Технические характеристики углеродистой стали 3

К категории конструкционных углеродистых сплавов обыкновенного качества относится сталь 3, характеристики которой обеспечили ей применение во многих областях народного хозяйства. Одним из факторов, способствующих широкому распространению материала, является его низкая себестоимость.

Химический состав

Расшифровка марки стали Ст3 указывает на основные компоненты в ее составе – железо (97%) и углерод (0,14-0,22%). От концентрации углерода зависит основное качество сплава – его твердость. В состав стали входят также небольшие количества:

• марганца – 0,4-0,65%;
• кремния – 0,15-0,17%;
• никеля и хрома – по 0,3%;
• мышьяка – 0,08%;
• меди – до 0,3%;
• серы – 0,05%;
• фосфора – 0,04%;
• азота – до 0,008%.

Особенностью сплава Ст3 является жесткое регламентирование содержания вредных примесей – серы и фосфора. Фосфор снижает пластичность металла при действии высоких температур, а сера при взаимодействии с железом образует сульфиды, вызывающие явление красноломкости. Следует отметить и повышенную концентрацию азота, на который приходится почти 0,1%. В соответствии с ГОСТом 380-2005 сплав маркируется с сопутствующими индексами, которые указывают на степень раскисления, например, Ст3Гсп:

• первые две буквы указывают на углеродистую сталь обыкновенного качества;
• цифра «3» означает порядковый номер марки по данному ГОСТу;
• знак «Г» свидетельствует о модификации с повышенным содержанием марганца;
• «сп», «кп», «пс» – степени раскисления.

Заменителями марки стали Ст3 могут выступать:

• С245, согласно ГОСТу 27772-88;
• С285;
• ВСт3Сп.

Зарубежные аналоги маркируются по другим правилам:

• A57036, K01804 – США;
• 40B, 722M24, HFS4 – Великобритания;
• 1.0038, DC03 – Германия;
• E24-2, E24-4 – Франция;
• SS330, SS400 – Япония;
• Fe360B, Fe360C – Италия;
• G235C – Китай;
• RSt360B – Австрия;
• Fe235D – Венгрия.

Номенклатура продукции включает:

• сортовой и фасонный прокат по ГОСТу 2591-2006;
• листы различной толщины и штамповки;
• трубы и арматуру, согласно ГОСТу 10705-80;
• ленты и полосы, которые выпускаются по ГОСТу 14918-80;
• проволоку разного сечения.

Свойства сплава

Основные физические свойства стали 3:

• плотность – 7850 кг/м³, показатель может колебаться в определенных пределах;
• модуль упругости – 200 ГПа;
• коэффициент теплопроводности – 55 Вт/м*К;
• величина, характеризующая отношение относительного поперечного сжатия к растяжению – 0,3.

Среди технических параметров особое значение придается:

• поверхностной твердости – 131 МПа;
• временному сопротивлению – 360-570 МПа;
• пределу текучести – 235-245 МПа;
• относительному удлинению – 33%;
• относительному сужению – 59%;
• температурному диапазону ковки – 750-1300 градусов;
• неограниченной свариваемости любым из возможных способов;
• отсутствию склонности к отпускной хрупкости и флокеночувствительности.

Раскисление стали

На   механические свойства стали Ст3 большое влияние оказывает степень раскисления, которая обязательно должна указываться в маркировке. Раскислением называют процесс удаления растворенного кислорода из расплава. Кислород считается вредной примесью, так как он образует с железом оксиды, повышающие хрупкость и пористость сплава.

В качестве раскислителей используются вещества, обладающие более высоким сродством к кислороду, чем железо – марганец, кремний или алюминий. Соединяясь с кислородом, они восстанавливают железо до свободного состояния. Образующиеся при этом оксиды MnO, SiO2, Al2O3 удаляются вместе со шлаками. Различают три степени окисления стали.

Спокойные стали входят в разряд самых качественных. Они маркируются символами «сп» и отличаются:

• плотной, однородной структурой;
• высокими показателями пластичности;
• максимальной устойчивостью к коррозии.

Характеристики стали 3сп позволяют использовать ее при сооружении несущих металлоконструкций. Ее главным недостатком является высокая стоимость.

Полуспокойные стали («пс») занимают промежуточное положение по качеству и цене. Их кристаллизация происходит без кипения, но с выделением большого количества газа. В силу более доступной стоимости полуспокойные стали часто используют для изготовления менее ответственных изделий.

Кипящие стали характеризуются:

• неоднородной структурой;
• высокой загрязненностью газами;
• повышенной хрупкостью.

Но они превосходно поддаются обработке при любом температурном режиме. При соблюдении необходимых условий они представляют самый доступный и практичный материал.

Термическая обработка

Для улучшения эксплуатационных характеристик стали Ст3 применяется термообработка с помощью:

• отжига, позволяющего добиться равновесной структуры металла и более низкой пластичности;
• закалки, придающей сплаву максимальную твердость;
• отпуска, который снимает внутренние напряжения, возникающие при закалке;
• цементации, повышающей поверхностную твердость и износоустойчивость без изменения внутренней структуры.

Температурные режимы:

• для закалки – 900-920 градусов;
• отпуска – 180-250;
• нормализации – 920-950 градусов.

После термообработки основной структурной составляющей поверхности сплава становится мартенсит с карбидами высокой износостойкости и твердости – выше 60 HRC. Внутренняя структура металла будет оставаться пластичной и вязкой с показателем твердости 30-42 HRC.

Преимущества и недостатки

Плюсы и минусы сплава определяются его механическими свойствами. Одной из важных характеристик стали 3 является хорошая свариваемость без предварительной подготовки и последующей термообработки. Сварку можно проводить любым из методов:

• дуговым;
• электрошлаковым;
• контактно-точечным;
• плавящимся электродом в углекислом газе;
• аргонно-дуговым.

Для изделий, толщина которых превышает 36 мм, сварочные работы рекомендуется проводить с подогревом детали и термической обработкой шва.

Сплав представляет универсальный конструкционный материал, который по совокупности положительных качеств превосходит высоколегированные стали.

Достоинства марки стали Ст3сп состоят:

• в наличии гомогенной структуры, обеспечивающей защиту металла от внешнего воздействия;
• высокой коррозионной устойчивости;
• повышенной твердости и упругости;
• отсутствии флокеночувствительности и отпускной хрупкости;
• устойчивости к динамическим нагрузкам;
• доступной стоимости по сравнению с другими сплавами.

Недостатком сталей Ст3 является невысокая устойчивость к низким температурам.

Область применения

Технологические параметры спокойных сталей позволяют использовать их в производстве:

• листового и фасонного проката;
• труб и арматуры для магистральных газопроводов;
• крупных подвесных конструкций в железнодорожной отрасли;
• двухслойных листов, устойчивых к коррозии.

Наиболее широкое применение имеют полуспокойные стали. Несмотря на сниженные показатели твердости и пластичности, эти сплавы характеризуются более доступной стоимостью. Из них получают:

• трубы для систем отопления разного диаметра и толщины стенок;
• листовой прокат для обшивки корпуса различных агрегатов;
• уголки и квадраты для несущих конструкций.

Кипящая сталь входит в категорию самых доступных по стоимости. Из-за высокой концентрации кислорода эксплуатационные свойства материала заметно ниже, но он хорошо поддается термической обработке. Из него производят изделия рядового назначения, которые не подвергаются переменным нагрузкам.