь марки 45 рекомендуют соединять контактной сваркой. Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию трещин. Сварка требует обязательного подогрева. При их сварке требуются специальные технологические процессы.

Температура применения

Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 40.

Максимальная температура применения – плюс 425.

Сталь марки 09Г2С

Сталь конструкционная низколегированная.

Обозначение 09Г2С указывает, что в стали присутствует 0,09% углерода, буква «Г»  означает марганец, а цифра 2 – процентное содержание до 2% марганца. Буква «С» означает кремний, содержание кремния менее 1%.

Главное преимущество этой стали – высокая механическая прочность, которая позволяет применять более тонкие детали по сравнению с деталями, изготовленными из других сталей. А значит, детали из стали 09Г2С имеют меньший вес, что экономически более выгодно. Кроме того, еще один плюс этой стали – низкая склонность к отпускной хрупкости.  

Свариваемость стали

Марка стали 09Г2С широко используется для сварных конструкций. Сварка может производиться как без подогрева, так и с предварительным подогревом до 100-120 градусов по Цельсию. Сварка довольно проста, причем сталь не закаливается и не перегревается в процессе сварки, благодаря чему не происходит снижение пластических свойств или увеличение ее зернистости. При температуре воздуха минус 15 °С и ниже применяют предварительный местный подогрев независимо от толщины стали.

Температура применения

Минимальная температура применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) – минус 70.

Максимальная температура применения – плюс 450.

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. износостойкости;
  3. коррозионностойкость;
  4. термостойкости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних напряжений после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;
  2. увеличение пластичности;
  3. облегчение обработки резанием.

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

1. Углеродистым и легированным.
2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
4. Любого качества.

Классификация и виды термообработки

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

• время нагревания (скорость);
• температура нагревания;
• длительность выдерживания при заданной температуре;
• время охлаждения (интенсивность).

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

• Отжиг
  1. I – рода:
     • гомогенизация;
     • рекристаллизация;
     • изотермический;
     • снятие внутренних и остаточных напряжений;
  2. II – рода:
     • полный;
     • неполный;

• Закалка;
• Отпуск:
  1. низкий;
  2. средний;
  3. высокий.

• Нормализация.

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

• Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
• выдерживание — полтора часа;
• остывание – воздух, масло.

2. Средний отпуск

Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
• охлаждение – воздух.

3. Высокий отпуск

При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

Режимы обработки:

Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

Отжиг

Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

• нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
• выдержка с постоянным поддержанием температуры;
• медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).
•  

1. Гомогенизация

Гомогенизация,  по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – от 1000°С, но не выше 1150°С;
• выдержка – 8-15 часов;
• охлаждение:
  • печь – до 8 часов, снижение температуры до 800°С;
  • воздух.

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

• нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
• выдерживание — ½ — 2 часа;
• остывание – медленное.

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

• нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
• выдерживание;
• остывание:
  • быстрое – не ниже 630°С;
  • медленное – при положительных температурах.

4. Отжиг для устранения напряжений

Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – 727°С;
• выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
• остывание — медленное.

5. Отжиг полный

Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Режимы обработки:

• температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
• выдержка;
• охлаждение до 500°С:
  • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
  • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

Режимы обработки:

• нагревание до температуры – выше точки  или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
• выдерживание – порядка 20 часов;
• охлаждение — медленное.

Закалка

Закалку сталей применяют для:

• Повышения:
  1. твердости;
  2. прочности;
  3. износоустойчивости;
  4. предела упругости;

• Снижения:
  1. пластичности;
  2. модуля сдвига;
  3. предела на сжатие.

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

• вода;
• соляные растворы на основе воды;
• техническое масло;
• инертные газы.

Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

Нормализация

Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей  — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

• сопротивление излому;
• производительность обработки;
• прочность;
• вязкость.

Режимы обработки:

• происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
• выдерживание в данном температурном коридоре;
• охлаждение – на открытом воздухе.

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.