Стали. Их классификация и маркировка.

Сталь (нем. Stahl) – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом, содержа- щий до 2,14% углерода и другие элементы.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода делят на низкоуглеро-

дистые (углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (углерода от 0,25 до 0,60%) и вы- сокоуглеродистые (углерода более 0,60%).

Легированные стали помимо постоянных примесей (серы и фосфора) в своем соста- ве имеют различные легирующие элементы.

Легирование (нем. Legieren – сплавлять, от лат. Ligo – связываю, сплавляю) – вве- дение в состав металлических сплавов определенных (так называемых легирующих) элементов для придания сплавам определенных физических, химических и механиче- ских свойств.

По суммарному количеству легирующих элементов легированные стали разделяются на низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (легирующих элементов от 2,5 до 10,0%) и высоколегирован- ные (содержание легирующих элементов более 10,0%).

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей ма- шин и механизмов, конструкций и сооружений. Эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Содержание углерода в сталях этой группы не превышает 0,5-0,6

%.

Конструкционные стали, кроме комплекса высоких механических свойств должны иметь и высокую конструктивную прочность, т.е. прочность, которая находится в наи- большем соответствии со служебными свойствами данного изделия и определяет на- дежность материала против внезапных разрушений. Например, усталостная прочность, длительная прочность, коррозионная и эрозионная стойкость и др.

Конструкционная сталь должна обладать и хорошими технологическими свойствами - легко обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка) и резанием, хорошо сва- риваться, максимально прокаливаться и иметь малую склонность к деформации и тре- щинообразованию при закалке и др.

 

Инструментальные стали, как следует из названия, применяются для изготовле- ния различных обрабатывающих инструментов или их элементов. Инструментальные стали делятся на углеродистые (содержание углерода обычно 0,8 -1,3%) и легирован- ные.

Стали с особыми свойствами получают путем легирования определенными эле- ментами, что позволяет получить специфические физические и химические свойства, определяемые условиями эксплуатации конструкций или изделий. В общем случае к ним относят электротехнические, нержавеющие, кислотоскойкие, окалиностойкие (жаростой- кие), жаропрочные, стали для постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят в зависимости от количества вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений (карбидов, сульфидов, оксидов и др.) на стали обыкновенного качества (серы до 0,06%, фосфора до 0,07%), качественные (серы и фосфора не более 0,035%), высококачественные (серы и фосфора менее 0,025%) и особо высококачественные (серы менее 0,015%).

Сера снижает механические свойства, является причиной красноломкости (хрупко- сти в горячем состоянии). Фосфор усиливает хладноломкость стали – хрупкость при пониженных температурах.

Углеродистые стали дополнительно подразделяются по характеру застывания ме- талла в изложнице (степени раскисления) на спокойные, полуспокойные и кипя- щие.

Спокойные стали получают полным раскислением металла в печи, а затем в ковше. Содержание оксида железа FeO в этих сталях минимальное. Это обеспечивает «спокой- ное» с уменьшением объема застывание металла в изложнице. В верхней части слитка образуются усадочная раковина и околоусадочная рыхлость, которые удаляют отрезкой или отрубкой при прокатке.

Кипящие стали полностью нераскислены (без ферросилиция). Поэтому они до за- твердевания содержат повышенное количество FeO. При застывании в изложнице FeO реагирует с углеродом металла, при этом образуется СО. Выделение пузырьков СО соз- дает впечатление кипения металла. В слитке кипящей стали сохраняется большое коли- чество газовых пузырей, объем которых компенсирует уменьшение объема при образо- вании усадочной раковины, которая поэтому отсутствует. Если пузырьки имеют чистые неокисленные стенки, то при горячей прокатке они завариваются. Кипящие стали более дешевые, так как отходы при их производстве минимальные. По сравнению со спокой- ной и полуспокойной сталями они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хоро- шо принимают вытяжку в холодном состоянии.

Полуспокойные стали представляют собой стали промежуточного типа. Они полу- чают все более широкое применение.

Легированные стали дополнительно классифицируются по микроструктуре на следующие классы:

Перлитный класс - сталь, имеющая после нормализации структуру перлит (сорбит или тростит), перлит (сорбит или тростит) + феррит, перлит (сорбит или тростит) + заэв- тектоидные карбиды (строительные, конструкционные и инструментальные углероди- стые и низколегированные стали).

Мартенситный класс - сталь со сниженной критической скоростью закалки, имею- щая после охлаждения на воздухе мартенситную структуру (высоколегированная конст- рукционная, инструментальная и некоторые марки нержавеющей стали). Стали мартен- ситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью. Для таких сталей прово- дят закалку с последующим низким отжигом.

Аустенитный класс - сталь, в которой под влиянием легирующих элементов точка полиморфного превращения твердого раствора на базе g - железа в твердый раствор на базе α - железа находится ниже комнатной температуры; после нормализации структура такой стали состоит обычно из аустенита или аустенита и карбидов (высоколегированно-

 

го нержавеющая, жаростойкая и жаропрочная стали). Такие стали помимо высокой кор- розионной стойкости обладают хорошей обрабатываемостью давлением, жаропрочно- стью и жаростойкостью, не охрупчиваются и не чувствительны к хладноломкости. Но при этом они имеют низкую стойкость к межкристаллитной коррозии и не упрочняются закал- кой

Ферритный класс - сталь, легированная элементами, суживающими и замыкающи- ми на диаграмме состояния область существования твердого раствора на базе α - мо- дификации железа, при определенном содержании этих легирующих элементов сталь после нормализации будет иметь структуру феррита или феррита и карбидов (высоко- хромистая, нержавеющая, жаропрочная, жаростойкая стали). Стали ферритного класса отличаются наилучшей пластичностью и свариваемостью, но при медленном охлажде- нии и увеличении размеров зерна склонны к охрупчиванию. Поэтому такие стали требу- ют отжига или стабилизацию карбидообразующими элементами (Ti, Nb).

Карбидный класс - сталь с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов: в литом состоянии в структуре такой стали имеется карбидная эвтектика, в деформированном состоянии - первичные (эвтектические) вторичные карбиды. Типич- ным примером стали карбидного класса может служить быстрорежущая сталь (напри- мер, Р18).

Класс легированной стали по микроструктуре может быть определен по диаграмме Шеффлера (рис.1.4). По координатным осям на этой диаграмме отложены эквиваленты хрома (%Cr) и никеля (%Ni). Зная химический состав, можно определить структурный класс стали.

Рис.1.4. Диаграмма Шеффлера.

Пример: Определим класс микроструктуры для сталей марок 12Х18Н10Т, 15Х5М, 08Х13 и 20Х20Н14С2. Их химический состав представлен ниже.

Сталь	Содержание элементов, %	%Cr	%Ni
С	Cr	Ni	Mn	Si	Mo	Nb	V
12Х18Н10Т	0,12	17-19	9-11	2,0	0,8	-	-	-	19,2	14,6
15Х5М	0,15	4,5-6	0,6	0,5	0,5	0,6	-	-	7,4	5,5
15Х28	0,15	27-30	0,6	0,8	1,0	-	-	-	31,5	5,5
20Х20Н14С2	0,20	19-22	12-15	1,5	2-3	-	-	-	32,0	19,8

По диаграмме Шеффлера находим, что сталь 12Х18Н10Т является сталью аустенит- ного класса, сталь 15Х5М – мартенситного класса, сталь 15Х28 – ферритного класса, сталь 20Х20Н14С2 - аустенитно-ферритного класса.

Относительно маркировки сталей следует отметить, что единой мировой системы маркировки сталей нет. В России (как и ранее в СССР) принята следующая марки- ровка сталей.