Материаловедение



Сталь




Все известные в природе металлы относят к двум группам - черные и цветные металлы. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Кроме того, к черным металлам относят марганец - металл серебристо-белого цвета; но в металлургии и в бытовом сленге этот элемент в перечне черных металлов упоминается редко.
классификация сталей Все прочие металлы и сплавы, не содержание железо или содержащие его в небольшом количестве, относят к цветным металлам.

Такая классификация обусловлена рядом причин, в первую очередь, химико-механическими свойствами железосодержащих металлов и сплавов, обладающих низкой коррозийной стойкостью (кроме некоторых сталей со специфическими добавками) и магнетизмом. Черные металлы привлекают машиностроителей хорошей податливостью к обработке, механической прочностью, а также низкой ценой.
Цветные металлы обладают рядом уникальных свойств - высокой электропроводностью, устойчивостью к коррозии, небольшим удельным весом при высокой прочности, а в некоторых случаях и высокими эстетико-ювелирными качествами. Как правило, цветные металлы являются более дорогостоящими из-за их относительной редкости в природе, а также сложности выделения из породы.
Цветные металлы, чаще всего, классифицируют на легкие, тяжелые и благородные металлы.

Итак, основой черных металлов является железо. Однако в чистом виде этот металл в природе практически не встречается из-за относительно низкой коррозийной стойкости, поэтому железо в чистом виде в машиностроении не применяется, а используются сплавы, основу которых составляют соединения железа с углеродом - стали и чугуны.
Сталями называют многокомпонентные сплавы с содержанием углерода до 2,14 %.
Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14 %.

Стали и чугуны очень широко используются в машиностроении. При этом незначительные добавки цветных металлов или неметаллических элементов в стальные или чугунные сплавы позволяют существенно изменять их химико-механические свойства в зависимости от потребностей машиностроителей, незначительно влияя, при этом, на стоимость полученного сплава.

***

Свойства, классификация и маркировка сталей

В основу классификации сталей заложены их химический состав, структура, назначение, технологическая обрабатываемость, качество.
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).
По структуре - доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, феррито-перлитная, аустенитная, мартенситная.
По назначению - конструкционные, машиностроительные и инструментальные.

Углеродистые стали, в зависимости от содержания в них углерода, 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.

Влияние на свойства стали добавки некоторых химических элементов приведены в таблице 3.

Таблица 3.  Влияние легирующих элементов на свойства сталей и сплавов

Элемент
Обозн. в
маркировке
Хим.
знак
Влияние на свойства металлов и сплавов
  Никель
Н
Ni
Повышает коррозионную стойкость.
Коррозионную стойкость никель передает сплавам через усиление связей между узлами кристаллической решетки. Усиленная прокаливаемость таких сплавов определяет устойчивость свойств в течение длительного времени.
  Хром
Х
Cr
Применяется для улучшения механических свойств.
Повышение пределов прочности и текучести обусловлено нарастанием плотности кристаллической решетки.
  Алюминий
Ю
Al
Применяется для повышения прочностных свойств.
Подается в струю металла при разливке для раскисления, при этом большая часть остается в шлаке, но часть атомов переходит в металл и настолько сильно искажает кристаллическую решетку, что это приводит к многократному повышению прочностных характеристик.
  Титан
Т
Ti
Применяется для повышения жаропрочности и кислотоустойчивости сплавов.
  Кремний
С
Si
Увеличивает прочность, упругость, кислостойкость, окалиностойкость и некоторые электротехнические свойства.
В количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость.
  Марганец
Г
Mn
При содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.
  Вольфрам
В
W
Образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.
  Ванадий
Ф
V
Повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем.
  Кобальт
К
Co
Повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.
  Молибден
М
Mo
Увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.
  Ниобий
Б
Nb
Улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.
  Медь
Д
Cu
Увеличивает антикоррозионные свойства. Медь вводится главным образом в строительную сталь.
  Цирконий
Ц
Zr
Оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

***

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.

***

Электротехнические стали

Нелегированные стали, относящиеся к категории электротехнических (их обычно называют чистым техническим железом) имеют невысокое электрическое сопротивление благодаря минимальному составу углерода (менее 0,04%).
В обозначении марок таких сталей нет букв, только цифры: 10880, 20880 и т.п.
Первая цифра указывает на классификацию по типу обработки: горячекатаная или кованная – 1, калиброванная – 2.
Вторая цифра связана с категорией коэффициента старения: 0 – ненормируемый, 1 – нормируемый.
Третья цифра указывает на группу, к которой данная сталь относится по нормируемой характеристике, принятой за основную.
По четвертой и пятой цифрам определяется само значение нормируемой характеристики.

***

Все о чугунах