Тема 2. Маркировка сталей в национальных стандартах

ОБЩЕЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

Семестр

 

 

Текст лекций

 

Ростов-на-Дону

2016

 

ВВЕДЕНИЕ

Современное материаловедение подразделяет все современные материалы на четыре основных группы:

1. Металлы и сплавы.
2. Минерало - силикатные материалы.
3. Полимерные (синтетические и природные) материалы.
4. Композиционные материалы.

Вместе с тем металлы и сплавы являются главным конструкционным материалом, основой всей материальной культуры человечества. Только немногим более 60% в мировом производстве занимают синтетические, композиционные и минерало - силикатные материалы. И это не случайно. Почти 3/4 химических элементов, существующих во Вселенной, составляют металлы. Свойства, которыми они обладают, не присущи никакому другому материалу. Они характеризуются прочностью, твердостью, пластичностью, коррозионной стойкостью, высокой электрической проводимостью и многими другими ценными свойствами. Они хорошо обрабатываются литьем и давлением, режутся и свариваются. В технике широко используются магнитные свойства металлов, их способность противостоять агрессивным химическим средствам, выдерживать огромное давление и т.д. Наибольшее распространение в промышленности получили сплавы на основе железа - чугуны и стали. Эти универсальные конструкционные материалы не только обладают высокими качественными показателями, но и имеют относительно небольшую стоимость. Поэтому ежегодный выпуск только стали превышает 1 млрд. тонн.

Тема 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2%), поддающийся ковке.

В настоящее время нет единой международной классификации сталей. Существует много признаков, по которым классифицируются стали в стандартах и промышленной статистике различных стран.

К основным из них относят: способ производства; химический состав; сортамент; качество; структуру в равновесном состоянии или после охлаждения на воздухе; основные свойства; области применения.

1. По способу производства разделяют следующие группы сталей:

- Бессемеровская сталь. В конверторе жидкий чугун продувается воздухом, кислород которого соединяется с примесями, в том числе с углеродом, и чугун превращается в сталь. Очень производительный способ, но остается большое количество серы и фосфора, а металл насыщается газами, особенно азотом.

- Конверторная сталь. (С продувкой технологически чистым кислородом).

- Мартеновская сталь.

- Электросталь.

- Тигельная сталь.

- Сталь, получаемая прямым восстановлением из обогащенной руды (окатышей).

Для повышения чистоты сталей и сплавов и уменьшения анизотропии механических свойств, производят вспомогательную обработку, виды которой иногда дополнительно указывают в конце названий следующими индексами:

ВИ (ВИП) – переплав в вакуумных индукционных печах.

Ш (ЭШП) – электрошлаковый переплав.

ВД (ВДП) – переплав в вакуумных дуговых печах.

ШД – вакуумно-дуговой переплав стали, полученной электрошлаковым переплавом.

ЭЛП – электролучевой переплав.

ПДП – плазменно-дуговая плавка.

ОДП – обычная дуговая плавка.

В зависимости от технологии выплавки различают основную и кислую сталь. По степени раскисленности (связанности кислорода в стали) нелегированную сталь подразделяют на спокойную, кипящую, полуспокойную. Спокойная сталь раскисляется марганцем, кремнием и алюминием. Кипящая – только магнием. Полуспокойная – магнием и алюминием.

В последние годы в России разработан ряд марок полуспокойной низколегированной стали (08ГФпс, 18ГФпс, 18Г2АФпс и др.)

2. По химическому составу в стандартах России стали подразделяют на нелегированную (углеродистую) и легированную.

Углеродистая сталь кроме углерода, определяющего его механические и технологические свойства, содержит раскисляющие элементы: магний до 12,5%, кремний до 0,30%, алюминий до 0,02% (ГОСТ 380-94), а также переходящие из сырья элементы (медь, хром, никель, сера, фосфор и др.), допустимые массовые доли которых регламентируются стандартами.

В состав легированных сталей кроме углерода и примесей вводят один или несколько легирующих элементов: хром, никель, молибден, ванадий, магний, кремний и др. для обеспечения требуемой прочности, пластичности, вязкости и других технологических и эксплуатационных свойств. В зависимости от массовой доли введенных легирующих элементов легированную сталь в отечественных стандартах подразделяют на низколегированную (сумма массовой доли легирующих элементов не более 2,5%), среднелегированную (массовая доля легирующих элементов 2,5-10%) и высоколегированную (легирующих элементов более 10%).

В зависимости от массовой доли легирующих элементов сталь называют марганцовистой, хромистой, кремнистой, никелевой, хромованадиевой и т.д.

3. По сортаменту и стадии производства различают сырые изделия; жидкую сталь (для разливки в слитки, непрерывного литья заготовок и отливок); твердую сталь (слябы прямоугольного поперечного сечения, ширина которых минимум вдвое больше толщины, слитки различных форм и размеров)

К сырым изделиям относятся: губчатое железо – пористый, губчатый кусковой и сыпучий продукт, получаемый в твердом виде из железной руды при восстановлении оксидов железа посредством введения смеси газов СО₂ и Н₂. Губчатое железо используют в качестве сырья в электростали и плавильном производстве. Сплавив губчатое железо с ферросплавами получают высококачественные, легированные стали с минимумом примесей. Губчатое железо используют также в качестве сырья для производства железных порошков в порошковой металлургии.

По размерам поперечного сечения различают следующие виды заготовок: плоские (прямоугольного сечения прокат толщиной не менее 50 мм и шириной не менее 2-х толщин); листовые (толщиной более 300 мм и шириной более 150 мм); квадратные (блюмы со стороной не более 120 мм); катаные или непрерывно - литые со стороной 50-120 мм; прямоугольные (блюмы с площадью поперечного сечения более 14400 мм² и отношением ширины к толщине 1:2); катаные (заготовки с площадью поперечного сечения 2500-14400 мм² и отношением ширины к толщине 1:2) и круглые диаметром не более 220 мм; непрерывно литые (диаметром более 180 мм для прокатки на бесшовные трубы); сортовая сталь круглого, квадратного, прямоугольного, шести- или восьмигранного поперечного сечения; фасонный прокат (уголки, швеллеры, двутавры, широкополочные балки, профили различных креплений и т.д.); прокат для железнодорожного транспорта (рельсы, колеса, бандажи, полосы для прокладок и накладок, крепления шпал и др.); листовой горячекатаный прокат (тонкий - толщиной менее 4 мм и толстый - более 4,0 мм); горячекатаный, широкополосный универсальный прокат (толщиной 6-60 мм и шириной 200-600 мм); горячекатаный полосовой прокат периодического профиля; холоднокатаный листовой прокат (толщиной - δ < 4,0мм, толстый δ >4,0 мм); изделия и катаные стали: листы с «облагороженной» поверхностью и полосы (ленты) с металлическим покрытием из олова (белая жесть), сплавов свинца, олова, цинка, алюминия и др., а также органическими или неорганическими покрытиями; 2-х и 3-х слойные листы и полосы, плакированные коррозионно-стойкими износостойкими сталями и сплавами; гнутые профили (включая замкнутые сварные), листовая и ленточная электротехническая сталь; особо тонкие холоднокатаные листы и ленты; стальные трубы, метизы и др.

Классификацию по сортаменту и стадиям производства используют в основном в промышленной статистике, а также при осуществлении торговых и таможенных операций.

4. По качеству с тали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественную, высококачественную и особовысококачественную.

Сталь всегда содержит примеси, в том числе такие вредные, как сера и фосфор, которые не поддаются полному удалению, а также в малых количествах кислород, азот, углерод.

 

Допустимые предельные массовые доли, (%)	фосфор	сера
Сталь обыкновенного качества	0,040	0,050
Качественная сталь	0,035	0,035
Высококачественная сталь	0,025	0,025
Особовысококачественная сталь	0,025	0,015

 

Категорию обыкновенного качества устанавливают только для углеродистой стали.

       Наряду с ограничением предельных массовых долей вредных примесей (фосфора и сера) для металлопродукции из качественной, высококачественной и особовысококачественной сталей в стандартах устанавливаются, как правило, и более жесткие требования к другим показателям качества (содержание неметаллических включений, газов, размеры поверхностных и объемных дефектов, структура и другие).

       5. По структуре в равновесном состоянии ( т. е. после отжига) стали подразделяют на: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные (в которых, первичные карбиды выделяются из жидкой фазы при кристаллизации).

       Другим структурным признаком, по которому классифицируются стали, является структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (900^оС). Стали подразделяют на перлитную, бейнитную, мартенситную, ледебуритную, ферритную, и аустенитную. Перлитная и бейнитная структуры чаще всего формируются в углеродистой и низколегированной сталях, мартенситная в средне- и высоколегированной, а ферритная и аустенитная в высоколегированной стали.

Ледебуритные стали, как правило, являются разновидностью мартенситных сталей с высоким содержанием углерода и легирующих элементов. После нормализации структура стали представляет смесь мартенсита и ледебурита, наличие которого является причиной карбидной ликвации в поковках и прокате.

       6. По основным свойствам с тали классифицируют, чтобы определить эксплуатационные свойства, в наиболее полной мере отвечающие требованиям потребителей. Такую классификацию используют в стандартах большинства технически развитых стран.

В качестве основных свойств стали используют прочность в состоянии поставки при температуре 20^оС, повышенных или отрицательных температурах; сопротивление хрупкому разрушению; деформируемость или способность к холодному деформированию (в том числе волочением); восприимчивость к термической обработке (цементации, улучшению и т.д.); свариваемость, характеризуемую углеродным эквивалентом;обрабатываемость резанием (например, для автоматных сталей); стойкость к химической или атмосферной коррозии; физические свойства.

7. Классификация сталей по назначению.

       Применяемые в машиностроении стали по основным эксплуатационным свойствам подразделяются на 3 класса – конструкционные, инструментальные и с особыми физическими свойствами - далее классы подразделяются на подклассы, подклассы на группы, и, наконец, группы – на подгруппы. Это можно представить в виде следующей иерархической схемы (рис.1).

Рис. 1. Классификация сталей по назначению

1. Стали общего назначения, к которым относятся углеродистые стали обыкновенного качества и качественные, их показатели в горячекатаном или термически обработанном (нормализованном) прокате регламентируются в следующих пределах: σ_В ≤ 680 МПа, σ_0,2 ≤ 285 МПа, δ ≤ 20%, К_СН ≤ 49 Дж/см², (при 20^оС), К_СН ≤ 29 Дж/см² (при 0^оС),после механического старения К_СН ≤ 29 Дж/см².

Перечень нормируемых показателей и их допустимые значения устанавливаются в стандартах (ГОСТ 16523-97, 14637-89).

2. Конструкционные стали – углеродистая, низколегированная и среднелегированная – применяют для изготовления деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении; они имеют определенные значения показателей прочности, пластичности, вязкости (т.е. конструктивной прочности). Эти стали у потребителей, как правило, подвергаются термической обработке и поэтому подразделяются на цементуемые, улучшаемые и рессорно - пружинные. Конструкционные стали также классифицируются по более узкому назначению – сталь подшипниковая, сталь для холодного выдавливания и высадки и др.

Близкие по химическому составу к конструкционным сталям углеродистые и низколегированные стали, не предназначенные для термообработки у потребителя, объединяют в группу строительных сталей, которые применяют в основном для изготовления сварных металлических конструкций.

3. Инструментальные стали используются для изготовления измерительного, режущего, штампового и других инструментов. Они обычно разделяются на пять групп: углеродистые; низколегированные; среднелегированные и высоколегированные для штампов холодного деформирования; среднелегированные для штампов горячего деформирования; быстрорежущие.

4. Стали с особыми свойствами – стали, которые наряду с определенными значениями показателей механических свойств при температуре окружающей среды имеют резко выраженное физическое или физико-химическое свойство: коррозионно-стойкие, жаропрочные, теплоустойчивые, износостойкие, с особыми магнитными или электрическими свойствами и т.д.

Тема 2. МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ В НАЦИОНАЛЬНЫХ СТАНДАРТАХ

Системы маркировки сталей и сплавов национальных стандартов в обозначениях марок отражают общие признаки, характеризующие материал: химический состав, механические свойства, показатели качества, способ производства. Однако совокупность этих признаков в обозначениях марок сталей в различных странах неодинакова. Это обусловлено тем, что, во-первых, обозначения учитывают не все указанные признаки, а, во-вторых, практически в каждой стране в обозначения часто вводят буквы и цифры, имеющие собственный смысл, например, аббревиатуры или полные названия разработавших их фирм, инициалы авторов, индексы технологических процессов, применявшихся при их обработке и т.д.

Все это затрудняет сопоставление различных марок сталей и требует составление специальных банков данных по их аналогам.

Тем не менее, можно выделить 7 компонентов, с помощью которых обозначаются марки сталей: условные обозначения, применяемые в стране для каждого класса сталей или способа получения стали; среднее содержание углерода; химические символы легирующих элементов; цифры, указывающие содержание элементов стали; буквы, указывающие на качество стали (в том числе содержание фосфора и серы); обозначение вида сортамента; обозначение принадлежности марки стали к стандарту.

В обозначение, естественно, входит только часть этих компонентов. Вместо второго и третьего могут быть указаны гарантированные σ_В или σ_0,2 .

Наряду с национальными существуют международные (страны СНГ) и европейские стандарты (Евронормы). В основу международных положены стандарты России, в Евронормах - маркировка имеет свои особенности.