Что означает класс прочности проката из углеродистых и легированных сталей

Обновлено: 28.04.2024

Высоколегированная сталь – это специально созданный материал, в составе которого есть легирующие компоненты, совершенствующие металл. А вот для чего его делают, как маркируют материал, каких видов он бывает и как осуществляется сварка с ним, стоит узнать подробнее, чтобы разобраться в определении высоколегированной стали.

Что это такое?

Это железоуглеродистый состав, в котором содержится ряд спецпримесей, используемых в роли модификаторов характеристик материала. Причем характеристик физических или механических. Высоколегированная сталь представляет собой высококачественный материал, в котором легирующих веществ может быть до 50%. Другое определение/название стали – конструкционная. Из нее изготавливают детали, конструкции и механизмы с выгодными физическими и химическими свойствами. Выгодными для машиностроения, например. Те же подшипники делают из такого материала.

На появление таких сталей был запрос. И исходил он от нефтяной промышленности, машиностроения в сфере энергетики, химиндустрии. Особенно активно используется такой материал в среде, которая сталкивается с внешними агрессивными воздействиями. А это, к примеру, широкая температурная разбежка. Иногда такой материал берут даже в качестве хладостойкого элемента. Для газовой среды это также практически незаменимый материал.

Легирующие компоненты здесь следующие: никель, хром, а еще ванадий, медь и другие. И добавляются они, чтобы металл стал более устойчив к коррозийным поражениям, более ковким и жаропрочным.

Вот примеры того, что легирующие компоненты дают стали:

титан повышает показатели жаропрочности, увеличивает плотность за счет выведения азотных излишков;
кобальт влияет на физическую прочность;
никель повышает упругость, поддерживает стойкость к ржавлению;
хром не дает металлу истираться, качественно прокаливает его, то есть связан с износостойкостью;
ванадий, молибден и вольфрам не дают расти зернам, сохраняют неизменность структуры стали, повышают ее режущую способность;
марганец повышает показатели твердости;
кремний делает материал более упругим.

Высоколегированные стали еще тем отличаются от других материалов, что закаливают их не в воде, а в масле.

Классификация по составу легирующих компонентов стали выглядит так: высоколегированная содержит 10% и более компонентов, среднелегированная – от 2,5 до 10%, а низколегированная – до 2,5%. То есть в этом показателе (в проценте) и заключаются главные отличия между видами. А еще название материала будет зависеть от того, какой легирующий компонент стал главным. Значит, если в составе превалирует хром, сталь будет хромистой, если марганец – марганцовистой и т. д.

По видам обработки высоколегированная сталь может быть калиброванной, со специальной отделкой поверхности, а также с прокатом (горячекатаным или кованым). Материал может быть без термообработки, термообработанным и нагартованным.

Основные свойства высоколегированной стали – прочность, сочетающаяся с пластичностью, стойкость к коррозии и деформации. Если сравнить этот материал с углеродистой сталью, главное отличие будет как раз в пластичности. И все сплавы, относящиеся к высоколегированным, могут применяться в конструкциях, которые подвергаются соединениям сварочными швами. У металла высокие показатели свариваемости, а значит, прочность швов будет максимальной. И это очень выгодно для создания конструкций, на которые будут приходиться очень высокие нагрузки.

Есть еще ряд марок, относящихся к машиностроительным сталям. Их отличают немагнитность, упругость, а также повышенная тепловая закаленность. Чтобы сплав был высокопрочным, применяется особая термическая обработка.

Маркировка

Она создана согласно ГОСТу, при этом используются специальные шифры, которые отражают состав стали. Технически они интерпретируют буквенно-числовую последовательность со структурой символов, которые пишут слитно.

Посмотрим, как расшифровывается код.

ХХХ. Это префикс из букв, который отображает тип сплава стали.
YYY. Это число показывает количеств углерода в сплаве. Если числа два, то содержание углерода выражается в сотых долях процента, а если одно, то в десятых.
ZZZ. А это уже буквенно-числовая последовательность, отображающая легирующие элементы и их примерное количество.

Первый буквенный префикс указывает на особые характеристики стали. Обычно это одна буква (реже – несколько), обозначающая определенное свойство. Например, «Э» – это электротехническая сталь, а «Р» – режущая. «А» обозначает автоматную, а «Л» – сталь, полученную с помощью литья.

Тот показатель (ZZZ), что отображает наличие легирующих компонентов, имеет такие обозначения: «В» – вольфрам, «Х» – хром, «Ф» – ванадий, «С» – кремний, «Г» – марганец. Кобальт обозначается буквой «К», никель – «Н» и т. д. Если этого компонента в сплаве более 1%, то рядом с буквой этот процент может указываться.

Кажется, все немного запутано, но разобраться можно. Например, шифр такой – Л12Х17. Это литая сталь с 0,12% углерода и 17% хрома. Или чуть посложнее – А10Х13СЮ. А здесь речь идет об автоматной стали, в которой 0,10% углерода, 13% хрома, а также кремний и алюминий в малом количестве (менее 1%).

