Как обозначается углеродистая сталь

Обновлено: 03.05.2024

Конструкционная сталь получила широкое распространение во всех областях промышленности. Ее важными характеристиками являются пластичность, прочность, устойчивость к разрушению. Таким образом, этот материал применяют там, где предъявляются высокие требования к качеству и запасу прочности.

Марки конструкционной стали отличаются по химическому составу и, соответственно, по физическим свойствам. Подробнее о том, в чем ее особенности, как она классифицируется и где применяется, читайте в нашем материале.

Применение конструкционных сталей

Из конструкционной стали производят машины, аппараты, механические узлы и сложные детали. Есть несколько видов металлов, отличающихся свойствами и применяемых для изготовления определенной продукции для сборки механизмов и оборудования.

Низколегированная сталь. Используется для производства вагонов железнодорожного транспорта, трамваев, метро, локомотивов; выпуска техники для сельскохозяйственных работ; для строительства больших объектов инженерной инфраструктуры, испытывающих постоянные нагрузки и вредное воздействие окружающей среды.
Теплоустойчивая сталь. Изделия из этого металла выдерживают большую температуру до 6000 градусов по Цельсию и не разрушаются.
Конструкционная подшипниковая сталь. Материал используют для производства подшипников, частей деталей, которые находятся в местах контакта шариков, роликов и беговых дорожек колец.
Пружинная сталь. Из пружинно-рессорного сплава производят рессоры, пружины, сильфоны и прочие аналогичные детали.
Автоматная сталь. Материал используется для выпуска мелких крепежных изделий и других элементов с помощью автоматического оборудования.

Классификация конструкционных сталей

Существуют разные виды металлов, которые отличаются химическим составом конструкционной стали, качеством, степенью раскисления, структурой, твердостью и сферой применения.

Добавка химических элементов влияет на деление металлов на углеродистые и легированные. Также сплавы бывают низкоуглеродистые ( < 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (>0, 7 % С). Легированные металлы могут содержать хром, марганец, никель и другие примеси.

Количество включенных веществ определяет существование низко-, средне- и высоколегированных сталей. Низколегированные металлы содержат не более 5 % легирующих элементов, среднелегированные – от 5 до 10 %, высоколегированные — более 10 %.

Существует классификация по качеству: сплавы обыкновенного качества, качественные конструкционные стали, высококачественные и особо высококачественные металлы.

Качеством стали называют совокупность физических, химических и технологических параметров. Многие сплавы содержат скрытые газы (кислород, углерод, азот), примеси серы и фосфора. В зависимости от их количества у сплавов будет разная однородность, строение и технологические свойства.

Чтобы определить, какая сталь более качественная, принята норма содержания вредных примесей в металле. Сплав обыкновенного качества содержит до 0,050 % S и 0,040 % Р, качественный — не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественный — не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественный — не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Сплавы разделяют также по раскислению: спокойные, полуспокойные и кипящие сплавы.

Раскислением называется выделение кислорода из расплавленного металла с целью предупреждения хрупкого разрушения от воздействия температуры.

Спокойные сплавы получают при добавке раскислителя – марганца, кремния и алюминия. В них концентрируется мало кислорода, при затвердевании не отделяется газ. Кипящие сплавы раскисляют марганцем. Они содержат большое количество кислорода, часть которого, соединяясь с углеродом, выделяется в виде СО.

Множественные пузырьки создают эффект кипения стали. Такой металл стоит дешевле остальных. Он является низкоуглеводным сплавом с минимальным содержанием кремния (Si

Полуспокойные стали находятся между спокойными и кипящими металлами. Они производятся при частичном раскислении с умеренным выделением кислорода.

По структуре стали делят на несколько видов, учитывая строение металла в отожженном и нормализованном состояниях. В отожженном (равновесном) качестве конструкционные стали классифицируют на доэвтектоидные, в структуре которых большое количество железа; эвтектоидные, состав которых включает перлит; аустенитные и ферритные.

Доэвтектоидными и эвтектоидными металлами бывают только углеродистые стали. Легированные металлы производятся всех классов. Аустенитные металлы получаются при добавке в химический состав конструкционных сталей элементов Ni, Mn, увеличивающих (гамма)-область. Ферритные стали образуются при добавке Сг, Si, V, W и прочих веществ, расширяющих (альфа)-область.

После нормализации структуры стали классифицируют на перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный металл.

Перлитный класс включает в себя углеродистые и низколегированные металлы, наиболее распространенные на разных производствах. После охлаждения в открытой среде стали получают структуру перлита, сорбита или троостита. В них также может быть избыточный феррит или карбид.

К мартенситному классу относятся средне- и высоколегированные металлы, которые при охлаждении на воздухе закаливаются на мартенсит. Они обладают твердостью, сильной хрупкостью и плохо поддаются обработке.

К аустенитному классу относятся углеродистые высоколегированные конструкционные стали. В зависимости от входящих химических веществ они обладают хорошей пластичностью, вязкостью, прочностью, устойчивостью к коррозии, высокой температуре, немагнитностью и другими полезными свойствами. Такие сплавы тяжелее обрабатывать.

Аустенитные и ферритные стали совпадают по классификации в отожженном и нормализованном состояниях.

Стали конструкционного качества разделяются на металлы нормальной, средней ((сигма)В < 1000 МПа), повышенной прочности ((сигма)В < 1500 МПа) и высокопрочные ((сигма)В >1500 МПа).

В зависимости от сферы применения металлы бывают машиностроительные, из которых делают прокат конструкционной стали и изготавливают детали механизмов, машин, и строительные металлы, необходимые для возведения сооружений и металлоконструкций.

Преимущества и недостатки конструкционных сталей

Конструкционная сталь приобретает свои достоинства после воздействия высокой температуры, поэтому все изделия обрабатываются термически.

Преимущества закаливания стали:

В результате воздействия температуры увеличивается устойчивость к пластическим деформациям у деталей из конструкционной стали. Элементы, прошедшие обработку, превосходят углеродистые сплавы по своим свойствам.
Прочность конструкционной стали увеличивается в результате воздействия температуры, поэтому рационально делать внешние детали большой толщины из этого материала.
Для охлаждения деталей из конструкционной стали после термической обработки применяют масла, которые снижают риск растрескивания, коробления.

Воздействие высокой температуры и легирование придает конструкционной стали дополнительную вязкость, устойчивость к ломкости при резком понижении температуры. В результате металлические детали имеют больший срок службы.

Минусы конструкционной стали:

Большинство деталей из металла подвержено отпускной хрупкости.
Вследствие воздействия высокой температуры основные конструкционные стали становятся мягче, у них снижается сопротивление усталости.
Ковка и прокатка изменяет структуру стали, делая ее строчечной. Деформированные участки становятся неоднородными, металл тяжело поддается резке.

В легированной стали с добавлением никеля могут появляться светлые участки в местах излома. При выполнении поперечного разреза в металле видны трещины разной направленности. Это объясняется выделением водорода, растворенного в стали.

Маркировка конструкционных сталей

Существует множество марок конструкционных легирующих сталей. Они проставляются в соответствие с принятой системой. Стоит узнать о ней подробнее.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества обозначаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, характеризующими номера марок. Затем ставят обозначение степени раскисления: «сп» – спокойные, «пс» – полуспокойные, «кп» – кипящие.

Если конструкционная сталь имеет марку 0, то степень раскисления не указывают, но отражают количество фосфора (не более 0,07 %), серы (не более 0,06 %) и углерода (не более 0,23 %). Марки под номерами от 1 до 6 обычно полуспокойные, а от 1 до 4 – кипящие. Содержание элементов С, Мn, Si, S, P в сталях обязательно указывают.

Сталь конструкционная углеродистая качественная по ГОСТ 1050–88 обозначается двузначным числом, показывающим содержание углерода (сотые доли процента, опуская целую часть): 0, 8, 10, 20, … 60. При взгляде на номер сразу ясно, что, например, в стали 20 содержится 0,20 % углерода.

Бывают спокойные, полуспокойные, кипящие углеродистые конструкционные стали. Индекс перед спокойными не ставят. Например, номера полуспокойных металлов: 08 пс, 10 пс, 20 пс; кипящих: 08 кп, 10 кп, 20 кп.

По существующей маркировке литая структура углеродистых сталей обозначается большой буквой «Л» (сталь 60 Л).

Маркировка углеродистых легированных конструкционных сталей производится по ГОСТ 4532–71. Она включает буквы и цифры, показывающие химические элементы в металле:

алюминий – Ю;
бор – Р;
ванадий – Ф;
вольфрам – В;
кобальт – К;
кремний – С;
марганец – Г;
медь – Д;
молибден – М;
никель – Н;
ниобий – Б;
титан – Т;
хром – Х.

Наличие легирующих примесей показано цифрами. Когда углеродистые конструкционные стали в маркировке не имеют цифрового кода, значит, содержание химического элемента не превышает 1 %.

Первая цифра в маркировке означает количество углерода в легированном материале (в сотых долях процента). Например, запись «30ХН3А» означает, что в металле есть 0,30 % С, около 1 % Сr и 3 % Ni. Большая буква «А» показывает высокое качество стали. Для обозначения высококачественных сталей применяют маркировку с буквой Ш, например, 30ХГС-Ш.

Отдельные группы конструкционных сталей имеют дополнительное обозначение в начале. К примеру, автоматные металлы – букву «А», строительные – «С», подшипниковые – «Ш» (ШХ15).

Автоматный вид конструкционных сталей содержит большую концентрацию кальция, селена, серы, теллура и фосфора. По ГОСТ 1414–75 повышенное содержание отдельных элементов показывают буквами: кальций – «Ц», селен –«Е», сера – «А», свинец – «С».

Концентрация углерода обозначается двузначным числом перед буквами А, АС или АЦ и выражается в сотых долях процента. Примеры: кальций в составе – АЦ20, …, АЦ30ХН; селен – А35Е, А40ХЕ; сера – А11, А20, … А40; свинец – АС14, АС40, … АС45Г2.

Низколегированная конструкционная сталь имеет в маркировке букву «С» и число, показывающее предел текучести (мегапаскаль) – С235, С285 … С590. После номера может быть большая буква «Д», что означает антикоррозийные качества, «К» показывает особенный химический состав, «Т» сообщает об увеличенной прочности после термической обработки.

Конструкционные стали – современные материалы, отличающиеся разнообразными характеристиками, которые проявляются в металлах при включении тех или иных химических элементов. Примеси могут делать стали прочными, износостойкими, твердыми, хрупкими. Металл является недорогим и широко используемым сырьем для производства множества деталей и конструкций.

Маркировка стали: принципы, расшифровка

Маркировка стали – это не только и не столько заморочка суровых производителей. Она необходима для конечного пользователя продукции, чтобы подобрать изделие, материал с теми характеристиками, которые требуются для конкретного вида работ, выполнения задач.

Например, конструкционная сталь не подойдет для изготовления инструментов, углеродистая будет совершенно неуместна там, где используются легированные сплавы и т. д. О том, что означает маркировка сталей, по какому принципу она наносится, вы узнаете из нашего материала.

Принципы маркировки стали

Маркировка стали – это краткое описание, дающее представление о физических и химических свойствах сплава. Разобраться в шифрах легко, если знать принципы их составления.

Маркировка состоит из букв и цифр, которые обозначают тот или иной химический элемент и его содержание в сплаве. Уметь пользоваться этой информацией важно, чтобы понимать влияние каждого компонента стали на ее свойства. Это поможет определить технические характеристики конкретной марки.

При выполнении заказа проектировщики сначала работают над конструкцией изделия. На основе свойств имеющихся материалов подбирается марка стали, удовлетворяющая требованиям по качеству. Далее проектировщики делают описание и расчеты, дающие картину того, как устройство будет вести себя в процессе движения. Это позволяет понять, какие элементы изделия испытывают повышенные нагрузки.

Если измерения и расчеты показали, что конструкция будет подвергаться сильному трению или высоким нагрузкам, требования к прочности компонентов сплава возрастают. Специалисты подбирают материалы марок по ГОСТ для конкретных условий использования. Из выбранного металла создается модель, которая тестируется по методикам, характерным для этой сферы. Если данный прототип не отвечает заявленным критериям, конструктор может изменить марку стали.

В естественной среде для железа характерны реакции с окислителями, серой, фосфором, галогенами. Раньше в качестве восстановителя использовали каменный уголь, чтобы очистить сырье и преобразовать оксидные соединения. Таким образом, в процессе горения при минимуме кислорода получался чугун. Доля углерода в нем составляет не менее 2,14 %, а оксиды и примеси присутствуют по минимуму. Чтобы получить сталь, необходимо сократить содержание углерода в сырье до 2 %.

Маркировка стали содержит буквы и цифры, описывающие состав и количественное соотношение химических элементов в нем. Важно понимать, как каждый из компонентов влияет на готовый сплав, чтобы разбираться в технических характеристиках определенной марки стали.

Работа с металлами в любой отрасли предполагает знание марок, свойств, характеристик, которые обозначены в индексе. Зашифрованная информация дает полное представление о металле и его особенностях. Для тех, кто разбирается в цифрах и буквах маркировки, обращаться к другим источникам за дополнительной информацией не требуется.

Маркировка углеродистых сталей

Углеродистые стали по составу сходны с чугуном, но концентрации компонентов в них различаются. Обработка уменьшает количество углеродов и вредных составляющих. Чтобы получить еще более прочный и устойчивый к коррозии металл, регулируют соотношение кремния и марганца.

По количеству углеродных соединений определяют несколько групп сплавов:

высокоуглеродистая (0,6–2 %);
среднеуглеродистая (0,25–0,55 %);
низкоуглеродистая (до 0,25 %).

Наличие углеродов в составе важно для укрепления структуры на молекулярном уровне и для формирования карбидов. Высокий процент углерода делает сплав устойчивым к нагрузкам, в том числе позволяет противостоять механическим ударам. Чем ниже значения углеродной составляющей, тем более пластичен материал, что позволяет изготавливать изделия повышенной точности.

Эти характеристики важны для производства инструментов (например, топоров) или малонагруженных элементов конструкций (зубчатые колеса, пружины), а также деталей, которые в процессе эксплуатации испытывают высокое напряжение (оси, арматуры).

Маркировки нержавеющих сталей включают следующие буквы:

Ст – сталь.
Цифра – номер по регламенту ГОСТ 380-2005.
Г – марганец более 0,8 %.
КП, ПС или СП – метод раскисления.

Это «конструкционные» сплавы, которые можно распознать по шифрам: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Другая группа – «инструментальные», куда относят сплавы с содержанием углерода в 0,7 %. Для них характерно очищение состава от вредных компонентов. Маркировки стали определяет ГОСТ 1435-99:

У – углеродистая.
Цифры – содержание углерода в десятых долях %.
Г – марганец более 0,33 %.
А – повышенное качество стали, при этом минимальное количество примесей: серы – до 0,03 %, фосфора – до 0,035 %.

Маркировка инструментальных сталей включает следующие обозначения: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А.

Маркировка легированных сталей

Чтобы стали обрели специальные свойства, осуществляют процесс легирования. Он обозначает добавление в состав различных присадок. Классификация по маркировке сталей в зависимости от наличия и соотношения легирующих компонентов включает в себя низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (до 50 %) сплавы.

Данная таблица описывает, как в маркировке стали обозначены металлы, которые присутствуют в виде легирующих добавок:

Расшифровка и классификация марок сталей

Железо химически-активно и встречается в природе только в виде соединений, руды состоят из гидратов, закисей солей и оксидов. Богатая руда содержит не более 57% чистого металла, а изделия быстро корродируют. С развитием металлургии было изобретено множество сплавов на железной основе, которые превосходят его по прочности и имеют надежную молекулярную структуру. Стали классифицируют по способу раскисления, назначению и содержанию элементов. Обозначения марок сформированы разными системами стандартизации.

Для точной расшифровки марки стали воспользуйтесь нашим марочником стали

Классификация по химическому составу

В естественной среде железо реагирует с окислителями, галогенами, фосфором и серой. Для очищения сырья и преобразования оксидных соединений в роли восстановителя сначала применяли каменный уголь. Так при горении в недостатке кислорода, выплавляли чугун, из которого уже частично удалены оксиды и примеси, а доля углерода составляет не менее 2,14%. Для выплавления стали из полученной массы необходимо уменьшить его концентрацию до 2%.

Углеродистые

По составу отличаются от чугуна только концентрациями. При обработке снижается количество углерода и вредных включений. Соотношение кремния и марганца – может корректироваться для придания дополнительной прочности и стойкости к коррозии. По количеству углеродных соединений различают следующие группы:

Высокоуглеродистая (0,6-2%);
Среднеуглеродистая (0,25-0,55%);
Низкоуглеродистая (до 0,25%).

Углеродная составляющая участвует в формировании карбидов и укрепляет структуру на молекулярном уровне. Чем выше содержание, тем больше стойкость к механическим нагрузкам, особенно ударным. Понижение придает пластичность и возможность выпускать изделия повышенной точности. Из этих сплавов получают инструменты (топоры, валы), детали, испытывающие большое напряжение (оси, арматура) и малонагруженные (зубчатые колеса, пружины). Расшифровка характеристик стали производится по буквам:

Ст – сталь;
Цифра – номер, согласно регламенту, ГОСТ 380-2005;
Г – марганец выше 0,8%;
КП, ПС или СП – метод раскисления.

Группу объединяет название «конструкционные», их обозначают маркировками: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Отдельно выделяют группу с названием «инструментальные», они содержат 0,7% углерода и дополнительно очищаются от вредных составляющих. Расшифровка букв в обозначении согласно ГОСТ 1435-99:

У – углеродистая;
Цифры: углеродная концентрация в десятых долях процента;
Г – марганец выше 0,33%;
А – повышенное качество, серы не более 0,03%, фосфора – до 0,035%.

Инструментальные нелегированные стали обозначают следующими маркировками: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А.

Легированные

Для придания специальных свойств в расплав добавляют различные присадки. Процесс называют легированием. По соотношению легирующих элементов марки разделяют на низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (до 10%) и высоколегированные (до 50%).

В таблице приведены металлы, включения примесей и их обозначения в маркировке:

Марганец – Mn	Г
Хром – Cr	Х
Никель – Ni	Н
Титан – Ti	Т
Молибден – Mo	М
Бериллий – Be	Л
Медь – Cu	Д
Азот – N	А
Ванадий – V	Ф
Ниобий – Nb	Б
Алюминий –Al	Ю (от ювенал)
Селен – Se	E
Кобальт – Co	К
Бор – B	P
Фосфор – P	П
Кремний –Si	С (от силициум)
Цирконий –Zr	Ц

Например, 08Х18Н10 расшифровывается как 0,08% углерода (С), 18 % хрома (Cr), 10% никеля (Ni). Обозначаются не все составляющие, а только говорящие об основных свойствах. Легирование применяется во всех случаях, когда неприемлемо использование углеродистых сплавов. Технический процесс сложнее и дороже, но присадки помогают продлить срок службы в сложных условиях или создать материал со специальными возможностями.

Также в начале маркировки могут присутствовать такие обозначения:

Р — быстрорежущая;
Ш — шарикоподшипниковая;
А — автоматная;
Э — электротехническая.

У этих марок есть ряд особенностей:

в шарикоподшипниковых сталях содержание хрома указывается в десятых долях процента (например, сталь ШХ4 содержит 0,4% хрома);
в марках быстрорежущей стали после буквы Р сразу ставится число, указывающее содержание вольфрама в процентах. Также все быстрорежущие стали содержат 4% хрома (Х).

Классификация по назначению

Часто для группы со сходными химическими формулами и эксплуатационными ресурсами применяют термины, указывающие на условия применения. Как правило, такая продукция подвергается испытаниям на соответствие по нескольким одинаковым параметрам: на устойчивость к ударным нагрузкам, кислотам, экстремальным температурным режимам. Специальные обозначения в маркировке есть у нелегированных групп: строительные (С), подшипниковые (Ш), конструкционные (Сп), инструментальные (У). Отдельно выделяют режущие легированные сплавы (Р).

Классификация сталей по назначению

Конструкционные

Категория объединяет марки способные выдерживать разнонаправленные механические нагрузки: изгибающие, ударные, растягивающие. Отличительной особенностью является стойкость к усталости, они не трескаются и не истираются при сочетании различных негативных факторов. По составу могут быть углеродистыми и легированными. Применяются для изготовления конструкций и деталей повышенной прочности.

Если сталь является литейной конструкционной, то в конце маркировки ставят букву Л. Например: 40ХЛ, 35ХМЛ.

Инструментальные

Стальные изделия без легирования очень прочны, но в некоторых областях их качеств недостаточно, поэтому применяют присадки. Например, марганец участвует в формировании особо-прочной молекулярной структуры (аустенит) и увеличивает стойкость к механическим деформациям. Алмазная сталь ХВ5 долго сохраняет заточку, может резать очень твердые материалы, при этом требует ухода и легко ломается. Ее прародителями были булатные и дамасские клинки, плохо переносящие сырость и хрупкие ближе к острию.

Инструментальные нелегированные стали обозначаются буквой У. Затем ставится цифра, которая обозначает среднее содержание углерода в стали: У11; У12; У13;. Высококачественные стали дополнительно обозначают буквой А на конце — У11А; У12А; У13А.

Особого назначения

Способность выдерживать определенные физические или химические воздействия определяет область применения. К особенным свойствам относится: немагнитность, кислотостойкость, жаростойкость, жаропрочность. Появляются узкоспециальные названия: авиационные (нагрузка свыше 1300Мпа), судостроительные (стойкость в щелочной среде), криогенные (отсутствует хрупкость при –196 С о и ниже).

Классификация по способу раскисления

При плавлении руды необходимо удалить кислород, иначе готовый прокат быстро заржавеет. Так как кислород находится в несвободном состоянии, требуется разрушить оксидные и гидратные соединения. В реакции раскисления участвуют активные вещества: ферромарганец, силикомарганец, расплав алюминия и другие. Некоторые реагенты действуют только в вакуумной среде.

Для обозначения способа раскисления используют такие обозначения:

Уже более 100 лет разрабатываются методы прямого получения металла, минуя переплавку в чугун и использование кокса, загрязняющего расплав продуктами горения. В результате применения газообразных и твердых восстановителей, обработки в электропечах, реакторах, реторах, получается раствор, насыщенная газами в разной степени. Разделение не относится к легированным продуктам, так как добавление присадок требует регламентированной чистоты.

Кипящая

Для получения используют минимальное количество реагентов, поэтому остается много кислорода и углекислого газа. Слитки имеют неоднородное строение, в одной части оседают вредные примеси, поэтому до 5% готового слитка удаляется. Материал с низкими характеристиками, хрупкий. Воздух концентрируется в сердцевине, но наружная корка может иметь достаточную прочность. Возможно изготовление крепежных деталей котлов и конструкций, контактирующих с взрывоопасными средами. Главный недостаток: быстрая коррозия.

Спокойная

Благодаря сложным технологическим процессам присутствие газов и неметаллических включений минимально, а структура однородна. Из слитков изготовляют металлоконструкции, детали или используют для создания дорогостоящих сплавов.

Полуспокойная

Промежуточное состояние. Упрощенные технические циклы удешевляют производство, а свойства достаточны для выпуска несущих элементов сварных и клепаных конструкций. Из Ст5пс изготовляют болты, гайки, упоры, которые можно использовать в плюсовых температурах и низкой влажности воздуха.

Классификация по качеству

Чем меньше осталось вредных включений, тем выше качественные характеристики, но иногда это не оправдано экономически. Система стандартизации предусматривает три класса.

Качественная

К категории относят углеродистые продукты. В них больше всего фосфора, серы и газов, они недостаточно однородны. Качества удовлетворительны для производства конструкций и деталей.

Нелегированные качественные стали обозначают буквой К. Например, 20К

Высококачественная

Низкое содержание вредных примесей и неметаллических включений обозначается в маркировке буквой А в конце. Из марок У8 и У8А вторая будет обладать лучшими характеристиками, изделия получатся точнее и качественнее.

Букву А в начале пишут в марках конструкционных сталей высокой обрабатываемости (А12–автоматная, А30, А40), но в таком случае она не отображает соответствие стандарту чистоты.

Особо качественные

Сплавы с минимально-возможным количеством примесей обозначаются по способу получения в конце маркировки:

ВД – вакуумно-дуговая переплавка;
Ш – электрошлаковый переплав;
ВИ – вакуумно-индукционный;
ПД – плазменно-дуговой.

Особое качество достигается легированием, так как основу, полученную из чугунного расплава, невозможно привести к таким показателям. Содержание серы снижено до 0,1%, фосфора – до 0,025%. Примеры: 30ХГСН2МА – ВД. Здесь пропущены цифры, так как концентрации присадок составляют от 0,8 до 1,2%, поэтому их доля округляется до 1.

Классификация по структуре

Легирующие элементы формируют собственные соединения и создают молекулярную решетку. Строение металлов по своей природе зернистое, подвергается изменениям при термообработке и давлении. Геометрия химических связей определяет отношение к классу: ферриты, аустениты, перлиты и мартенситы. В обозначениях эта информация не отображается, но принадлежность всегда учитывается для применения в той или иной области.

Аустенит

Атомы углерода находятся внутри ячеек кристаллической решетки металла. Легирующие элементы способны замещать атомы железа и вставать на их место. Аустениты отличаются прочностью и однородностью, не магнитны, относятся к коррозийно-стойким и жаропрочным материалам, применяются для транспортировки агрессивных веществ, работы в особо сложных условиях.

Феррит

Ферритная решетка похожа на куб правильной формы. Поликристаллическое строение делает ферриты мягкими, при переохлаждении зерна становятся крупными, увеличивается хрупкость. Представители класса являются сильными магнетиками, поэтому используются в радиотехнике и электронике для поглощения электромагнитных волн, выпуска антенн и сердечников.

Мартенсит

При закаливании и охлаждении формируется игольчатое строение, при этом атомы железа смещаются на вершины ячеек, а углеродные концентрируются в центре. Это создает внутренние напряжения. Интересно, что мартенситовое превращение происходит в определенных температурных промежутках, при котором достигается предельная твердость. Явление сопровождается возникновением «памяти метала». Сталь, находящаяся в таком состоянии способна вернуть форму после механической деформации.

Мартенсит получают различными методами термообработки и легирования, присадки помогают стабилизации решетки. Степень зависит от назначения, иногда необходимо полное прокаливание, а если этого не требуется, то воздействуют лишь на поверхностные слои. Применение осложняется дополнительными требованиями к обработке, особенно сварке. Уникальные свойства пока не изучены до конца.

Перлит

На этой стадии облегчается механическая обработка. Перлит – явление распада при охлаждении после нагрева. Зерна измельчаются или расслаиваются на пластинки. Состояние создают искусственно для пластической деформации.

Цементит

Особо устойчивое состояние. Решетка FeC₃ имеет ромбическую форму, физически цементит очень тверд и хрупок. Формируется при кристаллизации расплава чугуна. В сталях образуется при охлаждении аустенита и нагревании мартенсита (разупрочняющий отжиг).

