Классификация сталей

По химическому составу прежде всего все стали можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и углерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и т. д. Более распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. д.

По степени легирования, т. е. по содержанию легирующих эле­ментов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2, 5—5 % легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

По способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

Рис.151. Диаграммы изотермического распада аустенита

В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15—0,35 %, в полуспокойной 0,05—0,15 %, в кипящей <0,05 %. Легированные стали выплавляют только спокойными в мартеновских или электрических печах

В результате уменьшения содержания кремния в феррите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоянии (например, для изготовления деталей глубокой вытяжкой). Но из-за большого содержания газов, особенно азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали становятся хрупкими уже при —10 °С, в то время как спокойные стали, содержащие одинаковое количество углерода, могут работать до —40 °С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их используют для изготовления неответственных деталей.

По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов.

К ферритномуклассу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, например, хрома.

К ледебуритномуклассуотносятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды – легированный ледебурит.

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный (рис. 151) (структуру во всех случаях определяют по образцам небольшого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных температур при разном содержании легирующих элементов и углерода получаются различные структуры.

В основе классификации стали по качеству лежит содержание вредных примесей — серы и фосфора.

Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную.

Углеродистые стали общего назначения

(ГОСТ 380—71) содержат повышенное количество серы (до 0, 05 %) и фосфора (до 0,04%, Ст0 до 0, 07 % Р). Эти стали выплавляют преимущественно в больших мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кислородных конвертерах.

Обозначение марок стали — буквенно-цифровое: буквы Ст означают «сталь» цифры от 0 до 6 — условный номер марки.

Например, Ст0, Ст2… Ст6.

Степень раскисленности стали обозначают буквами кп, пс и сп.

Кипящими выплавляют стали марок Ст0—Ст4.

Полуспокойными и спокойными можно выплавлять все стали от Ст1 до Ст6.

Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В

В маркировках указывают только группы Б и В.

Например:

Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая);

БСтЗкп (сталь 3, группы Б, кипящая);

ВСтЗпс (сталь 3, группы В, полуспокойная);

ВСт4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т. п.

Химический состав стали группы А не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическимсвойствам (σ_в, σ_т, δ).

С увеличением номера стали прочность растет, а пластичность уменьшается:

	Ст1пс	Ст3пс и Ст3сп	Ст6сп
σв, МПа	320—420	380—490	>600
σт, МПа	—	210—250	300—320
δ, %	31—34	23—26	12—15

Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают различной обработке (ковке, сварке, термической обработке) с целью получения нуж­ного заказчику комплекса механических свойств.

Стали группы В поставляют по химическому составу и механическимсвойствам —по нормам для сталей групп А и Б.

Углеродистая сталь обыкновенного качества — дешевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей.

Качественные стали.

В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04 % серы и 0,04 % фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. В случае примерно одинакового содержания углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного качества, особенно при низких температурах.

Качественные углеродистые стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам.

Марки сталей обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0,07—0,08 % для одной марки), степень раскисленности — буквами пс, кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса).

Например:

сталь 10кп (0,10 %С, кипящая),

сталь 30пс (0,30 %С, полуспокойная),

сталь 45 (0,45 % С, спокойная) и т. д.

Качественные углеродистые стали поставляются заказчику в различном состоянии: без термической обработки, после нормализации, различной степени пластической деформации и т.д.

Высококачественные стали.

В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S£ 0,035 % и Р £ 0,035 %). Поскольку при этом стоимость стали существенно возрастает, конструкционные углеродистые стали редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, например, сталь У10А.

Легированные стали выплавляют только качественными, а чаще — высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в СССР была принята буквенно-цифровая система.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами:

хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, ко­бальт— К, титан — Т, азот — А *, марганец — Г, медь— Д, ванадий — Ф, кремний — С, фосфор — П, алюминий — Ю, бор — Р, ниобий — Б, цирконий — Ц.

* При легировании стали азотом букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17АГ14.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах.

Например:

сталь марки 18ХГТ содержит:около 0, 18 % С; 1 % Сг; 1 % Mn и около 0, 1 % Ti;

сталь марки 12ХНЗ содержит: 0, 12 % С; 1 % Сг и 3 % Ni.

Нестандартные стали обозначают различным образом.

Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (буква П). Состав таких сталей приведен в справочниках.

Особо высококачественные стали

Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей.

По назначению стали подразделяют на 3 группы:

1. Конструкционные,

2. Инструментальные

3. С особыми свойствами.

В основу классификации первых двух групп положено содержа­ние углерода.

Стали, содержащие до 0,25 % С, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации.

Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.

Для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки, применяют стали, содержащие 0,30— 0,50 % С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т. д.). Эти стали подвергают термической обработке — закалке с последующим высокотемпературным отпуском (улучшению).

Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50—0,70 % С. Эти стали также применяют только после соответствующей термической обработки.

Ударный и режущий инструмент изготавливают из стали с 0,7—1,5 % С.

Углеродистые стали маркируют У7, У8,..., У13, где буква У означает углеродистую сталь, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, т. е. сталь У10 содержит 1 % С.

Эти стали иногда выплавляют высококачественными и тогда их маркируют У10А или У8А и т. п. Химический состав и механи­ческие свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в ГОСТ 1435—74.

У инструментальных легированных сталей содержание углерода также обозначают в десятых долях процента.

Например: сталь 9ХС содержит 0,9 % С; 1 % Сг и 1,4 % Si.

Если углерода больше 1 %, то цифры не указывают, например, стали ХВГ, ХГ и т.д.

Стали и сплавы с особыми свойствами:

- коррозионностойкие и кислотоупорные стали и сплавы;

- жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы;

- стали и сплавы с особыми магнитными свойствами и т. д.