Виды и марки

Первая классификация предполагает 3 деления: жаропрочные, окалиностойкие и коррозионностойкие. Жаропрочные высоколегированные стали от жаростойких, к примеру, отличаются тем, что изделия из них способны какое-то время использоваться при высоких термических показателях внешней среды и с нагрузкой. Коррозионностойкие стали часто называют нержавеющими. И они действительно стойкие к разным видам коррозии: как солевой, так и кислотной, щелочной, химической. Сюда же идет межкристаллитная коррозия, атмосферная и связанная с электрическим напряжением.

Наконец, окалиностойкие стали – это и есть жаростойкие. Используют их в ненагруженном состоянии или в состоянии со слабой нагрузкой. Они отличаются высокой устойчивостью к химдеформации, связанной с поверхностным слоем, когда температура внешней газообразной среды выше 550 градусов.

Также классификацию составляют магнитные и немагнитные сплавы. Первые бывают магнитомягкими и магнитотвердыми. Так что утверждение, что нержавейка – немагнитный материал, очень даже спорное.

Завершая список характеристик, нельзя не упомянуть разделение сталей на такие виды:

массовая – это трубы, листовой и фасонный прокат;
мостостроительная – используется для автомобилей и мостов;
судостроительная хладостойкая высокой прочности – для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур;
судостроительная хладостойкая нормальной и повышенной прочности – это сталь, которая хорошо противостоит разрушению;
для пара и горячей воды – сталь с рабочей температурой до 600 градусов;
низкоопущенная высокой прочности – материал, задействованный в авиации, однако он боится концентрации напряжений.

Справедливым будет отметить важность именно легирующих компонентов. Их можно считать основой, главным ингредиентом состава, который решает, где потом будет эффективнее использоваться материал.

Мартенситные

Ферритные

Углерода в таких сталях совсем немного – до 0,15%, а вот хрома куда больше – до 30% в максимуме, и очень много в стали будет кремния, марганца или титана. Пример такого вида – 15Х25Т.

Аустенитные

Это марки с очень низким процентом углерода, умеренным присутствием хрома, различными концентрациями никеля (может доходить до 25%) и марганца (от 1 до 14%). Совсем немного там может быть азота и кремния. Пример этого класса – 20Х25Н20С2.

Композитные аустенитно-мартенситные

Углерод здесь составляет от 0,1 до 1%, хрома довольно много – в среднем 16%, совсем немного может быть титана, кремния и алюминия. Пример – 08Х17Н6Т.

Есть марки, которые пригодны максимум для изготовления посуды. Например, 12Х17. Но в целом можно сказать, что высоколегированные стали более чем активно используются во многих отраслях, и сфера их применения однозначно только расширяется.

Сварка

А вот у этого процесса будет технология, которая серьезно отличается от сварочных процессов с другими металлами. У высоколегированных сплавов теплопроводность выше, линейное расширение металла тоже выше, а значит, процедура нуждается в корректировке. По стандартному алгоритму сварить металл не получится.

Учитывать надо следующие особенности.

Вследствие повышенной теплопроводности на металлической поверхности собирается избыток тепла, и это легче проплавляет сталь вглубь. Потому, проводя сварку, величину сварочного тока снижают на 15%, а иногда доходит и до снижения в 25%. Это делается для того, чтобы исключить повреждение детали.
Повышенный коэффициент металлорасширения при нагреве также подразумевает серьезную деформацию металла. Если работать приходится с жесткими объемными конструкциями, угроза образования трещин учитывается. Вот почему при сварке надо быть очень осторожным.
Работая со сплавами, в составе которых нет титана либо ниобия, всегда держат в уме температуру сварочной дуги. Металл, который нагревается выше 500 градусов, начнет терять антикоррозийные характеристики.
Если во время сварки металл доведен до указанной выше температуры, надо выполнять закалку или нагревать элемент уже до 850 градусов. Тогда легирующие элементы растворятся, равномерно разошедшись по всему сплаву.
Риск растрескивания при сварке очень высок. Чтобы этого точно избежать, придется использовать электроды с особым покрытием. И это марганцевое, молибденовое или вольфрамовое покрытие. Данные инструменты позволяют сделать место шва мелкозернистым: такая структура и есть тот способ, который не дает образоваться трещинам. Технология аргонодуговой сварки – популярный способ сварочных работ с данными сталями. Используется вольфрамовый электрод, который надежно выполняет корень шва, исключая прожоги.
Чтобы снизить риск растрескивания, можно предварительно нагреть сталь до 100-300 градусов. Тепло в таком случае начнет равномерно распределяться по всей толщине стали, никаких трещин не будет.
Те сплавы стали, что имеют менее 0,12% углерода в составе, перед сваркой обязательно нагревают. Не сделав этого, не удастся избежать коррозийных наростов и трещин.

Изделия, которые получают штампосваркой, можно использовать даже при температурах, которые называют критически низкими. А если материал обработать кремнием, получится состав, который готов применяться в фосфорной, азотной и других мощных кислотах. Чтобы повысить, например, износостойкость сплава, его легируют хромом или ванадием.

Итак, высоколегированная сталь – это отдельная разновидность стальных сплавов, в которой присутствует много дополнительных элементов. Не менее 10% совокупно, и чаще это никель, хром или марганец. Из таких сплавов делают шарикоподшипниковые элементы, ножи и втулки, клапанные пластины в компрессор.

И для измерительного инструмента, и даже для медицинских нужд тоже применяют эти материалы.

Классы прочности стали и категория качества по хладостойкости

В целях унификации применяемые в строительных металлоконструкциях стали по гарантированным значениям предела текучести и временного сопротивления разрыву разделены на семь основных уровней (классов) прочности

Сталь класса С 225 (от > 225 МПа) условно принято называть сталью нормальной прочности, трех следующих классов (от >285 >325 >390 МПа) - сталью повышенной прочности и остальных трех классов (от >440 > 590 >735 МПа) - сталью высокой прочности.

Таблица классов прочности и группы качества по хладостойкости проката строительных сталей

Обычно первому классу прочности соответствует прокат углеродистой стали обыкновенного качества в горячекатаном состоянии, последующим классам прочности от второго до пятого - прокат низколегированной стали в горячекатаном или нормализованном состоянии, шестому и седьмому классам прочности - прокат экономно легированной стали, поставляемой, как правило, в термоулучшенном состоянии. Однако возможно также получение проката второго и третьего классов путем термического и термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Наряду с требованием гарантированной прочности к строительным сталям предъявляется требование гарантированного сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Оно регламентируется показателями ударной вязкости при отрицательной температуре и при температуре плюс 20 °С после механического старения. Все строительные стали по хладостойкости условно можно разделить на три группы:

I - без гарантированной хладостойкости;
II - с гарантированной хладостойкостью для металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных температурных условиях (расчетная температура не ниже минус 40 °С);
III - с гарантированной хладостойкостью, но для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре ниже минус 40 °С («северное исполнение»).

В таблице приведена температура испытаний, при которой должна быть гарантирована ударная вязкость стали каждой группы качества по хладостойкости. Указанным группам соответствуют определенные марки стали и категории качества, предусмотренные стандартами на сталь. Так, по ГОСТ 27772-88* группе I соответствует сталь С235, группе II - стали С255 и С285, стали С345 и С375 категории 1 и 3, сталь С590, группе III - стали С345 и С375 категории 2 и 4, сталь С590К.

Все температуры испытаний в таблице (как и в ГОСТ 27772-88*) указаны для условий определения ударной вязкости KCU на стандартных образцах с полукруглым надрезом (радиус 1 мм) типа I по ГОСТ 9454-78*, вырезаемых из листов и широкой полосы в направлении поперек направления прокатки, а из фасонных профилей и сортовой стали - вдоль направления прокатки. Вместе с тем в последнее время остро ставится вопрос о переходе при аттестации стали к более жестким условиям определения ударной вязкости KCV на образцах с острым треугольным надрезом (радиус 0,25 мм) типа II по ГОСТ 9454-78*. Использование этих образцов соответствует международной практике.

Согласно имеющимся методическим исследованиям, единый переход от норм KCU к нормам KCV, общий для всех металлоизделий, отсутствует и необходимо учитывать индивидуальные особенности, включающие в себя как вид металлопроката, так и качество стали. Все же общим для такого перехода является необходимость повышения температуры испытания, которая для металлопроката строительной стали эквивалентной хладостойкости при прочих равных условиях (то же направление вырезки образцов, та же метрологически обоснованная величина ударной вязкости 0,3 мДж/м2) составляет примерно 40 °С. Таким образом нормам KCU, при минус 40 °С и минус 70 °С будут близко соответствовать нормы KCV при 0 °С и минус 30 °С.

Под влиянием колебания содержания элементов в интервале марочного состава, неоднородности слитка и условий прокатки прочностные характеристики стали каждой марки варьируются в широких пределах. Стремление более полно использовать фактическую прочность проката в конструкциях привело к идее селективного разделения на металлургических заводах всей совокупности металлопродукции данной марки на отдельные группы прочности, отличающиеся гарантируемыми значениями предела текучести и временного сопротивления разрыву.

В нашей стране такое разделение на группы прочности осуществлено для строительных углеродистых и низколегированных марок стали первого, второго и третьего классов прочности [26] и нашло отражение в ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 27772-88*. По этим нормам каждая марка углеродистой и низколегированной стали разделена на две группы прочности, причем для второй группы гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления на 10-40 МПа выше, чем для первой. Высокая надежность соблюдения норм прочности и пластичности (с вероятностью не ниже 95 %) обеспечивается специальными статистическими процедурами приемки и контроля. Металлопрокат, поставляемый по этим нормам, получил название сталь с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности.

Все о пределе и классах прочности стали

Прочность металлоконструкций – та характеристика металла, от которой особенно зависит их безопасность и надежность. Долгое время вопрос прочности решался так: если ломается изделие, в следующий раз его нужно сделать толще. Но потом ученые поняли, что нужно менять качественный состав сплава.

Пределом прочности называется максимальное значение напряжений, который металл испытывает до начала разрушения. С точки зрения физики это сводится к усилию растяжения, прилагаемого к стержневидному образцу конкретного сечения, чтобы его разорвать. Кстати, понятие «предел прочности» хотя и употребляется повсеместно, не самое корректное.

Правильнее говорить «временное сопротивление», но раз предыдущий вариант уже прижился, и даже в официальной технической документации, можно простить это небольшое смысловое искажение.

Прочностные испытания – это тесты, проверяющие сопротивление разрыву, и они организовываются на особых испытательных стендах. В них недвижимо крепится один конец тестируемого образца, к другому же подсоединяют крепление гидравлического либо электромеханического привода. Этот привод создает усилие, которое, в свою очередь, плавно увеличивается. Оно действует на разрыв образца, на его изгиб либо скручивание. А благодаря умной электронной системе контроля можно отметить усилие растяжения и относительное удлинение, а также иные виды деформаций.

Такие испытания крайне важны, и специально для них создаются те станки, формируются те условия, которые максимально приближены к производственным. Они дают если не самую точную, то вполне достоверную оценку того, как металл будет вести себя в контексте эксплуатации. И прочность материала оценивается очень точно, а именно нужно посмотреть, как металл выдерживает нагрузку, не разрушаясь полностью. Если материал хрупкий, например, он может разрушаться сразу в нескольких местах.

Иначе говоря, предел прочности – есть максимальная механическая сила, которая может применяться к объекту до того, как тот начнет разрушаться. Только нет речи о химическом воздействии, но вот о каких-то негативных природных условиях, об определенных показателях среды говорить можно. Именно они могут как улучшать свойства металла, так и ухудшать их. Инженер не может при проектировании применить крайние значения, ведь он должен подразумевать погрешность, связанную с окружающими факторами, с длительностью использования и так далее.

Сталь – самый применяемый конструкционный материал, хотя и уступающий сейчас пластмассам и композитным составам, если и не полностью, то по ряду важных позиций. Если расчет предела прочности сделан корректно, материал будет долговечным и безопасным. Предел прочности стали связан с тем, о какой именно марке речь. На значение этого параметра влияет химический состав сплава, а также те температурные процедуры, которые могут повысить прочность материала – это и закалка, и отпуск, и отжиг.

Отдельные примеси могут снизить показатели прочности, а потому от них лучше избавляться еще во время отливки либо проката. Другие, напротив, повышают показатели. И их вносят в состав сплава.

Примеры легирующих добавок в сплавах, меняющих их характеристики: добавляет сплаву прочности молибден, ванадий и никель.

Металлурги усложняют комбинации добавок, чтобы получить особые сочетания физических и механических характеристик стали. Но цена таких марок куда выше цены низкоуглеродистых стандартных сплавов. И для каких-то очень важных узлов и конструктивных систем использование дорогих сталей оправдано.

Виды предела прочности

Немного подробнее о том, какими они бывают.

При сжатии

Под таким термином понимается пороговая величина постоянного или переменного механического напряжения. Превышая этот предел, механическое напряжение сожмет тело из того или иного материала. Тело либо разрушится, либо деформируется. Пороговая величина постоянного напряжения соответствует статическому пределу прочности, переменного – динамическому. Механическое напряжение сжимает тело за небольшой период времени.

При растяжении

А это уже пороговая величина постоянного или переменного механического напряжения, превышение которого механическим напряжением приведет к разрыву металлического тела. И это также происходит за короткий временной эпизод. На практике же очевидно, что деталь может неприемлемо истончиться, и этого уже достаточно для понимания пороговой величины, не обязательно дожидаться именно разрывания тела.

При кручении

Под этим термином понимаются максимальные касательные напряжения, которые обычно возникают в опасном срезе вала, и они не могут превысить допустимые напряжения. Условие прочности может использоваться для расчета проверки прочности (так называемого проверочного расчета), подбора сечения и определения допускаемого крутящего момента.

При изгибе

Он пребывает в обратной зависимости от твердости и возрастает с увеличением процентного содержания цементирующего металла. То есть на прочность при изгибе будет влиять химический состав сплава, а еще величина зерен карбидов и особенности слоев цементирующего металла.

Немалое значение здесь приобретает величина прослоек цементирующей фазы. Чем эта прослойка толще, тем меньше местные напряжения и тем выше прочность. Чем меньше прослойки цементирующей фазы, тем меньше и прочность сплава. Хорошо считывается пропорциональность. Чтобы определить этот предел прочности, нужно использовать метод разрушения свободно лежащего образца одной сосредоточенной силой.

То есть образец будет лежать на двух опорах, в центре образца – статическая нагрузка.

Особенности классов

Чтобы унифицировать стали по гарантированным пределам прочности (а точнее, текучести и временному сопротивлению разрыву), стали делятся на классы. Всего их 7.

И вот эта классификация:

сталь класса С225 – это сталь нормальной прочности (условное название);
3 последующих класса (от 285 до 390 МПа) – сталь повышенной прочности;
оставшиеся три класса (от 440 до 735 МПа) – сталь высокой прочности.

Первый класс обычно связывается с прокатом углеродистой обыкновенной стали в горячекатаном состоянии. Последующие классы (от второго до пятого) ассоциированы с прокатом низколегированной стали в нормализованном либо горячекатаном состоянии. Шестой и седьмой классы прочности связаны с прокатом экономно легированной стали, которая обычно поставляется в термооптимизирванном состоянии.

Правда, прокат второго и третьего класса реально получить термическим и термомеханическим упрочнением. А, возможно, и контролируемой прокаткой.

Категории прочности сталей согласно ГОСТ 977-88 условно принято обозначать индексами «К» и «КТ». А после индекса ставится число, которое и определяет требуемый предел текучести. Индекс «К» носят отожженные стали, нормализованные или отпущенные. «КТ» же присваивают сталям, которые прошли закалку и отпуск. Например, К48, К52, К60 и т. д.

Уже не раз упоминался в тексте предел текучести, стоит немного расшифровать этот показатель. Он связан с механическим определением металла, характеризующим напряжение, при котором будут расти деформации, не сопряженные с увеличением нагрузки. Этот параметр, в частности, помогает рассчитать допустимые показатели напряжения для разных материалов.

Когда в металле пройден предел текучести, в образце начнутся некорректируемые изменения: перестроится кристаллическая решетка, появятся деформации пластического типа. Металл ожидает самоупрочнение. Здесь же стоит добавить, что если углеродная добавка не превышает 1,2%, предел текучести стали растет, как следствие, повышая прочность, твердость, а еще и термоустойчивость. Если процент углерода возрастет, технические параметры однозначно будут ухудшаться – такая сталь плохо поддается сварке, не лучшим образом демонстрирует себя и в штамповке. В той же сварке куда охотнее используются сплавы, где углерода мало.

Если вернуться к классам прочности, то всегда важно рассмотреть, о каких именно изделиях идет речь. Например, винты, шпильки и болты производят обычно из углеродистых сталей с разными классами прочности. Хотя, в принципе, даже из одной и той же стали можно соорудить болты, прочность которых будет разной. Просто отличаются способы обработки металла и использование/неиспользование закалки. Из стали 35, к примеру, делаются болты разных классов прочности: 5.6 – если болты вытачиваются на токарном (либо фрезерном) станке и 6.6, 6.8 – если используется объемная штамповка и высадочный пресс. А если сталь закалить, класс прочности возрастает до 8.8.

Показатели для разных марок

Сталь, как известно, это сплав железа с углеродом и некоторыми другими включениями. Так как используется она в огромном перечне промышленных отраслей, то и марок стали существует немало. Все они различны по структуре, по химсоставу, физическим и механическим характеристикам. Предел прочности тоже будет разным, и измеряют его в МПа.

Например, у стали 20 он равен 420 МПа, у стали 40 – 580 МПа, у стали 10 – 340, у стали 30 – 500, у стали 25 – 460, а у стали 45 – возрастает до 610. Сталь 20Х имеет предел прочности 600 МПа, а сталь Ст3 – 390. Максимальный предел прочности имеет марка 60С2А (1600 МПа), повышенные показатели у марки 50ХФА (1300), 60С2 (тоже 1300).

Также в металлургии учитывается и коэффициент запаса – показатель, который определяет, как конструкция выдерживает предполагаемые нагрузки сверх расчета. Это важно для исключения повреждений, если случились промахи в проектировании, неточности. Или не в проектировании, а уже в ходе изготовления и использования.

Любой специалист скажет, что крайне важно для сплавов, которые будут работать в стандартных условиях, оценить их физико-механические особенности. Химические свойства же становятся важны, если работать сталь будет в экстремальном контексте (с точки зрения радикально низких либо, напротив, высоких температур), при высоком давлении или повышенной влажности, в агрессивных средах.

И химсвойства сплавов, и физико-механические определяются в основном их химическим составом. Чем больше процент углерода в металле, тем больше снижается его пластичность, и в параллель с этим возрастает прочность. Но данное утверждение справедливо только до достижения 1% доли углерода, после чего прочностные характеристики очевидно снижаются.

Чтобы влиять на качества металла, на его возможности, на коррекцию тех или иных свойств (даже в пределах одной марки или группы марок), металлурги пробуют добавлять в формулу стали те или иные компоненты. Например, кремний используется как раскислитель, и при производстве ферритов он серьезно поднимает их прочность. Но пластичность при этом остается прежней.

А вот если в состав добавить азот, прочностные параметры существенно снизятся, и пластичность, впрочем, тоже.

Можно сказать в итоге, что предел прочности – не рядовая характеристика стали. Современному производству, как показывает практика, необходимо все больше именно прочных стальных изделий. Это касается и строительства зданий, и сооружения сверхновых мостов, готовых к высочайшим нагрузкам. И один из ключевых вопросов сегодня в этой сфере – как рассчитать прочность металла и значение напряжения арматуры из стали.

Все о низколегированных сталях

Чтобы сделать металлы более прочными, твёрдыми, способными переносить значительные растяжения, не деформируясь при этом, распространена практика введения на производстве в них легирующих присадок. По этой части железо является самым универсальным металлом – известен не один десяток сортов стали на его основе.

Процентное содержание добавок позволяет отнести тот или иной сорт стали к высоко-, средне- и низколегированному виду. Низколегированная сталь – сплав с низким содержанием углерода и других включений, улучшающих и дополняющих исходные свойства простой углеродистой стали.

Легирование производится недорогими металлами и неметаллами – чаще всего это никель, хром, марганец, кремний, ванадий и медь.

Наибольшую прочность сталь получает в результате введения марганца или кремния, хотя основной добавкой здесь является всё-таки уголь. Попытка выплавить сталь с этими добавками, но без угля, не даст желаемого эффекта – это уже легированное железо, а не полноценный стальной сплав. Низколегированные стали обладают преимущества перед высоколегированными – устойчивость к состариванию изделий, повышенная текучесть, низкая ломкость при низких температурах, удовлетворительная пластичность. Простые углеродистые стали содержат большее количество неметаллических включений. Так, кремний, фосфор, сера в них присутствуют, при этом содержание серы уменьшается до предела, так как она портит железо, делает его хрупким. Легированные сосредоточены на включение в их состав и металлов. Например, кобальтовое сверло, применяемое в качестве ступенчато-конусного при профилированной рассверловке усложнённых конструкционных заготовок, изготовлено как раз из такой стали, в которую добавлен и кобальт, соседний по таблице Менделеева с железом металл.

Низколегированные сплавы отличаются повышенной износоустойчивостью и более медленным образованием ржавчины. Например, фарширующая перемалываемое крестовым осевым ножиком мясо в мясорубке сетка с круглыми отверстиями изготовлена как раз из такой стали. Ржавеет она не настолько быстро, как простая чёрная сталь, чтобы через месяц покрыться толстым слоем ржавчины, как это происходит, например, с гвоздями. Низколегированные стали подвергаются удовлетворительной обработке, не растрескиваясь при этом, и не теряют своих свойств в условиях морозной погоды (кроме условий «полюсов холода» на Земле, где температура зимой достигает -60 и ниже). После закаливания низколегированные стальные сплавы почти нечувствительны к надрезанию, обладают высокой прочностью и вязким ответом на значительные удары: для сравнения, чёрная сталь быстро бы сломалась от ударов кувалдой. Выпускаются НЛС в виде спокойных сплавов.

Классификация

Разобравшись с основной характеристикой НЛС, эти сплавы выделяют в особую классификацию, расходящуюся со свойствами сталей других степеней легирования. Исходя из химического состава, выделяют более и менее качественные сплавы.

По химическому составу

НЛС включает в себя не менее 2 промилле углерода. Легирующие (не) металлы присутствуют уже в общем количестве не более 5%. Остальные 94,8% – чистое железо. Именно низколегированный состав должен обладать процентным содержанием дополнительных (не) металлических включений не более 1/40 части от общей массы заготовки, сработанной из НЛС. Определённые металлы придают легированным сплавам следующие свойства.

Ванадий позволяет стали обрести равномерную структуру, не допуская её расслаивания при литье и ковке.
Молибден добавляет жаростойкости и жаропрочности, не позволяя размягчаться изделию при некоторых температурах.
Ниобий даёт возможность стальному сплаву обрести дополнительную прочность.
Вольфрам в сочетании с азотом увеличивает устойчивость стали к лучшему отводу тепла.
Титан не даёт изделию из низколегированной стали быстро износиться.
Никель и кремний повышают упругость и вязкость, не давая этому изделию внезапно сломаться при ударах.
Марганец повышает прочность стали, не приводя к потере ею пластичности.
Кобальт, помимо пластичности и прочности, обусловливает повышенную способность железа к намагничиванию.

К слову, свёрла на основе кобальтсодержащей стали реже ломаются при перегрузках, вызванных неперпендикулярностью сверления. Кобальтсодержащие фрезы проявляют те же свойства, позволяя станку проработать на одних и тех же резаках дольше.

Не случайно сверло или фреза с кобальтом стоят заметно дороже, чем обычное такое же изделие, изготовленное из быстрорежущей стали стандартных характеристик.

По качеству

Критерий качества низколегированной стали оценивается по количественному содержанию серы и фосфора в данном сплаве. Чем больше серы в НЛС, тем более ломким окажется изделие. Ни одному мастеру не понравится то, что быстро ломающиеся в процессе работы свёрла и фрезы не только ведут к чрезмерно завышенному расходу денег на расходники, но и периодически останавливают, тормозят технологический процесс, когда, к примеру, за короткое время необходимо прорезать этими же свёрлами сотни отверстий. Раритетное сверло времён СССР, способное не затупиться существенно даже при сверлении толстостенного профуголка, сохраняющее долго свои эксплуатационные характеристики, обязано как раз сплавам с крайне низким содержанием серы. В идеале следовало бы полностью удалить всю серу из НЛС, но такое возможно лишь в лабораторных условиях.

Высококачественная сталь не должна обладать количеством серы, большим по массе, чем четверть промилле. Сталь обычного уроня качества содержит до 0,35 промилле серы и фосфора. Низкокачественная НЛС превышает содержание серы и фосфора значения в полпромилле от общей массы заготовки. В XXI веке количество низкокачественной НЛС значительно уменьшилось благодаря улучшению технологии её производства. Наконец, с учётом способа поставки и конкретного применения производится фасонная и сортовая сталь. Нормативы взяты из ДСТУ 8541 и ГОСТ 19281. Сталь в толстых листах, широкополосная универсальная, а также в рулонах производятся на основании ДСТУ 8804 и ГОСТ 19282. Судостроительная (судоремонтная) НЛС – по ГОСТ 5521: выпускается такая сталь в тонких и толстых листах, широких отрезах и в фасонных заготовках; корпуса для судов и иных плавучих средств изготавливаются из неё – с помощью сварки. Стержни для строительных конструкций типа А3 и А500, обладающие периодичным профилем, производится по нормативам ДСТУ 3760, ГОСТ 5781/10884.

