Какие составы и свойства сталей

Сталь – это сплав железа с углеродом с добавлением различных примесей, оказывающих влияние на основные характеристики продукта. При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, так как механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать.

Сталь – это один из основных промышленных материалов, используемых в разных отраслях, от машиностроения до медицины. Сырье представляет собой сплав, в котором соединяется железо с углеродом. Также добавляются и другие примеси, оказывающие значительное влияние на основные характеристики конечного продукта.

Состав стали

Основа состава – железо и углерод. В сплаве обычно содержится не более 2,14%.

Основной критерий классификации – химический состав. Вся представленная на рынке продукция разделена на два основных вида сырья:

Углеродистая сталь. В ее составе кроме железа и углерода также есть фосфор, сера, марганец и кремний. В зависимости от процентного содержания углерода сырье разделено на высоко-, средне- и низколегированные марки. Этот материал можно применять, даже если перед вами стоит задача создать инструмент, использующийся под постоянным напряжением и высокими нагрузками.
Легированная сталь. К основным компонентам добавлены дополнительные легирующие элементы. Среди них – множество типов веществ, от кремния, бора и азота до хрома, циркония, ниобия, вольфрама и титана. Это влияет не только на стоимость, но и на качество продукции, область использования и характеристики. В продаже вы найдете множество типов продукции – жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. В зависимости от структуры сырье может быть доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Свойства и применение стали можно определить по ее марке.

В состав стали могут добавляться различные примеси. В зависимости от того, в каком количестве они представлены в рецептуре, выделяются два основных типа продукции:

Обыкновенного качества. В составе такого сплава углерода не более 0,6%. Основные стандарты, используемые в изготовлении –ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Многие виды продукции в маркировке указываются как «Ст», что означает стандартное качество. На рынке этот тип сырья –один из наиболее доступных по стоимости.
Качественный. К этой категории относятся легированная и углеродистая разновидности. Уже в маркировке указывается особенность состава, количество углерода в сотых долях. Основной стандарт, которого придерживаются изготовители, – ГОСТ 1577. Стоит такая сталь дороже, чем продукт обыкновенного качества. При этом материал намного более пластичен, хорошо сваривается и отлично защищен от механического воздействия.

Основные свойства стали

При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, чтобы подойти под конкретную область применения. Если не понимать такой особенности, есть риск покупки сырья, не соответствующего прочности, уровню защиты от коррозии, качеству свариваемости и другим характеристикам.

Рассмотрим основные характеристики материала.

Механические

Показывают, какие варианты обработки можно выбирать и где использовать. Есть несколько основных параметров:

Прочность. Показывает, какую нагрузку можно прикладывать к детали, пока не появятся первые признаки разрушения. Для каждой марки материала указывается этот параметр, а также предел текучести.
Предел прочности. Указывает на защищенность материала от механического напряжения.
Предел текучести. Дает представление о растягиваемости материала. Это помогает понимать, насколько сильно можно растянуть материал до момента, пока процесс будет продолжаться, даже когда нагрузка перестанет прикладываться.
Пластичность. Чтобы материал можно было использовать в изготовлении различных типов деталей и заготовок. Такая характеристика помогает сырью менять форму, прописывается, чтобы определить параметры относительного угла изгиба и удлинения.
Ударная вязкость. Напрямую связана с пределами динамических нагрузок. Характеристика указывает, насколько сильный удар сможет выдержать готовое изделие или заготовка, прежде чем начнет окончательно разрушаться.
Твердость. Показывает предельную нагрузку по площади до момента возникновения вдавливания. Может определяться разными методами, как Бринелля, так и Виккерса.

Физические

Параметры дают понять, возможно ли применение стали в строительстве или различных областях промышленности. Есть три значимых центральных показателя:

Плотность. В характеристике зашифровано, какая масса стали содержится в указанном объеме. Чем выше прочность, тем больше защищенность от деформации, сильного давления и других потенциальных угроз.
Теплопроводность. Параметр дает представление, насколько быстро тепло передается по заготовке. Параметр очень важен для промышленности, к примеру, при изготовлении радиаторов или труб для теплотрасс.
Электропроводность. Позволяет оценить безопасность применения материала в местах, где есть риск удара током. Также сплав можно выбрать и для установки в сферах, где имеют значение его проводниковые характеристики.

Химические

Весь набор параметров дает представление о том, как поведет себя материал в разных температурах или средах с разной степенью агрессивности. Есть четыре основных параметра:

Окисляемость. Процесс окисления вызывается контактом металла с кислородом, может стимулироваться увеличением температуры. На уровень окисляемости влияет содержание углерода и среда, в которой используются изделия. Чем больше подверженность окислению, тем быстрее на поверхности появится ржавчина.
Защищенность от коррозии. Указывается для разных сред. Может меняться при использовании на открытом воздухе, а также при контакте с водой или почвой.
Жаростойкость. Помогает понять, при каком нагреве на металле начинает постепенно развиваться коррозия. Характеристика напрямую связана с окисляемостью.
Жаропрочность. От жаростойкости отличается тем, что затрагивает не коррозийную стойкость и защиту от окалины, а саму прочность. Знание параметров поможет вам понять, до какой температуры нагреется заготовка, прежде чем ее можно будет сломать или деформировать.

Технологические

Показывают возможность обработки с применением различных технологий. Центральные параметры:

Ковкость. Чем она выше, тем быстрее можно будет придать форму постоянным внешним механическим воздействием.
Жидкотекучесть. Если этот параметр находится на высоком уровне, расплавленный материал сможет лучше заполнять пустоты.
Свариваемость. Помогает соединять различные заготовки между собой. Отличается как в зависимости от типа использованной сварки, так и самого сплава.
Обрабатываемость резанием. Сталь можно обрабатывать разными видами режущих инструментов для создания металлопроката и деталей с разными параметрами и областью применения.

Применение стали

Механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать. Проще всего определиться со сферой по марке, указанной на сырье. Так продукцию с хорошей жаропрочностью можно использовать в средах, где есть риск воздействия постоянных высоких температур. То же относится к маркам, отличающимся хорошей свариваемостью и коррозийной стойкостью.

По сферам производства можно выделить несколько основных категорий:

Строительные. Применяются при создании металлоконструкций различного масштаба, арматуры, обшивки стен. Необходимые характеристики отличаются в зависимости от области применения. Так для одних видов сплава важна стойкость к коррозии во влажных средах, для других – защита от окисления при контакте с почвой. Но все используемые типы сырья должны хорошо свариваться, иметь повышенную прочность при постоянном или периодическом сильном механическом давлении. В сочетании с важной для строителей доступностью стоимости такими параметрами обладают низколегированные сплавы и варианты обычного качества.
Инструментальные. Применяются для изготовления инструментов различного назначения. Все сплавы разделены на три категории. Первая используется для создания штампованных деталей. Вторая – при производстве режущего инструмента, третья – измерительного с высокой точностью. Лучшим решением станет заказ высоколегированных и высокоуглеродистых материалов. Они не только хорошо защищены от износа, но и отличаются твердостью, хорошей теплопроводностью.
Конструкционные. Разнообразны по сфере использования: применяются для металлоконструкций, а также для деталей, крупных механических узлов. Лучшее решение – применение сплава с малой долей марганца. Легирование позволяет расширить список полезных характеристик. Эксперты рекомендуют обратить внимание на высокопрочные, автоматные, износостойкие и другие марки.

Также всегда можно заказать материалы со специальными характеристиками для конкретной зоны применения. Это могут быть как сплавы с повышенной жаропрочностью, так и защищенные от окисления при контакте с кислородом, хорошо плавящиеся, электропроводные и многие другие.

