Классификация сталей

Лекция № 9 (4 часа)

Свойства, классификация и маркировка конструкционных сталей.

 

План лекции

1. Общие сведения о сталях.

2. Влияние химического состава на свойства сталей.

3. Классификация сталей.

4. Углеродистые конструкционные стали.

5. Легированные конструкционные стали.

 

Общие сведения о сталях

Сталь - это сплав железа с углеродом и другими элементами (примесями, легирующими добавками), в котором массовая доля углерода не превышает 2,14%. Чугун содержит от 2,14 до 6,67% углерода и большее количество вредных примесей.

Промышленно применяемые способы получения стали состоят из 2х этапов:

- на первом этапе из железной руды получают чугун

- на втором этапе из чугуна получают сталь.

Сущность процесса переработки чугуна в сталь сводится к снижению содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак в процессе плавки.

В настоящее время наиболее экономически выгодным и массово применяемым способом получения стали является кислородно-конвертерный.

Способы получения стали:

- кислородно-конвертерный (около 63% мирового производства);

- плавка в электрических печах (около 30%);

- мартеновский (менее 2%);

- другие способы (около 5%).

Стали являются основными и наиболее распространенными железоуглеродистыми сплавами, применяемыми для изготовления деталей конструкций, инструмента и изделий специального назначения. В них сочетается высокая прочность, твердость, пластичность и хорошие технологические свойства.

Влияние химического состава на свойства сталей.

Углерод является основным компонентом, который повышает механические, технологические и эксплуатационные свойства сталей.

Перед нами графические зависимости основных механических свойств сталей от % содержания углерода.

Мы видим, что с ростом процентного содержания углерода пластичность и ударная вязкость сталей, но повышается прочность и твердость. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем снижается.

Промышленно выпускаемые стали кроме железа и углерода (постоянных компонентов) содержат полезные, вредные и технологические (случайные) примеси, которые оказывают влияние на их свойства.

Кремний и марганец являются полезными примесями. Они попадают в сталь из железной руды.

Наличие кремния в стали снижает ее хрупкость. Высокое содержание кремния (1...2 %) повышает ее упругие свойства.

Марганец повышает твердость, износостойкость и прочность стали.

Сера и фосфор в железоуглеродистых сплавах являются вредными примесями. Онитакже попадают в сталь из железной руды. Наличие фосфора приводит к возникновению повышенной хрупкости сталей при низких температурах – это явление называется хладноломкостью.

Сера попадает в сплав из руд, а также из топлива в процессе его горения. Сера делает сплав хрупким при температурах 850...1150°С (это свойство получило название красноломкости), поэтому железоуглеродистые сплавы с высоким содержанием серы не подвергаются горячей обработке давлением (ковка, штамповка).

Кроме того, в составе сталей в незначительных количествах встречаются различные металлы (олово, цинк, сурьма, свинец, никель, медь, хром и др.) - случайные примеси. Эти группы металлов попадают как из руд, так и из перерабатываемого при металлургическом процессе стального лома. Все перечисленные случайные примеси являются неизбежным следствием технологического процесса, т. е. специально не добавляются.

 

Классификация сталей.

Классификация сталей довольно обширна и мы рассмотрим только наиболее широко используемую. Зарисуем схему, показанную на слайде.

По химическому составу стали подразделяются на две большие группы: углеродистые и легированные. Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и различные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам.

Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3% углерода), среднеуглеродистые (0,3... 0,6% углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода).

Легированные стали кроме углерода содержат различные химические элементы (легирующие элементы), как металлы, так и неметаллы. Эти элементы специально вводятся в процессе плавки для получения более высоких физико-химических и механических свойств, чем в углеродистых сталях. Легированную сталь по степени легирования разделяют на: низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %), среднелегированную (от 2,5 до 10 %), высоколегированную (от 10 до 50 %).

Обращаю ваше внимание, что технологические (случайные) примеси с незначительной массовой долей никеля, меди, хрома и других металлов не считаются легирующими добавками.

Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов, которые определяют химический состав сталей: наличие в них вредных примесей - серы и фосфора. Вредные примеси и присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические и механико-технологические свойства, т.е. ухудшают их качество. Для повышения качества сталей (т.е. понижения содержания в них вредных примесей) применяют различные методы, в том числе использование флюсов, введение специальных легирующих элементов и др.

По качеству стали, как углеродистые, так и легированные, подразделяются на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные. Стали обыкновенного качества содержат 0,045...0,060 % серы и 0,04...0,07% фосфора. Качественные стали изготавливаются с массовой долей серы не более 0,04 %, фосфора - 0,035...0,040 %. Качественные стали бывают как углеродистые, так и легированные. Высококачественные углеродистые и легированные стали содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора. Особовысококачественные стали имеют массовую долю серы не более 0015%, фосфора - не более 0,025%. Очевидно, что чем выше качество стали, тем длительнее и сложнее был технологический процесс ее получения и тем выше стоимость. В зависимости от качества будет различаться и принцип маркировки сталей.

По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.

Инструментальные углеродистые и легированные стали применяются для изготовления режущего, измерительного и ударного инструмента.

Специальные легированные стали и сплавы — это конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся коррозионностойкие, жаростойкие, высокопрочные, электротехнические стали и др. Например, коррозионностойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %.