Какие виды стали бывают: разновидности, типы и их характеристики

• By: Семантика
• Без рубрики
• Comment: 0

В металлургии используется очень большое количество сплавов. При этом все марки и разновидности обычному человеку запомнить и отличить практически невозможно, да и не нужно. Мы предлагаем обзор, который расширит познания потребителя и даст понимание о том, какие бывают основные виды и классы стали, их свойства по назначению и структуре, применение материала. В повседневной деятельности это знание может пригодиться для того, чтобы определить продолжительность эксплуатации металлического изделия, а также чтобы узнать, какие меры нужно предпринять, чтобы увеличить коррозионную стойкость, защитить от химических реакций, а также обновить внешнее покрытие.
При этом металлург, слесарь, токарь, резчик металла и любой специалист, занимающийся металлообработкой, обращает больше внимания на другие характеристики – это прочность, вязкость, хрупкость, температура плавления. Все это дает ему необходимые знания для того, чтобы подобрать оптимальные технологии для обработки. Проектировщики, машиностроители используют эту информацию для того, чтобы определить сферу использования стального элемента, а также решить, из какого материала нужно изготавливать металлоконструкцию для достижения определенных параметров.

Классификации сталей

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

Стали классифицируют:

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

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

Классификация по химическому составу

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

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

Классификация по структуре

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

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

Микроструктура ледебуритной стали

Эвтектоидная сталь и ее микроструктура

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

• перлитные;
• аустенитные;
• ферритные.

Микроструктура перлита

Классификация по степени раскисления

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

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

Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si.

Классификация сталей по степени раскисления

О чем говорит маркировка

Мы перечислили основные причины для классификации сталей – это назначение, структура, содержание компонентов. Именно по данным факторам происходит определение марки. Так, например, самый распространенный подвид – конструкционные сплавы обыкновенного качества без легирующих добавок — можно маркировать как «Ст». Потом идет цифра, которая определяет количество углерода.

Классификация стали по содержанию примесей

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

В некоторых классификациях особовысококачественные включают в состав высококачественных.

Обыкновенного качества

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

Качественные

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

Классификация сталей по качеству

Высококачественные

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

Высокопрочная сталь

Особовысококачественные

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

Обозначение с легирующими элементами

Далее сложнее, так как вступает в игру легирующий состав. Ниже покажем таблицу – буквенное сочетание:

Покажем на примере определенной марки: Первая цифра всегда указывает на количество сотых частей углерода. Затем перечисляются буквенные обозначения, которые отвечают за добавки. Если рядом с ним не стоит буква, значит этого компонента меньше, чем 1%. Сзади самая последняя буква (в примере не указана) может быть «А» или «Ш» – это высококачественная или особовысококачественная сталь, соответственно.

Классификация стали по назначению

Следующий вид классификации сталей — по назначению:

• конструкционные;
• инструментальные;
• с особыми физико-химическими характеристиками.

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

Классификация сталей по назначению

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

Конструкционные

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

Конструкционная сталь

Классификация предусматривает:

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

Строительные

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

Для холодной штамповки

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

Цементируемые

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

Изделия из цементируемой стали

Улучшаемые

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

Высокопрочные

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

Пружинные

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

Пружинная сталь

Подшипниковые

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

Автоматные

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

Износостойкие

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

Заслонка из износостойкой стали

Коррозионностойкие нержавеющие

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

Внутри коррозионностойкой группы есть своя классификация

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

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

Примеры маркировки

Читать и понимать название марки – это базовый навык любого сотрудника металлургической промышленности. Но иногда в этом могут помочь таблицы с распространенными видами сплава. В приведенном ниже перечне указано, какие легирующие химэлементы находится в составе и что они дают:

Инструментальные стали

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

• режущих инструментов;
• измерительных инструментов;
• штамповые;
• валковые.

Для режущих инструментов

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

Инструмент из инструментальной стали для режущих инструментов

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

Группа также подразделяется на:

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

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

Стали для измерительных инструментов

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

Изделие из стали для измерительных инструментов

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

Штамповые стали

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

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

Валковые стали

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

Валковая сталь

К ним выдвигаются следующие требования:

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

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

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.

История

Документированная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:

• В Турции откопаны образцы возрастом почти 4 тысячи лет.
• Европейцам материал стал доступен со времен Античности.
• Самыми известными артефактами Средневековья стали булатные мечи. С той эпохи это был главный материал холодного оружия.

Веками сохранялся втайне секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей.

• Расцвет стального производства наступил в связи с войнами XIX века. XX век пополнил ассортимент танковой броней, корпусами самолетов, шлемами.

В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций перед материалами нового поколения.

Что представляет собой

Сталь – материал, сопровождающий человека по жизни. Это корпус автомобиля, лезвие кухонного или охотничьего ножа, инструменты, остов конструкций, тысячи других изделий.

Она не относится к металлам – это сплав железа, углерода, марганца и других примесей-лигатур.

Основной металл стали – железо.

Содержание компонентов сплава – железо (45+%), углерод (0,2-2,14%), примеси (остальное). Они могли бы составить формулу вещества.

На пару с чугуном – продукт черной металлургии.

Ее оттенок стал эталоном цвета – стального.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Достоинства стали:

1. Прочность, твердость.
2. Вязкость, упругость.
3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
4. Износостойкость, долговечность.
5. Распространенность сырья.
6. Простота, рентабельность производства.
7. Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Плюс ценовая доступность продукции.

Недостатки материала:

1. Массивность.
2. Беззащитность перед коррозией.
3. Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.

Особенности материала

Свойства стали не заложены природой, они определяются человеком.

Он решает, какой состав будет у материала, каким способом его получать, как дорабатывать:

• Железо делает сплав пластично-вязким, его легко обрабатывать.
• Углерод придает твердости, но его не бывает более 3,39% (иначе материал станет хрупким).
• Для придания нужных характеристик основу обогащают легирующими добавками. Часто это цветные металлы. Например, хром делает ее жаропрочной, никель – вязкой и невосприимчивой к коррозии.

Доля легирующих присадок измеряется десятыми долями либо парой процентов, но физические и химические свойства конечного продукта меняются кардинально.

Фосфор, сера, свободный кислород, азот понижают порог пластичности и прочности. В процессе плавки их удаляют.

Свойства сплава определяются также методом выплавки – термообработка (закалка), горячий/холодный прокат, другие.

Сталь часто путают с чугуном. Это действительно самые близкие по свойствам и составу сплавы металлов.

Отличить сплавы позволяет процент углерода в составе: до 2,14 – сталь, больше – чугун.

Характеристики стали

• Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³).
• Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
• Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
• Температура плавления: 1450—1520 °C.
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C:

• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

• Предел прочности стали при растяжении:

Применение углеродистой стали

Благодаря высокой прочности, хорошей обрабатываемости, долговечности и сравнительной дешевизне углеродистые стали нашли свое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Особенно они популярны в машиностроении, что связано со способностью металла сопротивляться активным нагрузкам, а также с высокими пределами усталости. Так, углеродистая сталь выступает в качестве основного материала для производства:

• маховиков;
• зубчатых передач редукторов;
• корпусов шатунов;
• коленчатых валов;
• поршней плунжерных насосов.

Из углеродистых сплавов производят технологическую оснастку для легкой, деревообрабатывающей промышленности. Во всех этих случаях используют конструкционные углеродистые стали. После цементации этот тип металла используется в создании износоустойчивых деталей, эксплуатация которых будет сопровождаться значительными динамическими нагрузками.

На основе низко и среднеуглеродистой стали осуществляют выпуск:

• уголков;
• швеллеров;
• труб;
• двутавров и других профилей

Начальные свойства конструкционных углеродистых сталей подлежат повышению путем проведения термообработки (закалки).

Выпуск инструментов различного назначения базируется на применении инструментальных стальных сплавов, которые содержат 0,65–1,32% углерода:

• молотки, керны, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы (марка инструментальной углеродистой стали У7 и У7А);
• ножницы, ножи рубильных машин, ручной столярный инструмент, рамные пилы (марка У8, У8А);
• сверла, фрезы малого диаметра, ленточные пилы, развертки (марка У10, У10А);
• токарные резцы по дереву, ножовочные полотна по металлу, напильники, граверный инструмент (марка У12, У13).

Инструментальные углеродистые стали применяют для производства измерительных приборов. Чтобы получить небольшую деталь с точностью линейных размеров в несколько сот миллиметров, нельзя допускать нагрева или деформации заготовки в результате оказываемого давления режущим инструментом.

Востребовано использование углеродистых сталей обыкновенного качества в строительстве, некоторые марки применяются в машино-, судостроении.