НЛС перлитного и ферритного классов, выпускаемую в основном по ГОСТ №4543-1971, подписывают так, чтобы свойства материала оказались очевидными, но придерживаться определённого порядка всё же надо. При подписывании учитывают:

свойства металлов – их обозначает первая буква;
процент углерода – цифра после этой буквы;
другие буквы и цифры – наименование и количество легирующих добавок.

К примеру, 18ХГТ – это 0,18% угля, 1% хрома, столько же – марганца, 0,1 титана.

Дополнительные обозначения вносят пояснения: Р — быстрорежущая НЛС, Ш — для шарикоподшипников (промподшипники для механизмов), А — для огнестрельного оружия, Э – электротехническая, Л — литьевой сорт. Особое место занимают некоторые марки, например, стальной сплав 12х18н10т обладает следующим химсоставом:

хром — 17-19%;
никель — 10%;
титан — 0,8;
уголь – 0,12%;
кремний — до 0,8%;
марганец — 2%;
медь — до 0,03%.

Чем сложнее маркировка, тем более особенным является состав – за счёт поясняемых свойств.

Применение

НЛС различных марок относят к сырью для трубопроводов в составе строительных конструкций. Так, невозможно без низколегированных сплавов возвести нефтепровод в составе буровой, а также построить паровую турбину. НЛС – основной компонент в системах с постоянно меняющейся нагрузкой, например, одно- и малоэтажное строительство. Большинство сталей могут использоваться как конструкционные, и лишь некоторые из них, устойчивые к коррозии, например, хромованадиевые сплавы – как инструментальные, например, для изготовления рожковых ключей.

Обработка

Особенность НЛС в том, что она не подлежит улучшению. Такие заготовки обрабатывают путём отжига или нормализации, или сразу же после горячекатаной сработки. Для повышения прочности, вязкости, снижения чувствительности к надрезанию используется закалка с последующим отпусканием. Отпускание НЛС производится при температуре порядка 645°С – это позволяет снять сварочные остаточные напряжения, несколько снизить твёрдость сварных соединений комплектующих. Способ термодоработки выбирается по марке стали, схемы изделия и его предназначения.

Повышенный запас прочности позволяет использовать с большинством марок НЛС практически любую обработку, включая воздействие при повышенном давлении. Сюда относят гибку, штампование, развальцовывание, резке. Резак, осуществляющий пиление, пропил, просверливание, выбирается с учётом параметров конкретного сорта НЛС. Так, сталь марок Р9, Р18, Р14Ф4, ВК3М, ВК15, Т15К6, Т5К10 – и нескольких других из весьма обширного списка – хорошо пилится и фрезеруется, сверлится и штампуется. Эти марки достаточно теплоустойчивые, каждая из них – хладостойкая, свариваемая из неё конструкция выдержит годовые и сезонные температурные колебания на протяжении ряда лет.

Благодаря содержанию 0,2% углерода и – в среднем – 2,5% присадок, механические свойства НЛС достаточны для сварки удовлетворительного качества. Кремний, содержащийся в количестве 1,05%, даёт стальной заготовке необходимую прочность и упругость, однако повышение его количества в конкретной марке затрудняет сварку из-за большего количества образующегося шлакового нагара. Марганец в количестве порядка 1,7% улучшает закалку, однако из-за него сварка осложнена. Завышенное количество молибдена, хрома и ванадия также ухудшает прочность сварных швов. Поскольку НЛС хорошо закаляется, её сваривают в условиях печного нагрева или в нежёстком режиме термообработке. Использование жёсткого режима даёт возможность вести только точечную сварку. Ток на сварочном инверторе ставится приближённо на 12,5% ниже, чем значение при сварке простой малоуглеродистой стали. Но надавливание на электроды – выше в среднем на 30%. Сваривают НЛС – как и малоуглеродистую сталь – дуговой, контактной и газосваркой. Ручное сваривание деталей на инверторе осуществляется электродами марки Э-50А без предварительной подготовки деталей, либо с применением сварочной проволоки во время газового сваривания.

Сталь марок 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д трудно перегреть даже газовой сваркой, закалённые области образуются не так активно, чем в деталях, сработанных из прочих марок НЛС. Термообработка не привязана к конкретному алгоритму. Сварка производится электродами марки Э50А, Э46А, участки возле шва не отличаются по своим характеристикам от основной части детали. Марка 10Г2С1Д варится при подогревании до 110°C. При труднодоступности накладываемых швов производится нагрев примерно до 250°C – с последующим отжигом после сваривания. Лучше всего НЛС варить вручную дуговым методом. Толщина заготовок и температура окружающей среды значения не имеет. Сварные соединения по своим свойствам универсальны и просты в эксплуатации выполненных конструкций, допускают сваривание с любой стороны, включая потолочные и вертикальные швы. Сварка НЛС в целом производится на основании ГОСТ №9467-1975. Применение электродов Э50, Э46, Э42, Э38 создаёт рабочее давление на разрыв до 5000 атмосфер (50 кг/мм2). Электроды Э50А, Э46А, Э42А используются при ударной стойкости конструкций. Использование же электродов в сочетании с соответствующими марками НЛС – Э60, Э55 – увеличивает показатель допустимого давления до 6000 атмосфер.

При соблюдении указанных требований сварные швы прочны и надёжны.

Чем отличаются углеродистые стали от легированных?

Определение сталь объединяет сплавы на основе железа и углерода с другими веществами. При очистке железной руды получают чугун, содержащий 2,14-6,67% углерода. Этот элемент отвечает за твердость, при этом металл хрупок и не пластичен. Уменьшение углеродной составляющей изменяет структуру, делает материал ковким, повышает его ударную вязкость.

Чем отличается углеродистая сталь от легированной?

Углеродистая сталь состоит из тех же элементов, что первоначальное сырье: железо, углерод, кремний, марганец и вредные примеси: сера, фосфор. Легированными (ligare-связывать) называют сплавы, усиленные другими металлами: хромом, никелем, медью, молибденом.

Характеристики легированной стали

Для легирования применяют металлы, способные образовывать устойчивые соединения с железом и углеродом. Из карбидов, интерметаллидов и дисперсных частиц под воздействием температур формируется сложная кристаллическая решетка. При уменьшении углеродной доли каркас структуры создают хром, никель, марганец и другие элементы, а карбидные соединения вытесняются к границам зерен. Активное железо находится в связанном состоянии и не может реагировать с агрессивными веществами.

Легированные стали классифицируют по количеству присадок:

Низколегированные — до 2,5%;
Среднелегированные — 2,5-10%;
Высоколегированные — выше 10%.

И различают по назначению:

Инструментальные — применяют в производстве измерительных и режущих инструментов, штамповой оснастки;
Конструкционные — для изготовления агрегатов и механизмов, корпусов автомобилей и оборудования, конструкций;
Специальные — коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.

Для определения марок создана буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают русскими буквами. В составе большей части сплавов не более 1% углерода, но эта характеристика одна из самых важных, поэтому ее указывают в начале маркировки в сотых долях процента. Числовые значения, округленные до единиц опускают.

● Буква А в конце значит, что сталь высококачественная.

Если содержание углерода 1% и более, первую цифру не пишут, например ХВГ, ХВСГ, ШХ15СГ. Для некоторых групп применяют обозначения перед маркировкой: А — автоматные, Ш — подшипниковые, Р — быстрорежущие, Э — электротехнические, Е — магнитно-твердые. Сплавы выпускаемые одним предприятием имеют свои названия, например ЭИ417 (Электросталь), ЧС 116-ИД (Челябинская сталь), ВНС-65 ВИЭМ).

Разработано более тысячи легированных стальных сплавов с различными уникальными свойствами: устойчивые к охрупчиванию на холоде, стойкие к кислотам и щелочам, кавитационным нагрузкам. В сравнении с углеродистыми они обладают меньшей теплопроводностью, твердостью. При термической обработке, в том числе сварке, необходимо учитывать свойства всех металлов в составе.

Характеристики углеродистой стали

Качества сплавов зависят от степени обработки. На первых этапах железную руду подвергают раскислению, восстанавливают окись железа до металла. По количеству оставшихся в расплаве атмосферных газов установлены классы:

В зависимости от наличия вредных примесей определяют качество:

Так как от углерода зависит твердость и одновременно ударная хрупкость, предусмотрена следующая классификация сталей:

● Низкоуглеродистые — до 0,25%;

● Высокоуглеродистые — выше 0,6%.

Действует деление по областям применения:

● Конструкционные — большая группа, объединяющая несколько видов: строительные, автоматные, термоупрочняемые, повышенной прочности и др. Маркировка начинается с цифр, обозначающих углерод в сотых долях процента: от 08 до 85. Если увеличено содержание марганца, в конце добавляют Г

● Инструментальные — для изготовления инструмента, не подвергающегося нагреву: зубила, молотки, топоры. Группу сталей относят к качественным и обозначают буквой У в начале, высшее качество дополнительно маркируют знаком А в конце.

● Общего назначения — недорогие сплавы для изготовления труб, прутков, швеллеров, ковки и литья. Предусмотрено несколько подгрупп. К группе А относят стали со стабильными механическими свойствами (Ст1кп, Ст6сп), первую букву не пишут. У группы Б регламентирован химический состав (БСт4сп, БСт6пс), у В стабильны состав и свойства (ВСт3сп, ВСт5).

Углеродистые стали предназначены для изготовления нагруженных деталей и конструкций: рельсов, валов, тяг, осей, пружин рессоров, деталей турбин. Они отлично свариваются, поддаются резанию, ковке, но требуют защиты от коррозии.

Разница между легированной и углеродистой сталью

Различие в химическом составе определяет характеристики материалов.

Легированные стали отличаются коррозионной стойкостью.

В зависимости от элементов, связанных с железом, они могут работать в морской воде, кислотных средах даже при высоких температурах, но плохо справляются с ударными нагрузками, имеют малую несущую способность. Производство сплавов и конечных продуктов сопряжено с применением десятков сложных технологий.

Углеродистые стали без антикоррозийных покрытий подвержены быстрому разрушению.

Их области применения: все металлоемкие производства. Экономическая целесообразность большого расхода сырья коррелирует с простотой обработки.

Читайте также: