МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по выполнению практических работ

для студентов направления 130400 «Горное дело»

заочной формы обучения

Магнитогорск

Составители:

Е.П. Кашапова

Учебно-методическое пособие для выполнения практических работ по курсу "Материаловедение и технология конструкционных материалов" для студентов направления 130400 «Горное дело». Магнитогорск: МГТУ, 2016. 36 с.

Рецензент: Орехова Н.Н.

ã Кашапова Е.П.

Магнитогорский государственный

технический университет

им. Г.И. Носова, 2016

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Термины и определения

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом при содержании углерода от 0,02 до 2,14 %.

Стали кипящие - стали, раскисленные в процессе кристаллизации (в слитке) марганцем и почти не содержащие кремния (менее 0,05 %).

Стали полуспокойные - стали, раскисленные в ходе плавки марганцем и в конце плавки алюминием.

Стали спокойные - стали, раскисленные в ходе плавки марганцем, кремнием и алюминием. По качеству выше кипящей и полуспокойной.

Стали быстрорежущие - высоколегированные инструменталь­ные стали, содержащие вольфрам, молибден, ванадий, хром, обладающие высокой теплостойкостью и твердостью.

Стали жаропрочные - легированные стали, способные работать под нагрузкой при температурах выше 450 °С в течение определенного времени. Критерием жаропрочности является предел ползучести.

Стали жаростойкие (окалиностойкие) - стали, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности (образо­вания окалины) во время работы при повышенных температурах в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Стали инструментальные - стали, предназначенные для изготовления режущего и штампового инструмента. Их делят на углеродистые (У7, У12) и легированные.

Стали коррозионно-стойкие (нержавеющие) - устойчивые против химической и электрохимической коррозии стали, содержащие от 13 % хрома и других легирующих элементов.

Стали теплоустойчивые - стали, способные противостоять циклическому температурному воздействию без разрушения.

Стали легированные - стали, в состав которых вводят легирующие элементы (никель, хром, кремний, марганец, вольфрам, молибден, титан, бор и др.) с целью получения определенных свойств.

Цель практической работы - изучить принципы обозначения марок сталей и сплавов на основе железа и научиться читать маркировку.

Стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов, инструментов, оснастки и оборудования, необходимых для технологического процесса их производства.

Единой мировой системы маркировки сталей не существует. В США применяется сразу несколько систем AISI, ASTM, UNS. В Европе используют DIN, ECISS, EN. В России и других странах СНГ применяют самую совершенную систему обозначения марок стали, разработанную в СССР.

Маркировка стали зависит от её металлургического качества, назначения и химического состава.

Металлургическое качество стали зависит от её чистоты по вредным примесям (сере S и фосфору P) и неметаллическим включениям.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируются по содержанию углерода, структуре в равновесном состоянии, способу производства, степени раскисления и характеру затвердевания, качеству и назначению.

· низкоуглеродистые (<0,25% C);

· среднеуглеродистые (0,25-0,6% C);

· высокоуглеродистые (>0,6%C).

По структуре в равновесном состоянии:

· доэвтектоидные – структура феррит и перлит;

· эвтектоидные – структура перлит;

· заэвтектоидные – структура перлит и цементит вторичный.

По способу производства:

· мартеновские;

· конвертерные;

· электростали.

По степени раскисления и характеру затвердевания:

· спокойные;

· полуспокойные;

· кипящие.

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения.

Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде CO. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипящей стали. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

По качеству стали:

· обыкновенного качества (содержат до 0,055%S и 0,060% Р);

· качественные (не более 0,04%S и 0,035%P);

· высококачественные (не более 0,025%S и 0,025%P).

Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологические характеристики зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей − серы, фосфора. Газы являются скрытыми, трудно определяемыми примесями, поэтому количество вредных примесей служит основным показателем для разделения сталей по качеству.

По назначению :

· конструкционные;

· инструментальные;

· специальные.

Конструкционные стали − наиболее обширная группа. Предназначены для изготовления строительных сооружений, деталей машин и конструкций, к ним относятся: цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные.

Инструментальные стали − для режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего (до 200°С) деформирования.

Специальные стали предназначены для изготовления конкретного вида изделия.

2. Маркировка стали обыкновенного качества

Маркировка и общие требования стали обыкновенного качества регламентированы ГОСТ 380-94. Применяются стали для изготовления конструкционных деталей неответственного назначения (несущие конструкции, корпусные детали, панели).

В зависимости от назначения стали подразделяют на три группы:

А – поставляемую с гарантированными механическими свойствами;

Б – поставляемую с гарантированным химическим составом;

В – поставляемую с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Стали выплавляются следующих марок:

группы А – Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;

группы Б – БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;

группы В – ВСт0, ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

Сочетанием букв Ст в марке обозначают «Сталь обыкновенного качества»; цифра после Ст - условный номер марки (от 0 до 6), в зависимости от химического состава стали; маленькие буквы в конце марки - степень раскисления («кп» - кипящая; «пс» - полуспокойная; «сп» - спокойная). Иногда перед индексом раскисления может стоять буква Г, означающая легирование стали марганцем до 1,5 % (другие легирующие добавки в сталях обыкновенного качества не используют). Стали группы Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют. Категории нормируемых свойств (кроме категории 1) указывают цифрой после индекса раскисления.

Примеры . Ст2кп 2 – сталь обыкновенного качества (неверно говорить - обычного!) группы А (поставляется с гарантированными механическими свойствами), номер марки – 2, кипящая, второй категории;

БСт4сп3 – сталь обыкновенного качества группы Б (поставляется с гарантированным химическим составом), номер марки – 4, спокойная, третьей категории.

Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не предполагает горячую обработку.. Химический состав этой группы сталей колеблется в широких пределах. Их применяют для изготовления металлоконструкций в строительстве.

Стали группы Б применяются для изделий, в технологии которых входит горячая обработка (ковка, сварка, термическая обработка). Исходная структура и механические свойства в этом случае не сохраняются.

Стали группы В применяются для ответственных деталей, сварных конструкций. Важно знать исходные механические свойства, так как они сохраняются на участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе.

3. Маркировка качественной стали

Этот класс сталей отличается более высокой надёжностью, чем сталь обыкновенного качества, и в отличие от высококачественной имеет умеренную цену, поэтому получил наиболее широкое применение в машиностроении.

Качественную сталь маркируют содержанием углерода и легирующих элементов. Обычно в стандарте на качественную сталь приводят варианты рекомендуемых режимов её термической обработки и получаемые при этом механические свойства.

Качественная конструкционная сталь маркируется содержанием углерода, указанным в сотых долях весового процента (обычно указывают значение, соответствующее середине марочного интервала). Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие - с индексом «пс» и «кп» соответственно.

Примеры . Сталь 08кп - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,08 % углерода, кипящая.

Сталь 80 - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,80 % углерода.

Качественная инструментальная сталь маркируется содержанием углерода, указанным в десятых долях процента (обычно указывают значение, соответствующее середине марочного интервала). Углеродистая (нелегированная) инструментальная сталь дополнительно маркируется буквой У, которая ставится перед числом, обозначающим содержание углерода.

Примеры. Сталь У 8 - сталь качественная инструментальная с содержанием 0,8 % углерода, кипящая.

Сталь У13 - сталь качественная инструментальная с содержанием 1,3 % углерода.

Иногда трудно различить по назначению легированные стали со сходной маркой. Обычно предельное содержание углерода в инструментальных сталях не превышает 1,3 %. Такие высокоуглеродистые инструментальные стали обычно легируют только хромом.

Пример. Сталь 11Х, сталь 13Х - качественные инструментальные стали, легированные хромом до 1 % с содержанием углерода 1,1 и 1,3 %, соответственно.

В некоторых марках легированной инструментальной стали в начале марки может быть не указано содержание углерода. В этом случае содержание углерода до 1 %. Это ещё один признак инструментальной стали.

Пример. Сталь Х - сталь качественная инструментальная с содержанием до 1 % углерода, до 1 % хрома.

Содержание легирующих добавок в качественных легированных сталях (и конструкционных, и инструментальных) указывается русской прописной «звучащей» буквой, обозначающей элемент (табл. 1), и стоящим после буквы числом, указывающим содержание вещества в весовых процентах (обычно указывают значение, соответствующее середине марочного интервала). Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, число не стоит - его содержание до 1 %.

Исключением являются подшипниковые стали типа ШХ15, в которых содержание хрома указано в десятых долях % (1,5 % Cr).