Источник

Сталь – сплав железа, содержащий менее 2,14% углерода и другим металлические и неметаллические компоненты. Она является одним из самых распространенных материалов и самым распространенным металлическим сплавом. Сталь применяется во всех отраслях хозяйства и во всех сферах жизни человека — от иголки шитья до корпуса атомного реактора и от винтика в дверном замке до пилона моста через пролив. За время развития металлургии для различных целей были разработаны сотни различных сортов, или марок сталей. Из них широко используются 7-8 десятков, остальные служат для специальных и редких применений.

Различные классификации сталей

Классификации сталей

Чтобы разобраться во всем многообразии марок, металлурги применяют несколько классификаций:

Стали классифицируют:

по химическому составу;
по структуре;
по назначению;
по качеству;
по степени раскисления.

Существуют и другие классификации, но их применение ограничивается научными и узкоспециальными областями применения.

Классификация по химическому составу

По химическому составу классификацию проводя, подразделяя на: углеродистые и легированные стали, которые, в свою очередь, подразделяются на:

углеродистые	Содержание углерода, %
	< 0,2	низкоуглеродистые
	0,2–0,45	среднеуглеродистые
	>0,45	высокоуглеродистые
легированные	Содержание присадок,%
	<2.5	низколегированные
	2,5-10	среднелегированные
	>10	высоколегированные

Содержание углерода не влияет на степень легирования, Если доля Mn превышает 1%, а Si- 0,9%, они также признаются легирующими добавками

Классификация по структуре

Структура стали, кроме ее химического состава, зависит от многих факторов, влиявших на нее на этапах отливки и термической обработки. Классификация по структуре после процедуры отжига, во время которого заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи, следующая:

доэвтектоидные – с избыточными ферритовыми включениями;
эвтектоидные – ферриты замещаются перлитами;
заэвтектоидные – с включениями вторичных карбидов;
ледебуритные – с включениями первичных карбидов;
аустенитные;
ферритные.

После проведения процедуры нормализации, заключающейся в нагревании до температуры пластичности и остывании на открытом воздухе, классификация различает такие группы, как:

перлитные;
аустенитные;
ферритные.

Микроструктура перлита

Классификация по степени раскисления

Процесс раскисления приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Классификация предусматривает такие классы, как:

спокойные (сп);
полуспокойные (пс);
кипящие (кп).

Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si.

Классификация сталей по степени раскисления

Классификация стали по содержанию примесей

Кроме классификации по содержанию углерода и по степени раскисления, применяется классификация по качеству, определяемому методом производства и содержанием вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора. Классификация сталей по качеству:

Группа	Сера, %	Фосфор, %
Обыкновенные (рядовые)	< 0,06	< 0,07
Качественные	< 0,04	< 0,035
Высококачественные	< 0,025	< 0,025
Особовысококачественные	< 0,015	< 0,025

В некоторых классификациях особовысококачественные включают в состав высококачественных.

Обыкновенного качества

Большую часть рядовых сталей составляют углеродистые сплавы (С < 0,6%) Их производят мартеновским способом или конвертерным с использованием кислорода. Эти виды стали предназначены для самых массовых применений, недороги в производстве, хорошо поддаются обработке, но и не обладают особой прочностью или износостойкостью.

Качественные

К качественным относятся как углеродистые, так и легированные. Также производятся мартеновским или конвертерным способом с кислородным дутьем, но к составу сырья предъявляются намного более строгие требования, чем в случае рядовых. Также строже требования к соблюдению параметров плавки и розлива. Такие группы сталей стоят дороже и применяются для более ответственных деталей, работающих в условиях серьезных нагрузок.

Классификация сталей по качеству

Высококачественные

Эта группа производится более совершенными с точки зрения технологии способами, такими, как выплавка в электропечах. Особенности технологии производства позволяют добиться особо низкого содержания вредных примесей неметаллов и газовых включений, что гарантирует высокие механические свойства. Такие стали используются в особо ответственных узлах, а стоимость их в несколько раз выше, чем обычных.

Высокопрочная сталь

Особовысококачественные

Они завершают классификацию сталей по качеству. Их производят, переплавляя электрошлаковым способом, что дает возможность в несколько раз снизить содержание примесей. Некоторые марки по цене приближаются к драгоценным металлам, и применяют такие легированные стали в уникальных случаях — в деталях атомных реакторов, криогенных установках, оборонной и аэрокосмической отрасли и некоторых других.

Классификация стали по назначению

Следующий вид классификации сталей — по назначению:

конструкционные;
инструментальные;
с особыми физико-химическими характеристиками.

Эта классификация в достаточной степени условна, в одной группе могут находиться десятки марок, а в другой — одна-две.

Классификация сталей по назначению

К тому же многие марки по своим механическим свойствам применимы и для смежных назначений. При выборе марки для конкретной конструкции или детали дизайнеры и технологи учитывают, кроме формального назначения, еще множество факторов, таких, как цена, обрабатываемость, совместимость с другими деталями по коэффициенту теплового расширения и других. Иногда конструктор применяет марку, заведомо превосходящую по своим параметрам и стоимости простую конструкционную марку, вполне подходящую для данной детали. Это допустимо в условиях уникального производства или особо малых серий, высоких транспортных расходах, и ряде других случаев. Любое такое решение должно быть оправдано с финансовой точки зрения.

Конструкционные

Конструкционные стали обыкновенного качества представляют собой одну из самых обширных групп.

Конструкционная сталь

Классификация предусматривает:

строительные;
холодной штамповки;
цементируемые;
улучшаемые;
высокопрочные;
пружинно-рессорные;
подшипниковые;
автоматные;
коррозионностойкие;
износостойкие;
жаропрочные и жаростойкие.

Строительные

Сюда входит большое количество марок рядовых углеродистых и сплавов низкого легирования. Из таких материалов создают сложные пространственные конструкции, нагрузка в которых равномерно распределяется между всеми элементами. К каждому из них не предъявляется особых требований, кроме хорошей свариваемости.

Для холодной штамповки

В ходе холодной штамповки форма заготовки и ее размеры существенно меняются, поэтому к этой группе низкоуглеродистых качественных сплавов основное требование другое — высокая пластичность и стойкость на разрыв.

Цементируемые

Эта группа используется для производства узлов и деталей, подверженных трению и переменным периодическим нагрузкам. Процедура цементации служит для повышения стойкости поверхности к износу. В нее входят низкоуглеродистые (0,1-0,3%) и часть легированных сплавов.

Изделия из цементируемой стали

Улучшаемые

Эти марки предназначены для специальных видов термообработки, таких, как закалка и отпуск, применяемых для улучшения прочностных и других механических характеристик материала. В группу входят как среднеуглеродистые, так и хромистые, в том числе с присадками бора, марганца, никеля и молибдена.

Высокопрочные

Для высокопрочных среднеуглеродистых высоколегированных сплавов специально подбирается состав и соотношение присадок, а также специфические программы термообработки. В результате металлурги достигают прочностных характеристик, в два и более раза превосходящих параметры конструкционных марок. Применяются в особо ответственных узлах.

Пружинные

Главная особенность пружинно — рессорных марок — это способность к многократным упругим деформациям без накопления эффекта усталости. Очень широко применяются на транспорте и в машиностроении, везде, где требуется амортизация, гашение колебаний или обеспечение возврата частей механизма в исходное положение после выполнения рабочего движения. Для повышения предела упругости углеродистые сплавы легируются кремнием, марганцем, бором и другими элементами.

Пружинная сталь

Подшипниковые

Чтобы обеспечить требуемый ресурс эксплуатации двигателей, станков и других механизмов, использующих подшипники, изделия из сплавов этой группы должны быть высокопрочными, износостойким и выносливыми. Должны быть минимизированы посторонние включения, неоднородности, все виды пор. Содержат около одного процента углерода и 0,8-1,5% хрома, подвергаются специальному уплотнению и термообработке

Автоматные

Главный параметр для сплавов этой группы — высокая обрабатываемость, образование легко отламывающейся короткой стружки и пониженное трение меду деталью и инструментом. Их применяют для производства массовых серий крепежных компонентов на автоматизированных производственных комплексах. В состав добавляют серу, свинец, селен и теллур. Минусом становится сниженная пластичность материала.

Износостойкие

Путем добавления в сплав больших количеств марганца получают износостойкие марки стали. Их назначение — производство узлов, подверженных сильному трению, в том числе и абразивному, большим статическим и динамическим нагрузкам. Это элементы стрелок на рельсовом пути, горного оборудования, ковшей погрузчиков, гусениц.

Заслонка из износостойкой стали

Коррозионностойкие нержавеющие

Эти низкоуглеродистые сплавы подвергают сильному легированию хромом и марганцем. При кристаллизации хром формирует тонкий поверхностный слой окислов, защищающий деталь от воздействия химически активных сред. Такие сплавы могут эксплуатировать как в слабоагрессивных (вода, пар), так и высоко агрессивных средах (растворы кислот, щелочей, морская вода) при температурах до 60 °С

Внутри коррозионностойкой группы есть своя классификация

Коррозионностойкие. Из них делают валы, пружины, клапаны, турбинные лопатки, выдерживающие высокие нагрузки и до 600 °С.
Жаростойкие. Предназначены для работы в условиях высоких температур (до 1200 °С) при ограниченных нагрузках.
Жаропрочные. Малоуглеродистые высоколегированные никелем, кремнием и другими присадками сплавы могут работать в условиях как высоких температур (до 75% от температуры плавления), так и высоких нагрузок.
Криогенные. Сохраняют упругость и вязкость в условиях низких и особо низких температур (до -200 °С). Применяются для изготовления комплектующих промышленных и научных холодильных установок.

По своим свойствам эти материалы значительно отличаются от широко известно пищевой нержавейки, из которой делают посуду и кухонное оборудование.

Инструментальные стали

К материалам из большой и разнообразной группы инструментальных марок предъявляются специфические требования, связанные с особенностями применения производимых из них изделий. Внутри группы также есть свои подгруппы. Основные – это сплавы для:

режущих инструментов;
измерительных инструментов;
штамповые;
валковые.

Для режущих инструментов

Главное требование к сплавам этой группы — способность сохранять заданную твердость, прочность и термостойкость при длительных механических и термических нагрузках.

Инструмент из инструментальной стали для режущих инструментов

Такие сплавы отличаются весьма высокой стоимостью, поэтому режущий инструмент, как правило, не делают целиком из инструментальных материалов, а используют режущие пластины или поверхности другой формы, вплавляемые или закрепляемые на основе, сделанной из конструкционных марок. Это позволяет существенно снизить стоимость и продлить срок службы инструмента

Группа также подразделяется на:

Углеродистые инструментальные сплавы. В их состав входит от 0,5 до 1,3% углерода. Применяется для обычного режущего инструмента массового применения.
Легированные инструментальные. Для повышения прочности и теплостойкости (до 300 °С) применяют легирующие добавки – хром, ванадий и другие от 1 до 3%. Из таких материалов делают сверла, фрезы и протяжки.
Быстрорежущие. Применяются для высокоэффективного прогрессивного инструмента, обладающего высокой теплостойкостью — до 660 °С.

Высокая стоимость прогрессивного инструмента с лихвой окупается в общем случае повышением производительности оборудования, сокращением износа станков в расчете на одно изделие, снижением трудоемкости и повышением темпа выпуска изделий. Экономический эффект зависит от размера серии.

Стали для измерительных инструментов

Основное требование к материалам этой группы — это стабильность формы и размеров в процессе измерения и хранения.

Изделие из стали для измерительных инструментов

Второе по значимости свойство — это исключительное качество поверхности, хорошая обрабатываемость и особенно шлифуемость. Разумеется, требования к износостойкости и твердости также остаются в силе. Применяют как недорогие углеродистые славы, так и легированные хромом, никелем и другими присадками. Изделия подвергают цементации и закалке для улучшения качества поверхности и повышения износостойкости. В последнее время, с развитием передовых бесконтактных способов и средств измерения, таких, как лазерные, ультразвуковые и программно-аппаратное интегрированные в обрабатывающие центры, потребность в сплавах этой группы несколько снизилась. Но они по-прежнему востребованы как на опытных производствах, так и при изготовлении и поверке тех самых прогрессивных средств измерения.

Штамповые стали

Сплавы этой группы должны отличаться особой твердостью, прокаливаемостью и термостойкостью. Главное же требование к ним — высокая износостойкость и постоянство формы изделия. Сюда входят сплавы:

Холодной штамповки. К основным требованиям — твердости, износостойкости, стабильности формы и размеров — добавляются термостойкость и высокая вязкость, поскольку изделия работают в условиях высокого давления и ударов. Изготавливаются на основе хромосодержащих лигатур с добавлением других элементов. Многие сорта взаимозаменяемы с быстрорежущими.
Горячей штамповки. К требованиям для сплавов холодной штамповки добавляется повышенная прочность и вязкость при сильном нагревании (до 500 °С) и высокая теплопроводность для избегания перегрева. Легируются высокими содержаниями хрома, ванадия, никеля и др.

Валковые стали

Применяются для изготовления разнообразных валков прокатных станов, ножей для резки металла, матриц и пуансонов. Применяются также для изготовления уникальных высоконагруженных узлов бумагоделательного и горного оборудования.

Валковая сталь

К ним выдвигаются следующие требования:

Высокая прокаливаемость для достижения необходимой прочности по всей детали, достигающей иногда десятка метров. При этом закалку проводят с медленным графиком охлаждения в масле.
Глубокая прокаливаемость. Для обеспечения постоянства размеров и формы выпускаемого проката важно, чтобы зона высокой прочности не сосредотачивалась в приповерхностном слое, а равномерно проникала по всему объему изделия, достигающего в диаметре нескольких метров, гарантируя заданную жесткость всего валка. Этого добиваются доведением углерода до 0,8%, специальным подбором лигатур (включая кремний и бор) и тщательным соблюдением программы термообработки, в особенности в части графика охлаждения.
Высокая износостойкость. Гарантирует долгую бесперебойную работу всего прокатного стана, стабильность параметров проката и снижение расходов на внеплановый ремонт и последующую настройку оборудования.
Достаточная контактная прочность. Значение параметра с заданным запасом должно превышать напряжения, возникающие в ходе технологического процесса, учитывая как нагрузки от веса самого оборудования, так и возникающие вследствие сопротивления прокатываемого материала.
Минимизация собственных деформаций, нарушения соосности и коробления в ходе термообработки, а также максимально возможная стабильность формы и размеров изделия при его работе.

Завершается перечень требований приемлемой обрабатываемостью изделий и отличной шлифуемостью и полируемостью поверхностей. Это позволит получать прокат стабильно высокого качества.

Что означает маркировка стали

По маркировке стали можно легко определить ее назначение, химический состав, метод производства и некоторые другие параметры, иными словами, произвести исчерпывающую классификацию.

В Российской Федерации и странах СНГ маркировка состоит из цифровых и буквенных позиционных обозначений. На первом месте располагаются одна или две цифры, показывающие процент содержания углерода.

Если его больше одного процента, используют две цифры, если меньше — то одну, и значение показывается в десятых долях.

Пример расшифровки маркировки стали

Далее идут группы, обозначающие тип и содержание легирующих присадок

Буквенные коды элементов можно посмотреть здесь: буквенные обозначения легирующих присадок

Если содержание элемента больше одного процента, то указывается содержание в процентах, если меньше — остается только буква.

В конце кода может быть добавлена буквы А или АА, обозначающая содержание фосфора и серы и соответствующая качественным и высококачественным категориям.

Маркировка нержавеющей сварочной проволоки

Добавляют также и буквы, указывающие на степень раскисления:

кп — кипящая;
пс — полуспокойная;
сп — спокойная.

В США и Западной Европе, а также в Китае и Японии приняты свои способы классификации и маркировки сталей. Таблицы соответствия содержатся в марочниках.

Источник