Материаловедение





Сталь




К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун).
Железо в чистом виде в машиностроении не применяется.
Сталь многокомпонентный сплав с содержанием углерода до 2,14 %.
Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14 %.

***

Свойства, классификация и маркировка сталей

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

  • малоуглеродистыми, содержащими углерода менее 0,25%;
  • среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25…0,60%;
  • высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%.

Легированные стали подразделяют на:

  • низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%;
  • среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
  • высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.
обозначение сталей

Конструкционные стали предназначены для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

Стали с особыми физическими свойствами: с определенными магнитными характеристиками (электротехническая сталь) или с малым коэффициентом линейного расширения (суперинвар).

Стали с особыми химическими свойствами: нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

Качество стали зависит от содержания вредных примесей: серы и фосфора. Стали обыкновенного качества, содержат до 0.06% серы и до 0,07% фосфора; качественные – до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно; высококачественные – до 0,025% серы и фосфора; особо высококачественные – до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:

  • спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами «сп» в конце марки (иногда буквы опускаются);
  • кипящие стали – слабо раскисленные; маркируются буквами «кп»;
  • полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами «пс».

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

  • сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);
  • сталь группы Б – по химическому составу;
  • сталь группы В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

***

Конструкционные стали

Нелегированные конструкционные стали обыкновенного качества обозначают по ГОСТ 380-94 буквами «Ст» и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква «Г» после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали.
Например:

Ст1кп2 – углеродистая сталь обыкновенного качества, номер  марки 1, кипящая второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А); 

ВСт5Г – углеродистая сталь с повышенным содержанием  марганца, спокойная, номер марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

Бст0 – углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории.

Таблица 1. Содержание углерода в стали:

Марка стали

Содержание углерода

Ст0

< 0.23%

Ст1

0.06…0.12%

Ст2

0.09…0.15%

Ст3

0.14…0.22%

Ст4

0.18…0.27%

Ст5

0.28…0.37%

Ст6

0.38…0.49%

Нелегированные конструкционные качественные стали

В соответствии с ГОСТ 1050-88 эти стали маркируются двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05; 08; 10; 25; 40 и т.д. Так сталь с содержанием углерода 0,07…0,14% обозначается 10, сталь с содержанием углерода 0,42…0,50% – 45 и т.д..

При этом для сталей с содержанием углерода меньше  0,2%, не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы «кп» (для кипящей стали) и «пс» (для полуспокойной). Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются. 
Например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д. Буква «Г» в марке стали указывает на повышенное содержание марганца. 
Например: 14Г, 18Г и т.д.

***

Стали с повышенными свойствами

Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначают по ГОСТ 5520-79 добавлением буквы «К» в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К.

***

Конструкционные легированные стали

В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Буквенные обозначения легирующих элементов приведены в Таблице 2.

Таблица 2.  Буквенные обозначения легирующих элементов в сталях

Элемент

Обозначение

  Ниобий

Nb

Б

  Вольфрам

W

В

  Марганец

Mn

Г

  Медь

Cu

Д

  Кобальт

Co

К

  Молибден

Mo

М

  Никель

Ni

Н

  Бор

B

Р

  Кремний

Si

С

  Титан

Ti

Т

  Ванадий

V

Ф

  Хром

Cr

Х

  Цирконий

Zr

Ц

  Алюминий

Al

Ю


Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа, при содержании легирующего элемента до 1,5% цифра за соответствующей буквой не указывается. 
Например, сталь состава: углерода C 0,09…0,15%, хрома Cr 0,4…0,7%, никеля Ni 0,5...0,8% обозначается 12ХН, а обыкновенного качества с повышенным содержанием легирующих элементов: сталь содержащая  углерода C 0,27...0,34%, хрома Cr 2,3...2,7%, молибдена Mo 0,2...0,3%, ванадия V 0,06...0,12%.обозначается   30Х3МФ. 
Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S<0,03%, P < 0,03%) и сталь относится к группе высококачественных в конце ее обозначения ставят букву А.

***

Особо высококачественные стали

Особо высококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплавуобеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов, обозначают добавлением через тире в конце наименования стали буквы Ш. 
Например: 12Х2Н4А, 15Х2МА, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш и др.

***

Литейные конструкционные стали

В соответствии с ГОСТ 977-88 обозначаются по тем же правилам, что и качественные и легированные стали. Отличие заключается лишь в том, что в конце наименований литейных сталей приводится буква Л.

Например, 15Л, 20Г1ФЛ, 35ХГЛ и др.

***

Шарикоподшипниковые стали

Шарикоподшипниковые стали по ГОСТ 801-78 маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента. Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире. 
Например: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.

***

Автоматные стали

Автоматные стали ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная). Если сталь при этом легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС
Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей.
Например: А20, А40Г, АС14, АС38ХГМ.

***

Инструментальные стали

Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435-90 делятся на качественные и высококачественные. Качественные стали обозначаются буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали в десятых долях процента.
Например, сталь У7 содержит 0,65...0,74% углерода, сталь У10...0,95...1,04%, а сталь У13 – 1,2%.
В обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А и т.д.). Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца. 
Например: У8Г, У8ГА.

***



Инструментальные легированные стали

Правила обозначения инструментальных легированных сталей по ГОСТ 5950-73 в основном те же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали.
Процентное содержание углерода также указывается в начале наименования стали, в десятых долях процента, а не в сотых, как для конструкционных легированных сталей. Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода составляет около 1.0%, то соответствующую цифру в начале ее наименования не указывают.
Например: сталь 4Х2В5МФ имеет содержание C 0,3...0,4%, Cr 2,2...3,0%, W 4,5...5,5%, Mo 0,6...0,9%, V 0,6...0,9%, а сталь ХВГ...C 0,9...1,05%, Cr 0,9...1,2%, W 1,2...1,6%, Mn 0,8...1,1%.

***

Быстрорежущие стали

Обозначают буквой «Р», следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама. В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4% во всех сталях, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия). Буква «Ф», показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2,5%.
В соответствии с вышесказанным сталь Р6М5 имеет состав С - 0,82...0,9%, Cr 3,8...4,4%,  Mo - 4,8...5,3%, V 1,7...2,1%, W 5,5...6,5%,
а сталь состава С 0,95...1,05%Cr - 3,8...4,3%, Mo 4,8...5,3%, V 2,3...2,7%, N 0,05...0,1%, W 5,7...6,7% называется Р6АМ5Ф3.

***

Нержавеющие стали

Обозначения стандартных нержавеющих сталей согласно ГОСТ 5632-72 состоят из букв и цифр и строятся по тем же принципам, что и обозначения конструкционных легированных сталей. В обозначения литейных нержавеющих сталей добавляется буква «Л».

Например: нержавеющая сталь состава C < 0,08%, Cr 17,0...19,0%, Ni 9,0...11,0%, Ti 0,5...0,7% обозначается 08Х18Н10Т, а литейная сталь 16Х18Н12С4ТЮЛ имеет состав C 0,13...0,19%, Cr 17,0...19,0%, Ni 11,0...13,0%, Si 3,8...4,5%, Ti 0,4...0,7%, Al 0,13...0,35%.

В том случае, если стали получены методом электрошлакового переплава, к их наименованиям (также как и для легированных сталей) добавляется через тире буква «Ш» (06Х16Н15М3Б-Ш).
К наименованиям указанных сталей через тире могут добавляться буквы, означающие следующее: 

  • ВД – вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД), 
  • ВИ – вакуумно-индукционная выплавка (03Х18Н10-ВИ), 
  • ЭЛ –- электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5Т-ЭЛ), 
  • ГР – газокислородное рафинирование (04Х15СТ-ГР), 
  • ИД – вакуумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ЭП14-ИД), 
  • ПД – плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ХН45НВТЮБР-ПД), 
  • ИЛ – вакуумно-индукционная выплавка с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭП989-ИЛ) и т.д.

***

Все о чугунах