Таблица 1. Маркировка легированных сталей

А	А	А	Б
(внутри марки)	(в начале марки)	(в конце марки)	ниобий
азот	автоматная	высококачественная
В	Г	Д	Е
вольфрам	марганец	медь	селен
К	Л	М	Н
кобальт	(в конце марки)	молибден	никель
	литейная
П	Р	Р	С
ф(пх)осфор	(внутри марки)	(в начале марки)	силиций
	бор	рапидная(вольфрам)	(кремний)
Т	У	Ф	Х
титан	углеродистая	в(ф)анадий	хром
	инструментальная
Ц	Ч	Ш	Ю
цирконий	ц(ч)ерий	шарикоподшип-	алюминий
		никовая сталь

В зависимости от основных легирующих элементов стали делятся на группы:

– хромистая – 15Х, 15ХА, 30ХРА, 40Х, 45Х и др.;

– марганцовистая – 15Г, 15Г2, 10Г2, 45Г, 50Г2 и др.;

– хромомарганцовистая – 15ХГ, 18ХГТ, 20ХГМ, 25ХГМ, 35ХГФ и др.;

– хромоникелевая – 20ХН, 20ХНР, 20ХНЗА, 12ХНЗ, 45ХН и др.;

– хромокремистая – 33 ХС, 40ХС и др.;

– хромомолибденовая, хромованадиевая, хромоалюминиевая – 15ХМ, 4ХМФА, 30Х3МФ, 35ХФМА, 35ХМ10А и др.

Всего стандартизировано до 100 марок легированных сталей.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) различают стали:

– качественные (12ХНЗ), S и P <0,35%;

– высококачественные (30ХГСА) – индекс А в конце марки, S и P <0,025%;

– особо высококачественные, в конце маркировки стали ставится буква Д – полученная электродуговым переплавом, в конце марки стали ставится буква Ш – полученная электрошлаковым способом (12Х18Н9Т-Д, ШХ15СГ-Ш).

Индекс Ч в конце марки стали указывает на то, что сталь легирована редкоземельными элементами (титан, ниобий, цирконий, кальций) – эти стали применяются в нефтегазовой промышленности.

Буква А в начале марки означает, что сталь автоматная, то есть повышенной обрабатываемости резанием на станках автоматах (ГОСТ 1414-75)- АС35Г2,АС30М.

Буква Л в конце марки обозначает, что сталь предназначена для изготовления деталей литьем (ГОСТ 977-88)- 30 ГСЛ.

Индекс Ш в начале марки стали – сталь шарикоподшипниковая (ШХ9) ГОСТ 801-78. Хром представлен в десятых долях процента – 0,9% Cr.

Цифры, стоящие перед маркировкой стали означают :

– две цифры – содержание углерода в сотых долях процента;

– одна цифра – содержание углерода в десятых долях процента;

– цифры отсутствуют – содержание углерода до одного процента.

Примеры. Сталь 10ХСНД - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,10 % углерода, хрома, кремния, никеля, меди до 1 % каждого.

Сталь 18Г2АФ - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,18 % углерода, марганца 2 %, азота, ванадия до 1 % каждого.

Сталь 9ХС - сталь качественная инструментальная с содержанием 0,9 % углерода, хрома и кремния до 1 % каждого.

Сталь ХГ2ВМ - сталь качественная инструментальная с содержанием до 1 % углерода, марганца 2 %, вольфрама и молибдена до 1 % каждого.

Для достижения жаропрочности стали легируют хромом, никелем и другими карбидообразующими элементами Mo, V, W, Nb, Si, Ti, Al. Стали 12Х1МФ, 12Х2МФСР сохраняют прочность до температуры 500С; сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС;с карбидным упрочнением жаропрочна до 700С..

Стали для работы при низких температурах

Для крупных конструкций используются свариваемые низколегированные стали 9Г2С, 14Г2АФ. Для изделий, работающих при температуре до -50С - улучшаемые стали 40Х, 65Г, 60С2А.

Высокую хладостойкость имеют стали, легированные никелем: 03Х9К14Н6М3Т. Их используют в изделиях, работающих до температуры – 196С и относящихся к авиационной, ракетной и космической технике.

Износостойкие стали обладают высоким сопротивлением к силам трения в условиях действия больших контактных давлений и ударных нагрузок.. Это рабочие элементы дробилок, мельниц, насосов, смесителей.

Сталь 110Г13Л с плохой обрабатываемостью резанием предусматривает получение деталей литьем, для тяжелых условий абразивно-ударного изнашивания, крестовин железнодорожных стрелок, щек дробилок, траков гусеничных машин, ножей отвалов бульдозера, черпалок землеройных м-шин.

Стали марок 08Х18Н9Т, 30Х10Г10, 08Х14Г12, 08Х14АГ12М применяются для деталей гидротурбин и гидронасосов, работающих в условиях эрозийного износа.

Для изготовления подшипников качения разработана группа специальных шарикоподшипниковых сталей , которые обозначают буквой Ш в начале марки. Высокие требования к чистоте по вредным примесям в этих сталях относят их к категории высококачественных. В таких сталях содержание хрома указано в марке в десятых долях процента (сталь ШХ4, ШХ15, ШХ20СГ).

Пружинно – рессорные стали общего назначения применяются для изготовления силовых, жестких, упругих элементов, которые должны иметь минимальную упругую деформацию.

Стали 50ХГ, 55ХГР, 55С2, 60С2, 60СГА применяют для изготовления рессор автомобилей, пружин железнодорожного транспорта.

Сталь 50ХФА – пружины ответственного назначения.

Сталь 55ХГСФ – пружины станков и прессов.

Стали 60С2ХФА, 65С2ВА – пружины станков и прессов, работающих до температуры 250С.

45ХНМФА – клеммовые пружины и торсионные валы.

При высокоскоростном резании металлов широко применяют так называемые быстрорежущие (рапидные) стали. Они маркируются буквой Р в начале марки. Число, стоящее после этой буквы, обозначает содержание вольфрама в процентах. Обычно кроме вольфрама эти стали легированы 4 % хрома и 1 % ванадия (старое название - сталь 18-4-1), но указывать их в характеристике стали не надо.

Пример. Сталь Р18 - высококачественная быстрорежущая инструментальная сталь; содержание углерода до 1 %, 18 % вольфрама.

Сплавы высокой стойкости против коррозии:

08Х22Н6Т – камеры сгорания и другие конструктивные элементы газовых турбин, сварных корпусов, днищ, фланцев, деталей внутренних устройств аппаратов, турбинных дисков, работающих при температурах от -10 до +300С, под давлением и в агрессивной среде;

06ХН28МДТ, 03ХН28МДТ – сварные конструкции, работающие при температурах до +80С в серной кислоте различных концентраций;

Н70М20 – сварные конструкции, работающие в среде соляной и фосфорной кислот, а также в серной кислоте с концентрацией до 60%.

4. Маркировка высококачественной стали

Стали этого класса обладают большой надёжностью, сочетанием высокой прочности и стойкости против хрупкого разрушения, комплексом специальных свойств. Это достигается жёстким контролем чистоты материала по вредным примесям и введением большого количества легирующих добавок. Они применяются для изготовления ответственных деталей, работающих в жестких условиях эксплуатации.

Маркировка высококачественных сталей похожа на качественные.

На высокое качество стали указывает буква А в конце марки или высокое суммарное содержание легирующих элементов (более 8-10 %). Высоколегированная сталь - высококачественная.

Примечание: если в марке стали очень много букв, обозначающих легирующие элементы, содержание которых до 1 %, - это качественная сталь (экономно легированная сталь 12ГН2МФАЮ).

Примеры. Сталь 90Х4М4Ф2В6Л - сталь высококачественная конструкционная с содержанием 0,90 % углерода, 4 % хрома, 4 % молибдена, 2 % ванадия, 6 % вольфрама, литейная.

Сталь 18Х2Н4ВА - сталь высококачественная конструкционная с содержанием 0,18 % углерода, хрома 2 %, никеля 4 %, вольфрама до 1 %.

Сталь Р18К5Ф2 - сталь высококачественная быстрорежущая инструментальная с содержанием углерода до 1 %, 18 % вольфрама, 5 % кобальта, 2 % ванадия.

Сталь 9Х18 - сталь высококачественная инструментальная с содержанием 0,9 % углерода, 18 % хрома.

5. Маркировка особо высококачественной стали

Для получения самого высокого комплекса различных свойств сталь выплавляют из чистых шихтовых материалов в вакуумно-индукционной печи (ВИП или ВИ). Другой способ - дополнительная очистка для максимального удаления вредных примесей - переплав. Существуют различные методы рафинирования стали: обработка расплавленной стали синтетическим шлаком (СШ), вакуумно-дуговой переплав (ВДП или ВД), электрошлаковый переплав (ЭШП или Ш) или их сочетание (ШД), электронно-лучевой переплав (ЭЛП) и плазменно-дуговой переплав (ПДП).

В марке особо высококачественной стали после обозначения химического состава через тире указывают тип выплавки или переплава.

Примеры. Сталь 01Х25-ВИ - сталь особо высококачественная с содержанием 0,01 % углерода, 25 % хрома, вакуумно- индукционной выплавки. Сталь ШХ15-ШД - сталь особо высококачественная подшипниковая с содержанием углерода до 1 %, хрома 1,5 % после электрошлакового переплава с последующим вакуумно-дуговым переплавом.

6. Маркировка специальных сталей

6.1 Автоматные стали

Автоматная сталь (ГОСТ 1414-75) предназначена для изготовления мелких винтов, гаек, шпилек и других конструкционных деталей неответственного назначения или работающих без ударных нагрузок. Автоматные стали хорошо обрабатываются на металлорежущих станках – автоматах за счет повышенного содержания серы и фосфора.

Добавление в автоматные стали свинца, селена, теллура позволяет в 2-3 раза сократить расход режущего инструмента, а производительность обработки повышается на 30%. Улучшение обрабатываемости достигается модифицированием кальцием, который скругляет сульфидные включения, что положительно влияет на обрабатываемость.

Марки автоматных сталей обозначают буквой А и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, легирующие элементы обозначают буквами: Г-марганец, Е-селен, или теллур, С-свинец,Ц-кальций.

Для автоматной стали металлургическое качество не указывают!

Примеры. Сталь А11 - сталь автоматная с содержанием 0,11 % углерода. Сталь АСЦ30ХМ - сталь автоматная, легированная свинцом и кальцием с содержанием 0,30 % углерода, хрома и молибдена до 1 % каждого.

Литейные стали

Литейные стали выплавляются в соответствии с ГОСТ 977-88. Маркируются они так же, как и качественные конструкционные стали, но с добавлением буквы Л в конце марки. Они содержат до 0,9%Mn, до 0,52%Si и не более 0,06%S и 0,08%P.

Пример Сталь 15Л – сталь литейная с содержанием углерода 0,15%.

Низкоуглеродистые литейные стали применяют для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам – арматуры, деталей сварно-литых конструкций. Среднеуглеродистые стали используют для отливки станин и валков прокатных станов, крупных шестерен.

Арматурные стали

Для армирования железобетонных конструкций применяют прутки (гладкие и периодического профиля) и проволоку. В предварительно напряженной железобетонной конструкции, то есть когда бетон сжат вложенными в конструкцию стальными стержнями, металл испытывает значительные напряжения. В таких конструкциях применяют высокопрочные стальные стержни или проволоку

Арматурная сталь делится на классы по прочности в соответствии с ГОСТ 5781-82. Маркируется арматурная сталь буквой А, за которой следует римская цифра, показывающая класс по прочности (от А-I до A-VIII).

Пример сталь А-III – сталь арматурная, III класс по прочности.

Арматурную сталь классов А-I, А-II, А-III применяют для ненапряжен-ных конструкций, а сталь более высоких классов - для предварительно напряженных конструкций. Свойства, соответствующие классам А-IV ,А-V , могут быть получены в углеродистых сталях марок Ст5, Ст6 после упрочняющей термической обработки (закалка в воде и отпуск при 400°С). Арматура более высоких классов (А-VI - A-VIII) изготовляется с применением упрочняющей термической обработки.

Котельные стали

Сталь для изготовления деталей котлостроения должна выдерживать температуры до 450°С и значительное давление. Котельные стали поставляются в соответствии с ГОСТ 5520-79 в виде толстых листов. Они маркируются сочетанием цифр, указывающих содержание углерода в сотых долях процента и буквой К, следующей за цифрами.

Пример Сталь 15К – сталь котельная с содержанием углерода в среднем 0,15%.

Котельные стали марок 12К, 16К, 18К используются для изготовления деталей, частей котлов и сосудов, работающих под давлением при комнатной, повышенных и криогенных температурах.

Стали марок 15К, 20К, 22К идут на изготовление днищ, фланцев цельнокованных, сварных барабанов паровых котлов, полумуфт, патрубков и других деталей, работающих при температурах от -40 до +450°С под давлением.

Мостовые стали

Мостовая сталь предназначена для изготовления пролетных строений мостовых конструкций. Поставляется листовая, широкополосная, фасонная и сортовая. В мостостроении допускается использовать только спокойную сталь.

Сталь выплавляется двух марок:

– М16С – для сварных мостовых конструкций. В маркировке буква М показывает, что сталь мостовая, цифра показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква С, что сталь подвергается сварке.

– Ст3 мост. – для клепаных конструкций. Цифра в марке означает номер группы механических свойств стали.

Сталь М16С дополнительно раскисляется алюминием, а содержание в ней хрома, никеля и меди не должно превышать 0,3% каждого. Сталь испытывается на изгиб на 180° в холодном состоянии и на ударную вязкость при температуре +20° и -20°С. Сталь М16С, идущая на изготовление ответственных сварных кон-струкций, оценивается на чувствительность к старению. Предъявляются высокие требования к качеству проката. На кромках листов и полос не должно быть расслоений, а заварка и заделка дефектов не допускаются.

Рельсовая сталь

Материалом для рельсов служит специальная рельсовая сталь. Рельсы изготавливают двух групп:

1-я группа – из спокойной мартеновской стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителями без применения алюминия или других раскислителей;

2-я группа – из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганцем.

Рельсовые стали маркируются буквой М, которая указывает мартеновский способ выплавки, за которой следует цифра, указывающая содержание углерода в сотых долях процента. Буквы В, Т, Ц указывают повышенное содержание ванадия, титана, цирко-ния. Массовая доля ванадия в рельсовой стали колеблется от 0,01 до 0,07 %, титана от 0,005-0,02, циркония 0,001-0,050%.

Пример : М76ВТ– сталь рельсовая, мартеновского способа выплавки, с содержанием 0,76 % углерода, повышенным содержанием ванадия и титана.

Сталь марок М76, М76Т, М76ВТ, М76Ц, М74Т, М74Ц выпускают для изготовления первой группы рельсов типа Р75, Р65, Р50; для второй группы рельсов используют стали марок М76, М74.

Условия эксплуатации рельсов на дорогах Сибири вдвое тяжелее, чем в европейской части России. Созданы рельсы низкотемпературной надежности Р65, объемно-закаленные 1-й группы, выплавляемые из ванадий - ниобий - борсодержащей стали. Для этих рельсов используется электросталь, выплавка которой производится в дуговых печах. При температуре -60°С рельсы из электростали

выдерживают ударные нагрузки вдвое больше, чем рельсы из

мартеновской стали.

Примерное назначение сталей

Таблица 2. Примерное назначение конструкционных сталей

Марка	Назначение
Ст1, Ст2	Неответственные корпусные детали (получаемые глубокой вытяжкой или сваркой)
Ст3пс, Ст3кп	Гнутые профили с толщиной листа 1.9 мм, уголки
Ст5пс, Ст5сп	Болты, гайки, ручки, штыри, тяги и др.
08кп, 10	Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой (сложные корпуса, несущие конструкции)
30, 35	Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звёздочки, диски, валы)
40, 45	Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые и распредвалы, шатуны, зубчатые венцы)
50, 55	Зубчатые колёса, прокатные валки, штоки, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры
60, 70, 80	Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (шпиндели, пружинные кольца)
10ХСНД, 09Г2СЮч	Для деталей ответственных сварных конструкций повышенной прочности
09Г2, 09Г2С	Для деталей сварных конструкций
15Х, 15ХФ	Хорошо цементуется. Валы распределительные, толкатели, мелкие детали, работающие в условиях износа при трении
18ХГТ, 20ХГР	Для цементуемых деталей, работающих на больших скоростях при высоких давлениях и ударных нагрузках (зубчатые колёса, шпиндели, кулачковые муфты, втулки и др.)
40Х, 45Х, 50Х	Улучшаемая сталь. Для деталей, работающих на средних скоростях и давлениях (зубчатые колёса, шпиндели в подшипниках качения, червячные валы)
45ХН, 50ХН	Аналогично применению стали 40Х, но для деталей больших размеров

Продолжение таблицы 2

Таблица 3. Примерное назначение инструментальных сталей

Марка	Назначение
У7, У7А	Для слесарно-монтажных инструментов - молотков, кувалд, бородок, отвёрток, плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.
У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А	Для изготовления инструментов, работающих без разогрева режущей кромки. Для калибров простой формы и пониженных классов точности. Для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, мелких конструкционных деталей, в том числе для часов
У10, У10А, У11, У11 А	Для штампов холодной штамповки небольших размеров и без резких переходов по сечению. Для калибров простой формы и пониженных классов точности. Для накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др.
У13, У13А	Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов
Х, 9Х18	Измерительные инструменты
ХВГ, Х12М, Х12Ф1	Штампы для холодной штамповки, валки для накатки резьбы

Продолжение таблицы 3

Таблица 4. Назначение коррозионностойких сталей и сплавов

Марка	Назначение
20Х13, 08Х13, 25Х13Н2	Для деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам и работающих в слабоагрессивных средах. Мартенситная сталь
14X17H2, 12Х13	Для различных деталей химической и авиационной промышленности. Феррито-мартенситная сталь
95Х18	Для деталей высокой твёрдости, работающих в условиях износа. Мартенситная сталь
09Х15Н8Ю, 07X16H6	Для высокопрочных изделий, упругих элементов
08X10H20T2	Немагнитная сталь для деталей, работающих в морской воде, аустенитная немагнитная
03Х13АГ19	Для деталей, работающих в слабоагрессивных средах, а также при температурах до -196 °С
12Х18Н10Т, 03Х18Н12	Для сварных конструкций в разных отраслях промышленности, аустенитная немагнитная
15Х18Н12С4Ю	Для сварных изделий, работающих в воздушной и агрессивной средах, в концентрированной азотной кислоте

Дать характеристику стали (варианты заданий в табл. 5), указать:

· металлургическое качество стали;

• назначение стали;

· химический состав стали по марке.

Примерное назначение различных марок сталей представлено в табл. 2 - 4.

Практическое задание следует представить в виде таблицы 6

Таблица 5 Варианты заданий

Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3	Вариант 4
Ст3Гпс	Ст3кп	Ст2кп	Ст6сп
20ХР	50Г2	38ХМЮА	40ХФА
12ХГНФАЮ	15Г2СФ	16Г2АФпс	12Г2СМФ
2Х13В8К10	5ХНМ	2Х12В3МФ	6ХНФ
Р6М5	Р12	Р7Т	Р9
14Х17Н2	07Х13АГ20	08Х21Н6М2Т	09Х15Н8Ю
М76	М16С	20К	А-II
А40Г	15К	Ст3мост	15Л
12К	М76ВТ	А-I	М74
Вариант 5	Вариант 6	Вариант 7	Вариант 8
Ст1 сп	Ст6пс	Ст5сп	Ст4пс
50ХГ	20ХГР	50ХГА	45ХН
15ХГ2СФР	14ХГНСФР	12ХГ2СМФ	12ХГНФАЮ
9ХФ	8Х4В4Ф	4Х5В4ФСМ	2Х12В7К5
Р6М3	Р9М4	Р12М3	Р18Ф2
14Х18Н4Г4Л	12Х18Н12БЛ	31Х19Н9МВБТ	15Х23Н18Л
А-III	У9А	М74Ц	БСт5 пс
М76Т	А-IV ,	40Г	М76Т
АС35Е	А20	У13	А-V

Вариант 9	Вариант 10	Вариант 11	Вариант 12
Ст1 сп	Ст4пс	Ст5Гпс	Ст6пс
60C2XA	40ХН3А	18ХГТ	40ХС
15ГСМХР	14Х2ГМР	14ГНФБАЮ	09Г2СЮЧ
ХГ3М	У11А	4ХНМ	4Х13
Р14Ф4	Р9Ф5	Р6М5Ф3	Р5М4Ф4
12Х18Н12М3Т	12Х25Н5ТМФЛ	120Г10ФЛ	20Х21Н46В8РЛ
М74Ц	М16С	50Л	А20
А11	А-VI	АС14	Ст3мост
15Л	22К	18К	A-VIII
Вариант 13	Вариант 14	Вариант 15	Вариант 16
Ст2сп	Ст3пс	Ст4пс	Ст3сп
50ХН		50ХФА
10ХСНД	15ХСНД	15ГФ	09Г2С
Х6ВФ	9Г2Ф	ХВГ	ХВСГ
Р18Ф3	Р14Ф4	Р9Ф5	Р12Ф3
10Х18Н11БЛ	110Г13ФТЛ	110Г13Х2БРЛ	15Х18Н22В6М2 Р
А30	А-II	У8	16К
22К	У7А	А-I	ВСт2пс
15Л	А30	50Л	У13А
Вариант 17	Вариант 18	Вариант 19	Вариант 20
Ст5пс	Ст3кп	Ст3Гсп	Ст6пс
60C2H2A	70С2ХА	70СЗА	65ГС
15Г2АФДпс	12ГН2МФАЮ	12Г2АМФ	15ХСНД
У10А	Х12Ф1	6Х2С	9ХВФ
Р9К10	Р18К5Ф2	Р10К5Ф5	Р12Ф4К5
10Х18Н9Л	10Х18Н3Г3Д2Л	130Г14ХМФАЛ	15Х18Н22В6М2
БСт4сп3	А-IV	ВСт3Гсп2	20К
22К	15К	У10	A-VIII
40Г	М76Т	М74Ц	М16С

Таблица 6 Расшифровка марок сплавов

Пример заполнения таблицы 6

Сталь – самый известный в мире сплав . По сути, говоря о железных конструкциях и предметах, мы говорим об изделиях (или их производстве) из той или иной стали. 99% сплава относится к категории конструкционных сталей, так что практически не существует инструментов или оборудования, где он бы ни использовался.

В этой статье мы постараемся затронуть такие темы как классификация марок, цена стали, ее свойства и применение в строительстве.

Сталь – сплав железа и углерода. В обычных случаях доля углерода колеблется от 0,1 до 2,14 %. Но, учитывая, что в состав легированных сталей может входить множество дополнительных ингредиентов, сегодня под сталью подразумевают такой сплав, где доля железа составляет не менее 45%.

О том, что такое сталь, и как ее производят, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Главные привлекательные качества стали – высокая прочность при доступности сырья и относительно простом способе производства. Именно такая комбинация и ставит сплавы железа в позицию абсолютного лидера. На сегодня попросту не существует такой области народного хозяйства, где стали не занимали бы позицию конструкционного материала.

• Железо и углерод – обязательные составляющие сплава. Из них и вязкость, благодаря чему сталь относят к деформируемым, ковким сплавам. А углерод – твердость и прочность, так как твердость всегда сочетается с хрупкостью. Добавка углерода невелика и даже в специализированных составах не превышает 3,4%.
• Кроме того, из-за способа производства, сталь всегда содержит какую-то долю марганца – до 1 %, и – до 0,4%. Эти примеси мало влияют на свойства состава, если не превышают заданную норму. По тем же причинам в составе оказываются и вредные примеси – фосфор, сера, несвязанный азот и кислород. В процессе плавки и легирования от этих ингредиентов стараются избавиться, поскольку они уменьшают прочностные и пластичные свойства сплавов.
• В сплав вводят искусственно другие добавки с целью изменить качества материала. Так, добавка хрома придает стали жаропрочность, а – стойкость к коррозии и вязкость.
• Чрезвычайно полезным качеством железных сплавов является то, что на изменение свойств влияют очень небольшие по весу добавки других веществ. Это позволяет значительно разнообразить качества материала. Кроме того, на свойства сплава очень сильно влияет метод изготовления собственно продукции – холодное деформирование, горячее, закалка и так далее.

Соотношение с чугуном

Наиболее близок к стали по свойствам и составу . Часть материала и производится из предельного чугуна. Однако на практике различия в характеристиках оказываются весьма заметными:

• сталь прочнее и тверже, чем чугун;
• и имеет более низкую температуру плавления. Обманчивое впечатление создает массивность изделий из чугуна, поскольку он менее прочен;
• сталь легче поддается механической обработке благодаря низкому содержанию углерода. ;
• чугун имеет более низкую теплопроводность, то есть, лучше хранят тепло, чем стальные;
• чугун нельзя подвергнуть такой процедуре, как закалка. А последняя может значительно увеличить прочность материала.

Преимущества и недостатки

Описывать плюсы и минусы материала довольно сложно. На практике мы имеем дело с продукцией из стали, причем из сплава самых разных марок, а, значит, и свойств. А одна из особенностей материала как раз и состоит в том, что метод изготовления изделии из него тоже влияет на его свойства. Качества сварной трубы не сравнить с характеристиками трубопровода из холоднокатаной стали.

В общем, можно говорить о следующих преимуществах стали:

• высокая прочность и твердость – свойственно всем видам;
• огромное разнообразие свойства, обусловленное разным составом и разными методами обработки;
• вязкость и упругость, достаточные для применения на всех участках, где требуется стойкость к ударным, статическим и динамическим нагрузкам при отсутствии остаточной деформации;
• легкость механической обработки – сварка, нарезка, сгибание;
• очень высокая износостойкость по сравнению с другими конструкционными материалами и, соответственно, долговечность;
• распространенность сырья и экономически выгодный метод производства, что обуславливает доступную стоимость сплавов.

К недостаткам можно отнести следующее:

• самый большой недостаток материала – нестойкость к коррозии. Чтобы избежать повреждений, выпускают специальные виды металла стали – нержавеющие, однако их стоимость заметно выше. Чаще проблему решают за счет покрытия стальных изделий защитным слоем металла или полимера;
• сплав накапливает электричество, что заметно усиливает электрохимическую коррозию. Сколько-нибудь объемные конструкции – корпуса машин, трубопроводы, нуждаются в специальной защите;
• сплав не отличается легкостью, стальные конструкции имеют большой вес и заметно утяжеляют объекты;
• изготовление стальных изделий – многоэтапный процесс. Недочеты и ошибки на любом из этапов оборачиваются значительным снижением качества.

Разновидности металла

Подсчитать количество известных и используемых на сегодня сплавов – задача очень непростая. Классифицировать их не менее сложно: свойства материала зависят от состава, метода получения, характера добавок, способа обработки и так далее.

Чаще всего используются следующие классификации:

• по химическому составу сталей – углеродистые и легированные;
• по структурному составу – аустенитную, ферритную и так далее;
• по содержанию примесей – обычного качества, качественная и так далее;
• по методу обработки – термическая закалка – отжиг, термомеханическая – ковка, химико-термическая – азотирование;
• по назначению – инструментальные, конструкционные, специальные стали и так далее.

О нержавеющей стали поведает это видео:

Химический состав

Сплав, по сути своей – твердый раствор. Причем компонент в твердом основном материале растворяется по другим законам, чем в жидкости. Основой получения всех железных сплавов является способность железа к полиморфизму, то есть, формированию разных структурных фаз при разной температуре. Благодаря этому углерод и другие элементы, растворенные в железе при высокой температуре, не выпадают в осадок при понижении температуры, как это происходит с обычными жидкостями, а образуют совместную структуру.

По своему составы стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые

Углеродистые – главным, то есть, определяющим свойства легирующим компонентом является углерод. Различают 3 вида:

• малоуглеродистые – менее 0,3 %. Сплавы отличаются ковкостью и стойкостью к динамическим нагрузкам;
• среднеуглеродистые – доля углерода варьируется от 0,3 до 0,7%;
• высокоуглеродистые содержат более 0,7% углерода. Их отличает более высокая прочность и твердость.

Это деление связано с теми преобразованиями, которые происходят в сплавах. До содержания углерода в 0,8 % сплав сохраняет доэвтектоидную структуру, то есть, имеет ферритно-перлитную структуру. При увеличении доли углерода структура меняется на эвтектоидную и заэвтектоидную, что соответствует перлиту и цементиту. Соотношение фаз во много определяет прочностные характеристики.

Пользователь сталкивается не столько с мало- или высокоуглеродистой сталью, сколько с составом определенной марки. Марка определяется соотношением нескольких критериев, а не только содержанием углерода.

Различают по назначению 3 группы:

• А – нормируются механические качества. Группа подразделяется на 3 категории и 6 марок. Обозначается марка Ст от 0 до 6. Ст0 – это отбракованная по каким-то показателям сталь, используемая в незначимых конструкциях. Ст6 – в наибольшей степени соответствует понятию качественная сталь;
• Б – нормируется по своему химическому составу, делится на 2 категории и 6 марок, обозначается БСт от 0 до 6. С увеличением номера повышается прочность и текучесть материала;
• группа В нормируется и по механическим показателям, и по составу. Она делится на 5 марок, обозначается ВСт.

Применяется дополнительная классификация по содержанию марганца. I – с нормальным содержанием элемента, то есть, 0,25– 0,8%, и II – с повышенным, до 1,2%

Легированные

Легированными называют стали, в которые специально вводят дополнительные ингредиенты для придания составу других качеств. Классификация производится по суммарному объему всех легирующих добавок – не примесей марганца или фосфора.

Различают 3 вида:

• низколегированные – с суммарным объемом добавок до 2,5%;
• среднелегированные – содержит от 2,5 до 10% примесей;
• в высоколегированных доля добавок превышает 10%.

Легирование значительно усложняет структуру твердого раствора, что приводит к возникновению сложнейшей классификации по структурному составу. Маркируются марки по составу: обязательно указывается доля углерода. А затем по уменьшению указывают доли легирующих добавок. Если доля примеси менее 1% вещество не указывается.

В качестве добавок применяют как неметаллы, так и металлы.

• Марганец – увеличивает прочность и твердость материала, улучшает режущие свойства. Но при этом способствует увеличению зерна, что уменьшается стойкость к ударным нагрузкам.
• Хром – улучшает стойкость к ударным и статическим нагрузкам, а также повышает жаропрочность. При большой доле хрома материал становится нержавеющим.
• – увеличивает упругость сплава. При значительном содержании придает стали коррозийную стойкость и жаропрочность.
• Молибден – повышает твердость сплава, но при этом уменьшает хрупкость.

Наиболее известна из легированных сталей, конечно, нержавеющая. Чаще всего это хромо-никелевая и хромистая сталь с долей хрома до 27%.

Фазовый и структурный состав

Получение стали – процесс непростой и неоднозначный. Особенность его состоит в том, что при плавке сплав проходит через фазовые превращения, которые и обуславливают сочетание прочности и упругости.

Легирование углеродом происходит в 2 этапа. На первой стадии при нагреве до 725 С железо соединяется с углеродом, образуя карбид, то есть, химическое соединение, называемое цементитом. При нормальной температуре сталь включает смесь цементита и феррита. При повышении температуры выше 725 С цементит растворяется в железе, формирую другую фазу – аустенит.

С этой особенностью связана классификация сплава по структурному составу в нормализованном виде:

• перлитная – в основном это низкоуглеродистые и низколегированные стали;
• мартенситные – с большим содержанием добавок;
• аутенитная – высоколегированная.

В отожженном состоянии выделяют такие структурные классы:

• доэвтектоидный,
• заэвтектоидный,
• ледебуритный,
• ферритный,
• аустенитный.

В чем смысл подобного деления? Дело в том, что легирующие добавки оказывают разное воздействие на разные структуры стали. Так, растворение в феррите легирующих элементов приводит к увеличению временного сопротивления, за исключением марганца и кремния, которые сплав упрочняют. При легировании аустенита понижается предел текучести при относительно высокой прочности. В результате материал легко и быстро упрочняется при деформации – наклепывании.

Классификация по раскислителю

При плавке металлов частой проблемой является растворенный в них газ – кислород, азот, водород, чтобы удалить его прибегают к раскислению. В зависимости от полноты процесса различают 3 вида:

• спокойная – металл не содержит закиси железа. В сплаве полностью отсутствуют газы, так что его свойства наиболее стабильны и однородны. Применяется для ответственных конструкций, поскольку технология его получения дорогая;
• полуспокойная – затвердевает без кипения, но сопровождается выделением газов. Какое-то количество газов остается, однако может быть удалено при прокатке сплава. Как правило, полуспокойная сталь используется как конструкционная;
• кипящая – содержит растворенные газы. Это сказывается на свойствах: материал склонен к трещинообразованию при сварке, например, но, так как производство кипящей стали требует меньше всего затрат, производится и такой сплав для многих простых конструкций.

Классификация по назначению

Довольно условное разделение сталей по сферам применения стали.

• Строительные – сплавы обычного качества и низколегированные, рассчитанные на высокие статические и в некоторых случаях динамические нагрузки. Главное требование к ним – хорошая свариваемость. На деле в зависимости от характера строительного объекта, применяется материал самого разного качества.
• Инструментальные – как правило, высокоуглеродистые и высоколегированные, применяются при изготовлении инструментов. Различают штампованные сплавы, режущие и стали для измерительных инструментов. Режущие отличаются твердостью и теплостойкостью, материал для измерительных приборов – высокой износостойкостью.
• Конструкционные – с низким содержанием марганца. Это цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые, износостойкие и так далее, применяемые для изготовления самых разнообразных узлов и конструкций. Столь огромного разнообразия свойств добиваются за счет легирования.
• Порой выделяют специальные стали – жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные, но на деле они являются разновидностью конструкционных.

Сталь может включать полезные примеси, то есть, легирующие элементы, и вредные. По содержанию вредных и различают 4 группы:

• рядовые – или обыкновенного качества, с долей серы не более 0,06% и фосфора не выше 0,07%;
• качественные – допускается доля серы не более 0,04% и фосфора не более 0,035%. Процесс их изготовления дороже, но и механические свойства сталей выше;
• высококачественные – доля серы не превышает 0,025%, а фосфора – 0,025%. Получают сплавы в основном в электропечах, чтобы добиться большой чистоты;
• особовысококачественные – выплавляются в электропечах специальными методами. Так получают только высоколегированные стали с содержанием серы до 0,015% и фосфора – 0,025%.

Производство сплава

Процесс изготовления сплава сводится к переработке чугуна, при которой отжигаются лишние примеси и вводятся легирующие элементы. Используются при этом несколько методов.

• Мартеновский – расплавленный или твердый чугун с рудой плавят в мартеновской печи при 2000 С, чтобы отжечь лишний углерод. Добавки вводят в конце плавки. Сталь разливают в ковши и переправляют в прокатный цех.
• Кислородно-конвертерный – более производительный. Сквозь чугун в печи продувают воздух или смесь воздуха с кислородом, добиваясь более быстрого и полного отжига.
• Электроплавильный – плавка осуществляется в закрытой печи при 2200 С, что исключает попадание в сплав газов. Дорогостоящий метод, которым получают лишь высококачественные составы.
• Прямой метод – в шахтной печи окатыши, получаемые из железной руды продувают продуктами сгорания природного газа – смесью кислорода, угарного газа, аммиака, при температуре в 1000 С.

На этом процесс изготовления стали не заканчивается. В тех случаях, когда необходимо получить максимально прочный материал, прибегают к дополнительной обработке.

Термический метод

К термическим способам относится:

• отжиг – нагрев и медленное охлаждение разных видов и с разной скоростью;
• закалка – нагрев выше критической температуры, что вызывает перекристаллизацию сплава, и быстрее охлаждение;
• отпуск – процедура, осуществляет вслед за закалкой с целью уменьшить напряжение металла;
• нормализация – тот же отжиг, но проводимый не в печи, а на воздухе.

Термомеханический способ

Термомеханические методы сочетают механическое и термическое воздействие:

• высокотемпературная ТМО – закалка – наклеп, упрочнение, производится сразу же после нагрева, пока сплав сохраняет аустенитную структуру. Изменение вследствие пластической деформации при прокатке или штамповке сохраняется на 70% и после охлаждения и сталь оказывается более прочной;
• при низкотемпературной ТМО – холоднокатаная сталь. Сплав нагревают для аустенитного состояния, охлаждают ниже точек рекристаллизации, чтобы добиться появления мартенситной фазы – в пределах 400– 600 С. Затем производится закалка – наклеп, прокатка. При охлаждении эффект полностью сохраняется.

Термохимическая обработка

Термохимическая обработка представляется собой нагрев сплавов и выдержку их в определенных химических средах. К наиболее известным методам относят:

• цементацию – насыщение поверхности сплава углеродом. Таким образом получают износостойкий верхний слой;
• азотирование – насыщение стали азотом. Цель такая же – получение верхнего износостойкого слоя, но по сравнению с цементацией, азотирование обеспечивает более высокую стойкость к коррозии;
• нитроцементацию и цианирование – насыщение поверхностного слоя и углеродом и азотом. Обеспечивает более высокую скорость и производительность процесса.

Стоимость материала

Стоимость материала не менее разнообразна, чем количество марок. Условная сталь на Лондонской бирже металлов в декабре 2016 г стоит 325 $ за тонну. Стоимость нержавеющей стали заметно выше: холоднокатаная нержавеющая сталь сорта 304 в декабре оценивается в пределах от 1890 до 1925 $ за тонну.

Сталь – самый востребованный и самый распространенный металлический сплав в мире. Говоря о в народном хозяйстве, имеют в виду именно разнообразные стальные сплавы.

О том, как плавится сталь, смотрите в видео ниже:

Стали и чугуны являются сплавами на основе железа. Технически чистое железо содержит углерода не более 0,04 %. Углеродистые стали относятся к сплавам системы Fe–Fe 3 C. По составу стали располагаются на диаграмме до точки Е, с концентрацией 2,14 % С. Промышленные углеродистые стали относятся к многокомпонентным системам, т.к. кроме углерода они содержат примеси других элементов. Содержание отдельных примесей может быть соизмеримо с содержанием углерода, однако углерод оказывает основное влияние на формирование структуры и на свойства сталей, поэтому анализ структуры промышленных углеродистых сталей можно проводить по диаграмме состояния Fe–Fe 3 C.

Промышленные нелегированные чугуны (серые, высокопрочные, ковкие, с вермикулярным графитом) относятся к высокоуглеродистым сплавам на основе системы Fe–C–Si, в которых углерода содержится более 2,14 %.

Кристаллизация таких чугунов реализуется по стабильной Fe–C–Si или метастабильной Fe–Fe 3 C–Si диаграмме, в зависимости от состава и условий охлаждения. Белые чугуны кристаллизуются в условиях ускоренного охлаждения, для формирования их структуры можно использовать метастабильную диаграмму Fe–Fe 3 C, они являются исходным материалом для получения ковкого чугуна.

Стали относятся к сплавам на основе железа с углеродом (углеродистые стали ). Стали, дополнительно содержащие хром, марганец, кремний, никель, молибден, и другие элементы, называют легированными сталями .

Стали являются основными и наиболее распространенными сплавами для изготовления деталей конструкций, инструмента и изделий специального назначения. Сплавы на основе железа имеют хорошее сочетание высокой прочности, твердости, пластичности, вязкости и технологичности.

По химическому составу стали классифицируются на углеродистые и легированные.

По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.

По способу производства изделий стали классифицируются на деформируемые и литейные.

По металлургическому качеству в зависимости от содержания вредных примесей стали подразделяются на категории: стали обыкновенного качества, (ГОСТ 380-94), качественные (ГОСТ 1050-88 и др.), высококачественные, особо высококачественные.

К наиболее вредным примесям сталей (табл. 4.10) относятся сера и фосфор. Сера приводит к красноломкости стали, т.е. к хрупкости при горячей обработке давлением. Марганец, который вводят в сталь при раскислении, устраняет вредное влияние серы. Фосфор вызывает хладноломкость, т.е. охрупчивания при низких температурах.

По способу раскисления при выплавке стали классифицируются на кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскислением называется процесс восстановления железа из FeO, который протекает по следующим химическим реакциям:

FeO + Mn = Fe + MnO

2FeO + Si = 2Fe + SiO 2

3FeO + 2Al = 3Fe + Al 2 O 3

Кремний и марганец вводят в виде ферросплавов, алюминий – в чистом виде. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем. В таких сталях остается растворенный FeO, и при кристаллизации продолжается процесс кипения по реакции

FeO + C = Fe + CO

Газовые пузыри остаются в теле слитка и завариваются при последующей прокатке. Кипящая сталь дает наиболее высокий выход годного металла.

Таблица 4.10

Массовая доля серы и фосфора в углеродистых и легированных сталях

Спокойную сталь раскисляют марганцем, кремнием, алюминием; при этом в металле достаточно полно удаляется растворенный кислород. При кристаллизации процесс кипения прекращается, сталь успокаивается.

Углеродистые стали относятся к железоуглеродистым сплавам с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % С. Углеродистые конструкционные стали содержат до 0,65 % С, инструментальные – более 0,65 % С.

Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали подразделяются по содержанию углерода, по структуре, по назначению.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные – до 0,8 % С, эвтектоидные – 0,8 % С, заэвтектоидные – более 0,8 % С.

Углеродистые стали, как наиболее дешевые, технологичные и имеющие достаточно высокий комплекс механических свойств, применяются для металлоконструкций общего назначения, используются в строительных конструкциях, для изготовления деталей в машиностроении и т.д.

Углеродистые стали по назначению подразделяются на стали общего и специального применения. К сталям специального назначения относятся автоматные, котельные, строительные, стали для глубокой вытяжки.

Влияние углерода, легирующих элементов, примесей на свойства сталей

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита. При содержании до 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8 % С в структуре стали кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит. Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, однако уменьшается вязкость и пластичность стали. Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8–1,0 %. При увеличении содержании углерода в стали более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных колоний, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает также существенное влияние на технологические свойства стали – свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением.

Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и имеют высокую обрабатываемость давлением .

Постоянными примесями в углеродистых сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси – газы: кислород, азот, водород. Примесями могут считаться и такие элементы, как медь, никель, хром (если они не предусматриваются марочным составом стали и их содержание ограничивается по верхнему пределу с указанием «не более»). К полезным примесям (технологическим добавкам) в углеродистых сталях относятся марганец, кремний, хром; их содержание обычно не превышает одного процента.

Марганец и кремний вводят в сталь при раскислении, они упрочняют железо. Марганец увеличивает прокаливаемость (возможную глубину закаленного слоя) сталей, а также уменьшает вредное влияние серы. Содержание вредных примесей – серы и фосфора регламентируется стандартами. Основным источником серы и фосфора в стали является исходное сырье – чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также приводит к красноломкости стали при прокатке и ковке. Она образует с железом соединение FeS – сульфид железа. При нагреве стальных заготовок до температуры горячей деформации включения FeS вызывают в стали хрупкость, а в результате оплавления при деформации образуют надрывы и трещины. Фосфор, растворяясь в железе, уменьшает его пластичность. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, снижают вязкость и пластичность стали. Повышенное содержание водорода охрупчивает сталь и приводит к образованию внутренних трещин – флокенов.

Углеродистые стали

Классификация углеродистых сталей . Углеродистыми сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % углерода. Углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали содержат до 0,65%С, инструментальные – более 0,65 % С.

Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали подразделяются по содержанию углерода, по структуре, по назначению, качеству, способу производства.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные при содержании углерода до 0,8 % С, эвтектоидные – 0,8 % С и заэвтектоидные – более 0,8 % С.

Углеродистые стали, как наиболее дешевые, технологичные и имеющие достаточно высокий комплекс механических свойств, применяются для металлоконструкций общего назначения, используются в строительных конструкциях, для изготовления деталей в машиностроении и т.д. Стали углеродистые поставляются по ГОСТ 380-94 (стали обыкновенного качества), ГОСТ 1050-88 (прокат из углеродистой качественной конструкционной стали).

По назначению стали подразделяются на стали общего и специального применения. К сталям специального назначения относятся автоматные, котельные, строительные, стали для глубокой вытяжки.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

По способу производства стали подразделяют на деформируемые стали и на литейные.

Согласно диаграмме железо–углерод, к сталям относят сплавы железа с содержанием углерода, менее 2,14 % (все сплавы левее точки Е). Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на свойства стали. С ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, однако уменьшается вязкость и пластичность стали.

Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8 –1,0 %. При увеличении содержании углерода в стали более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных колоний, легко разрушающейся при нагружении.

Углерод оказывает также существенное влияние на технологические свойства стали – свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением.

Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и имеют высокую обрабатываемость давлением.

Кроме железа и углерода (основных компонентов), в сталях содержатся технологические добавки (марганец, кремний) и примеси, главными из которых, наиболее вредными, являются сера и фосфор.

Сера и фосфор – основные вредные примеси в сталях. Массовая доля серы в стали всех марок по ГОСТ 380-94, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %, в стали марки Ст0: серы – не более 0,060 %, фосфора – не более 0,070 %. Кроме того, вредными примесями в сталях являются кислород, водород и азот. Их присутствие вызывает понижение пластичности.

Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, снижают вязкость и пластичность стали. Повышенное содержание водорода охрупчивает сталь и приводит к образованию внутренних трещин – флокенов.

Деформируемые углеродистые стали . Деформируемые углеродистые стали поставляются металлургическими заводами в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки, или после термического упрочнения. Из таких сталей производят листы, полосы, прутки, швеллерные и двутавровые прокатанные профили, то есть деформируемые полуфабрикаты.

Маркировка и технические условия деформируемых углеродистых конструкционных и инструментальных сталей обыкновенного качества, а также качественных и высококачественных определены, соответственно, в ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88, ГОСТ 1435-90.

Углеродистые стали обыкновенного качества . Конструкционные стали обыкновенного качества, благодаря их технологическим свойствам, доступности и возможности получения необходимого комплекса свойств, используются при изготовлении металлоконструкций массового производства, а также слабонагруженных деталей машин и приборов.

Углеродистые стали по ГОСТ 380-94 применяют для изготовления проката горячекатаного: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмсов, слябов, сутунки, заготовок катаной и непрерывнолитой, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов и др.

Углеродистые горячекатаные стали, обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 «Сталь углеродистая обыкновенного качества» изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст2пс, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп (табл. 4.14).

Таблица 4.14

Марки и химический состав сталей углеродистых обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состав стали, буквы «кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная – способ раскисления стали. Массовая доля вредных примесей в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %, в стали марки Ст0 серы – не более 0,060 %, фосфора – не более 0,070 %. Массовая доля углерода в сталях колеблется от 0,06 до 0,49 %, массовая доля марганца – от 0,25 до 0,80 %. Полуспокойные и спокойные стали могут содержать повышенное количество марганца (до 1,20 %), тогда в обозначении марок добавляют букву «Г», например, Ст5Гпс. В кипящих сталях массовая доля кремния составляет не более 0,05 %, в полуспокойных – от 0,05 до 0,15 %, в спокойных – от 0,15 до 0,3 %.

В сталях допускается повышенное содержание вредных примесей, газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, поэтому они относятся к наиболее дешевым сталям.

Кипящие стали отличаются от спокойных и полуспокойных более низкой ударной вязкостью. Порог хладноломкости (температура перехода стали из вязкого состояния в хрупкое) у кипящей стали на 30–40 градусов выше, чем у спокойной. Для ответственных конструкций лучше всего использовать спокойные стали. Однако кипящие стали вследствие низкого содержания кремния имеют невысокий уровень предела текучести и упругости. Этим объясняется высокая способность кипящей стали к вытяжке при деформации.

Недостатком при использовании сталей обыкновенного качества является малая прочность и малая хладностойкость.

Стали обыкновенного качества Ст2пс, Ст2кп, Ст3кп применяются для неответственных, малонагруженных элементов сварных конструкций. Стали Ст4пс, Ст5сп используются для изготовления деталей клепаных конструкций, болтов, гаек, звездочек, рычагов и других изделий.

Углеродистые качественные конструкционные стали . Стандарт ГОСТ 1050-88 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали» устанавливает технические условия для горячекатаного и кованого сортового проката из сталей марок 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60 диаметром или толщиной до 250 мм. Качественные углеродистые стали, по ГОСТ 1050-88 маркируются буквами и цифрами. Двузначные числа показывают содержание углерода в сотых долях процента. Последующее буквенное обозначение указывает на степень раскисления: с – спокойная сталь, пс – полуспокойная сталь, кп – кипящая сталь. При отсутствии буквенного обозначения сталь относят к спокойной стали. Содержание углерода в конструкционных углеродистых сталях составляет от 0,05 до 0,65 %, марганца – от 0,25 до 0,80 %, кремния – от 0,03 до 0,37 % в зависимости от степени раскисления и содержания углерода. По содержанию углерода стали 05кп, 08, 08кп, 10, 15, 20, 25 относятся к низкоуглеродистым сталям, 30, 35, 40, 45, 50 – к среднеуглеродистым, 55, 60 – к высокоуглеродистым.

Главное преимущество сталей качественных по ГОСТ 1050-88 – более низкое содержание серы (не более 0,035 %) и фосфора (не более 0,040 %).

Механические свойства проката из углеродистой качественной конструкционной стали по ГОСТ 1050-88 приведены в табл. 4.15. В соответствии с маркой стали увеличение содержания углерода приводит к росту прочности (σ в и σ т) и уменьшению пластичности (δ и Ψ).

Таблица 4.15

Механические свойства проката из сталей по ГОСТ 1050-88

Низкоуглеродистые кипящие стали характеризуются низким пределом текучести, т.к. практически не содержат кремния. Низкоуглеродистые стали типа 05кп, 08, 08кп, 10кп, 10 используются без термической обработки, они хорошо штампуются в отожженном состоянии и применяются в автомобилестроении для изготовления изделий сложной формы: крылья, двери, капот, не несущих деталей кузова.

Стали качественные по ГОСТ 1050-88 предназначены для изготовления широкой номенклатуры изделий, полуфабрикатов, металлоконструкций в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.

Стали 15, 20, 25 – цементуемые. Данные стали применяют для изделий, работающих в условиях повышенного износа и динамических нагрузок, но не испытывающих значительных напряжений. Из цементуемых сталей 15кп, 20, 25, 20кп изготавливают болты, винты, фланцы, рычаги, шпиндели, клапаны холодильных аппаратов, змеевики и другие детали, работающие при температурах от –40 до +125 °С.

Стали от 30 до 60 – улучшаемые. Детали из них подвергаются закалке с высоким отпуском, что обеспечивает им высокий комплекс механических свойств. Они не склонны к отпускной хрупкости, дешевы, однако обладают низкой прокаливаемостью. Критический диаметр, при котором обеспечивается сквозная прокаливаемость, не более 12 мм. Улучшаемые стали 30, 35, 40, 45 используются для изготовления деталей средних размеров несложной конфигурации, к которым предъявляются требования повышенной прочности: ролики, валики, втулки, коленчатые валы, звездочки, оси, шайбы, шатуны, зубчатые колеса, болты и др.

Стали с содержанием углерода более 0,6 % (60, 65, 70, 75, 80), а также стали такого же класса, но дополнительно содержащие повышенное количество кремния или марганца (65Г, 60С2, 70С3), применяются для изготовления рессор и пружин. При этом такие стали подвергаются термической обработке, заключающейся в закалке и среднетемпературном отпуске, после которой пружины и рессоры приобретают высокие упругие характеристики механических свойств и большой предел выносливости. Высокоуглеродистые стали применяют после нормализации, закалки, отпуска или поверхностного упрочнения. Они обладают высокой прочностью и износостойкостью, а также высоким пределом упругости.

Классификация сталей по химическому составу

По химическому составу стали подразделяют на:

При определении степени легирования содержание углерода во внимание не принимают, марганец и кремний считаются легирующими элементами при их содержании более 1 и 0,8 % соответственно.

Классификация сталей по структуре

Структура стали – менее устойчивый классификационный признак, так как зависит от скорости охлаждения (толщины стенки отливок), степени легирования, режима термообработки и других изменяющихся факторов, но структура готового изделия позволяет объективно оценивать его качество.

Стали по структуре классифицируют в состояниях после отжига и нормализации.

В отожженном состоянии стали подразделяют на:

• доэвтектоидные – имеющие в структуре избыточный феррит
• эвтектоидные – структура которых состоит из перлита
• заэвтектоидные – в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита
• ледебуритные – в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды
• аустенитные
• ферритные

После нормализации стали подразделяют на следующие структурные классы:

• перлитный
• аустенитный
• ферритный

Классификация сталей по назначению

Конструкционные – стали, предназначенные для изготовления деталей машин и элементов строительных конструкций.

Конструкционные стали подразделяются на:

• обыкновенного качества;
• улучшаемые;
• цементируемые;
• автоматные;
• высокопрочные;
• рессорно-пружинные.

Инструментальные – стали, применяемые при изготовлении режущих и измерительных инструментов.

Инструментальные стали подразделяются на подгруппы по изготовлению:

• для режущего инструмента;
• для измерительного инструмента;
• для штампово-прессовой оснастки.

Специального назначения – стали с особыми физическими и механическими свойствами.

Стали специального назначения подразделяются на:

• нержавеющие (коррозионно-стойкие);
• жаростойкие;
• жаропрочные;
• износостойкие;
• магнитные;
• немагнитные и т.д.

Классификация сталей по качеству

По качеству стали классифицируются на:

• обыкновенного качества – содержащие до 0,06 % серы и 0,07 % фосфора;
• качественные – содержащие до 0,035 % серы и 0,035 % фосфора;
• высококачественные – содержащие не более 0,025 % серы и 0,025 % фосфора;
• особо высококачественные – содержащие не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора.

Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства (способ выплавки). Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов.

Классификация сталей по степени раскисления

По степени раскисления стали классифицируют на:

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

Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали.

Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины.

Дендритная ликвация вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки сечении значительно ниже, чем в продольном.

Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней – уменьшается. Это приводит к значительному ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.

Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей окиси углерода, создавая впечатление «кипения» стали.

Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Эти стали выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (менее 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листовой прокат из такой стали предназначен для изготовления деталей кузовов автомобилей вытяжкой, имеет хорошую штампуемость в холодном состоянии.

Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в плавильной печи и в ковше, а окончательно – в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.

Литература

1. Материаловедение / Ю.Т. Чумаченко, Г.В. Чумаченко. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 320 с.
2. Материаловедение / О.В. Травин, Н.Т. Травина. М.: Металлургия. 1989. 384 с.
3. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
4. Материаловедение / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. – М.: ПрофОбрИздат, 2001. – 240 с.
5. Справочник молодого токаря-револьверщика / Е.О. Пешков. М., Высшая школа, 1966. 179 с.
6. Справочная книга сварщика / А.М. Китаев, Я.А. Китаев. М.: Машиностроение, 1985. – 256 с.
7. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Машиностроение, 1982. – 528 с.
8. Общетехнический справочник / Под общ. ред. Е.А. Скороходова. – М.: Машиностроение, 1989. – 512 с.

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет 2,14 % (теоретически). На практике концентрация углерода составляет не более 1,5 %. Кроме углерода в стали находятся постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор и другие химические элементы. Производство стали заключается во вторичной переработке передельного белого чугуна различными способами: мартеновским, конвертерным, электроплавкой и др. Сущность производства стали заключается в удалении углерода и других химических элементов в процессе плавки шихты, состоящей из жидкого или чушкового чугуна, стального лома, железной руды и известняка. Плавку производят в различных сталелитейных агрегатах: мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, электроиндукционных и в других металлургических агрегатах.

Сталь также является основным конструкционным материалом в машиностроении и других отраслях промышленного производства.

В обычных условиях применяются простые углеродистые стали; при высокой температуре и активной среде - специальные легированные стали (например, для изготовления насоса для перекачки кислот, механизмов, работающих в морской воде и Т.Д.).

В связи с этим черная металлургия нашей страны выпускает стали с различными физико-химическими и механическими свойствами. Все отрасли промышленности получают от металлургов стали различных марок, сортаментов и наименований. Запомнить это многообразие сталей, поставляемых металлургами, практически невозможно, поэтому наука о металлах - металловедение - классифицирует все выпускаемые стали по различным признакам (рис. 5.10).

По химическому составу стали подразделяются на две большие группы: углеродистые и легированные.

Рис. 5.10.

Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и постоянные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам. Другие химические элементы в углеродистых сталях отсутствуют. Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (0,3...0,6 % углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода).

Легированные стали, кроме углерода, содержат различные химические элементы, как металлы, так и неметаллы. Эти элементы вводятся в процессе плавки для получения более высоких физико-химических и механических свойств по сравнению с углеродистыми сталями. Легировать - значит сплавлять, соединять, поэтому химические элементы, вводимые в сталь, называются легирующими элементами, а стали, сплавленные с ними, получили название легированных сталей.

Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов, определяющих химический состав сталей и наличие в них вредных примесей - серы и фосфора, а также различных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси и присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические, механические и технологические свойства, т.е. ухудшают их качество. В связи с этим по качеству стали, как углеродистые, так и легированные, делятся на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.

Стали обыкновенного качества содержат 0,045...0,060 % серы, 0,04...0,07 % фосфора.

Качественные стали изготавливаются с массовой долей серы не более 0,04 %, фосфора - 0,035...0,040 %. Качественные стали бывают как углеродистые, так и легированные.

Высококачественные углеродистые и легированные стали содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.

Особовысококачественные стали имеют массовую долю серы не более 0,015 %, фосфора - не более 0,025 %. Легированные особовысококачественные стали получают методами электро- шлакового или вакуумно-дугового переплава.

По назначению углеродистые и легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные стали, как углеродистые, так и легированные, идут на изготовление различных деталей машин, сварных строительных конструкций и т. п. К этим сталям предъявляются определенные требования по химическому составу, механическим, технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам. Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обработке, другие - только термической обработке. По технологическим признакам конструкционные стали подразделяются на штампуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости резанием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электротехнические, строительные и др.

Стали этой группы по химическим свойствам подразделяются на нержавеющие, кислотостойкие, окалиностойкие и др., а в зависимости от химической стойкости они бывают конструкционные и специального назначения.

К конструкционным углеродистым сталям относятся стали обыкновенного качества (марок СтО, Ст1 и т.д.), а также качественные стали (марок 05, 10, 15 и т.д.). К легированным конструкционным сталям относится большая группа низко- и среднелегированных сталей, подвергаемых химико-термической и термической обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).

Инструментальные углеродистые и легированные стали идут на изготовление режущего, измерительного и ударного инструмента, штампов для деформирования в горячем и холодном состоянии. К этим сталям предъявляются высокие требования по прокаливаемое™, красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки) и др.

Специальные легированные стали - это, как правило, конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, магнитные, электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением, теплостойкие и другие стали. Эту группу составляют высоколегированные стали, имеющие массовую долю легирующих элементов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель, марганец и т.д. Применение тех или иных легирующих элементов определяется требуемыми свойствами. Например, коррозионно-стойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %, жаростойкие - в зависимости от требуемой температуры - 9... 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содержат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).

По способу раскисления стали подразделяются на три категории: кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскисление - это процесс удаления из стали в жидком состоянии оксида железа (ИеО), который образуется в процессе плавки и придает стали активную склонность к коррозии. Кроме того, в процессе раскисления из стали в жидком состоянии удаляются азот и водород. Раскисление проводят путем добавки перед выпуском стали в разливочный ковш кремния, марганца или алюминия в зависимости от требуемой степени раскисления.

Практически установлено, что при наличии в стали кислорода, вступившего в реакцию с железом (РеО), при горячей деформации образуется высокая хрупкость. Кроме того, оксид железа способствует понижению прочности при отрицательных температурах и образует высокую склонность к межкристаллит- ной коррозии.

Кипящие стали раскисляют марганцем. При охлаждении стали в изложницах выделяются газы, которые создают ложное впечатление, что сталь при затвердевании кипит. Кипящие стали производят как обыкновенного качества, так и качественными. Как правило, эти стали бывают низкоуглеродистыми.

Спокойные стали раскисляют алюминием, марганцем и кремнием. В этих сталях кислород практически полностью вступает в реакцию с раскислителями, всплывает наверх и удаляется со шлаком. При охлаждении они затвердевают спокойно, без газо- выделения. Все легированные качественные и углеродистые стали выпускаются спокойными.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными сталями. Их раскисляют марганцем и алюминием. Полуспокойные стали выпускают только углеродистыми.

На структуру стали большое влияние оказывают массовая доля углерода, легирующие элементы и состояние поставки. В связи с этим по структуре стали классифицируются в отожженном (равновесном) и нормализованном состоянии.

В отожженном состоянии структура сталей делится на шесть классов:

• доэвтектоидные - структура феррита и перлита;
• эвтектоидные - структура перлита;
• заэвтектоидные - структура перлита и цементита;
• ледебуритные - структура первичного ледебурита или карбида;
• аустенитные - структура твердых растворов, перенасыщенных углеродом;
• ферритные - структура твердых растворов со слабо насыщенным углеродом.

Углеродистые стали имеют структуру первых трех классов, легированные - всех шести классов. Ледебуритные, аустенитные и ферритные классы структур образуются при введении в состав никеля, ванадия, вольфрама и других легирующих элементов. При определенном сочетании возможно образование промежуточных классов структур, например полуферритных, полуаустенитных и др.

В нормализованном состоянии стали имеют четыре класса структур: ферритные, перлитные, мартенситные и аустенитные.

Структура стали ферритного класса неустойчивая. В зависимости от скорости охлаждения на воздухе эта сталь может приобрести структуру перлита, троостита или сорбита. К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стали.

Низкоуглеродистые стали с массовой долей углерода до 0,15 %, легированные хромом (12... 15 %), образуют устойчивую структуру феррита. При нагревании и охлаждении этот класс сталей свою структуру не меняет.

Стали мартенситного класса имеют высокую устойчивость, при охлаждении образуют твердую мелкодисперсную структуру. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса образуются при высокой массовой доле никеля и марганца в сочетании с хромом. Стали этого класса имеют высокую ударную вязкость.