В металлургии термообработка производится для получения лучших эксплуатационных характеристик конкретного состава и состоит из многочисленных процедур нагревов и охлаждений в разной температуре: сфероидизация, гомогенизация, изотермический отжиг, разупрочнение, стабилизация.

Классификация по способу производства

Многое зависит от применяемого оборудования. Доменные печи давно заменены на более экологичные и эффективные варианты. За прошедшее столетие появилось несколько новых технологий:

Конверторная или бессемеровская. В процессе выплавки в конвертер поступает сжатый, обогащенный кислородом воздух, углеродная составляющая выжигается. Дополнительное топливо не требуется, так во время реакции высвобождается дополнительная энергия и масса нагревается самостоятельно. До изобретения технологии невозможно было получить температуру плавления 1600 С о , поэтому производили только чугун при 1400 С о . В усовершенствованном виде способ применяется и сегодня.
Мартеновская. Ученый предложил использовать полученное тепло повторно: выходящий воздух нагревает входящий. Для этого печь была оснащена регенератором, не только восстанавливающим тепло, но улавливающим копоть и конденсат. В установках действуют термические режимы, не превышающие 2000 С о . Изобретение позволило переплавлять лом, регенераторы используются в современных установках, особенно стеклодувных и плазменных.
Электросталь – оборудование нового поколения, использующее индукцию и дуговую выплавку. В современных установках получают наиболее чистые от загрязнений продукты, затраты электричества снижаются, так как поддерживается точная температура. В плазменно-дуговых печах создают жаропрочные и тугоплавкие материалы. Появилась возможность получать стали прямым методом, без плавления чугунной основы.

Предельное повышение температуры до 20000 С о позволило получить железо, усиленное молибденом и титаном. Вместе с технологией плавления одновременно разрабатываются методы металлообработки: резки, гибки, проката.

Таблица маркировки сталей

В таблице приведено содержание элементов в распространенных марках стали.

Углеродистая сталь: состав, свойства

При выплавке железной руды сначала получают чугун, в химическом составе которого не менее 2,14% углерода. Процедура науглероживания превращает сырье в сталь. Металл становится пластичнее, но обладает меньшей твердостью. Так как углеродная массовая доля по-прежнему считается высокой, такие сплавы называют углеродистыми. В зависимости от этого показателя, определяют три группы:

Высокоуглеродистые (0,6-1,4%) — особо твердые сплавы. Из них изготавливают канатную проволоку, дробь для дробеструйной обработки, штампы для деформации металлов. В группу входят некоторые пружинные марки.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) — наряду с прочностью повышается пластичность, что крайне важно для технологической обработки. Область применения: конструкции, работающие в нормальных условиях.
Низкоуглеродистые (до 0,25%) — мягкие сплавы с хорошей формообразующей способностью. Детали обычно подвергают отжигу для увеличения прочности.

Углерод образует карбидные соединения, находящиеся в состоянии цементита и обуславливает следующие свойства углеродистых сталей:

Прочность;
Упругость;
Износостойкость.

Наряду с этим цементит неустойчив к изменениям внешних условий, подвержен распаду с образованием свободного графита, хрупок. Причиной может быть избыточная кинетическая энергия, увеличение нагрузок. В ходе разрушения кристаллической решетки образуются графитные хлопья и вкрапления, вследствие чего изделие утрачивает первоначальные свойства.

Характеристики углеродистых сталей объясняются прежде всего сложным молекулярным строением. Ячейка структуры цементита приобретает форму октаэдра.

В результате сплавам присущи следующие технико-экономические показатели:

Высокая прочность и несущая способность;
Из-за плохой прокаливаемости формируется твердый поверхностный слой и мягкая сердцевина, это свойство компенсирует хрупкость;
Долговечность, в нормальных условиях или с использованием способов защиты от коррозии срок службы достигает 50 лет;
Низкая цена. Технологический процесс выплавки доступен с момента появления мартеновских печей в конце XIX века.

Углеродистая сталь — незаменимый конструкционный материал, а невысокая стоимость позволяет использовать ее в строительстве масштабных сооружений: трубопроводов, зданий, мостов.

Выдающиеся механические параметры применяют при изготовлении инструментов и крепежей, деталей, испытывающих повышенные нагрузки.

Химический состав

Классификация по качеству и способу производства

В рудах содержится большое количество неметаллических включений, минералов и газов, влияющих на физико-химические свойства. К полезным относятся кремний и магний, к вредным, фосфор и серу. Выплавка производится в следующей последовательности:

Плавление: осуществляется при максимальной температуре с активным окислением железа, марганца, кремния, фосфора и других элементов.
Окисление: при распаде карбидов образуется углекислый газ, в состоянии кипения массовая доля углерода уменьшается до 2%.
Раскисление: оксиды восстанавливают до железа ферромарганцем, ферросилицием и другими реагентами. При плохой раскисленности материал склонен к трещинообразованию.

Температура доменных печей не позволяла выплавлять стали. Сегодня произвести эти операции можно несколькими способами:

Мартеновские печи. Пьер Мартен дополнил кузнечные печи регенератором, который не позволял рассеиваться тепловой энергии продуктов горения, таким образом удалось получить достаточную температуру. Снижение углеродной составляющей достигалось в основном выгоранием карбидов. Последняя печь в России работала до 2018 года на Выксунском заводе.
Конвертеры. Расплавленную массу продувают кислородом снизу и сверху. В ходе химической реакции окисления выделяется дополнительная энергия. Контакт воздушного потока с расплавом увеличивают перемешиванием.
Электроплавка. Электрометаллургия позволяет заменить реагенты электролизом, в частности на этапе восстановления из окиси не требуется уголь, что снижает количество примесей и вредные выбросы в атмосферу. Кроме этого предусмотрены возможности получения температур до 20 тыс С⁰ с помощью эффекта электротермии и вакуумная плавка.

В результате проведенной работы получают углеродистые стали разного качества. Этот параметр указывают в технической документации, так как от маркировки зависит область применения.

Обыкновенные — самый распространенный материал для производства металлопроката, конструкций, термоупрочняемых деталей: валов, осей, втулок. Вредные примеси: до 0,05%.
Качественные — характеристики указывают в отраслевых стандартах. Общее содержание примесей: до 0,035%.
Высококачественные — загрязненность до 0,025%. В основном применяются для изготовления инструментов.
Особо высококачественные — концентрации серы и фосфора ниже 0,015%. В обозначении употребляют букву «Ш».

Получение сталей с малым содержанием примесей возможно только методом электроплавки. Они используются для производства некоторых механизмов и деталей оборудования специального назначения, например в атомной энергетике.

Классификация по уровню раскисления и количеству углерода

На этапе окисления расплав насыщается водородом, азотом, углекислотой, а железо превращается в окись. Восстановление металла осуществляется до нужных параметров, так как дополнительная очистка приводит к удорожанию. В связи с этим действует следующая классификация:

Кипящие (кп) — раскисление осуществляют марганцем, структура неоднородная и насыщенная пузырьками воздуха, характеристики отличаются от слитка к слитку. КП ценят за низкую стоимость и пластичность, их используют для производства плит, подставок, неответственных элементов, работающих при температуре не ниже -20 С⁰.
Полуспокойные (пс) — окись восстанавливают марганцем и алюминием, если процедура проведена правильно, то газы концентрируются в верхней части слитка. При обработке прокаткой дефекты устраняются.
Спокойные (сп) — газы удалены практически полностью, структура однородная и плотная. Применяются для изготовления сортового и фасонного проката.

Индекс раскисления указывают только для обыкновенных и частично для качественных сталей, в других маркировках он не используется, так как требования к химическому составу устраняют эту необходимость.

Чем больше углерода, тем выше прочность, но из-за снижения пластичности и ударной вязкости материал становится хрупким. При превышении установленных нагрузок вместо пластической деформации образуются трещины и сколы.

По его массовой доле углерода определяют назначение:

Обыкновенные (от 0,06 до 0,49%) — в зависимости от группы поставки механические свойства или состав могут быть стабильны.
Конструкционные — понятие включает в себя сплавы разного качества со средним содержанием (0,25-0,6%), применяется в машиностроении и строительстве.
Инструментальные — марки с самой высокой твердостью (от 0,7), из них изготовляют ударные инструменты, группа включает в себя только качественные и высококачественные стали У7,У8 — У11А, У12а.

Характеристики и структуру металла изменяют термообработкой. Таким образом достигается баланс прочности и пластичности стальных изделий, повышается коррозионная стойкость. В ряде случаев закаливанию подвергаются лишь поверхностные слои, а сердцевина остается пластичной.

Обозначение указывает на класс, чистоту и назначение. В России и СНГ приняты регламенты ГОСТ и ОСТ, устанавливающие нормы химического состава, механических свойств и методов испытаний. В каждой стране разработана своя система: DIN(Германия), EN (Евросоюз), JIS (Япония). Свои нормативы действуют даже в небольших государствах, таких как Чехия, Югославия, Бельгия, в США работает сразу несколько организаций стандартизации, которые создали 8 спецификаций.

Читайте также: