Механические и химические свойства сталей

Обновлено: 11.05.2024

Все знаю, что сталь является важнейшим инструментальным и конструкционным материалом для всех отраслей промышленности.

Металлургическая промышленность Украины насчитывает более 50 металлургических заводов и является стратегически важной для страны. В Украине производится широкий ассортимент металлопроката, таких, как: арматура, круги, квадрат, катанка, проволока, полоса, уголок, балка, швеллер, листы, трубы и метизы.

Сталь

Рассматривая данный вопрос, начнем с химического состава.

Сталь – это соединение железо (Fe) + углерод (С) + другие элементы растворенные в железе.

Железо в чистом виде имеет очень низкую прочность, а углерод ее повышает.

Углерод улучшает и некоторые другие показатели:

твердость,
упругость,
устойчивость к износу,
выносливость.

Содержание "Fe" в стали должно быть - не менее 45%, "С"- не более 2,14% - теоретически, однако на практике % концентрации углерода имеет следующий диапазон значений:

Низкоуглеродистые стали - 0,1-0,13 %
Углеродистые стали 0,14-0,5%
Высокоуглеродистые – от 0,6%

Чем выше процент содержания углерода в стали , тем выше ее прочность и меньше пластичность. УГЛЕРОД - является неметаллическим элементом. Его плотность равна 2,22 г/см3, а плавится при t -3500 °С. В природе он присутствует 2х полиморфных модификаций – графит (стабильная модификация) и алмаз (метастабильная модификация), а в сплаве с железом:

в свободном - графит (в серых чугунах),
в связанном - твердое состояние -цементит.

Углерод в соединении с железом находится в состоянии цементита, т.е в химической связи с железом (Fe3C). Структура цементита может быть очень разной, а зависит она от процесса образования, содержания углерода и методов термообработок.

Углерод в свободном состоянии присутствует в сером чугуне (СЧ), в виде графита. Серый чугун имеет пористую металлическую структуру и является весьма хрупким; на нем легко появляются трещины (особенно в процессе сварки).

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-71)

Система железо- углерод

Структура стали изучается по диаграмме состояния системы железо- углерод. Она характеризует структурные превращения стали и выражает зависимость структурного состояния от температурных режимов и химического состава.

Диаграмма состояния системы железо- углерод

Диаграмма состояния содержит критические точи, которые очень важны теоретически и практически для процессов термообработки стали и их анализа. С помощью диаграммы Fe-C - можно определить вид термообработки, температурный интервал изменения структуры и прогнозировать микроструктуру.

Структуры стали

Сплавы железа с углеродом при различных температурах и различном содержании «С» имеют различную структуру, а соответственно и физические и химические свойства. Одним из таких состояний и является описанный выше цементит. А теперь о них:

Аустенит – твердая структура углерода в гамма-железе - содержит "С" до 1,7% (t > 723° С). При снижении температуры аустенит распадается на феррит и цементит и возникает пластинчатая структура - перлит.

Феррит - твердый раствор "C" в α-железа- при t> 723-768° С , концентрация "С" составляет - 0,02%, а при t 20°С около 0,006% "С". Он очень пластичен, не тверд и имеет низкие магнитные свойства.

Цементит - карбид железа Fe3C. Концентрация «С» 6,63% . Цементит является хрупким , а его твердость - НВ760-800.

Перлит - механическая смесь феррита и цементита, образуемая при постепенном охлаждении в процессе распада аустенита. Исходя из размера частиц цементита перлит имеет различные механические свойства. Содержание «С» -0,8%.

Ледебурит (структура чугуна) - смесь образующаяся из кристаллизация жидкого сплава цементита и аустенита. Ледебурит очень твердый, но хрупкий. Концентрация "С"-4,3%

Свойства стали

Конечно, не только углерод влияет на свойства стали. Состав дополнительных элементов и их количество придают стали определенные свойства. Примеси бывают полезными и вредными. Хорошие примеси влияют исключительно на сами кристаллы, а вредные негативно воздействуют на связь кристаллов между собой. К хорошим примесям относят : марганец (Mn), кремний (Si). К плохим: фосфор (Р), серу (S), азот, кислород и другие.

Физические и механические свойства стали

Основными физическими свойствами стали являются:

теплоемкость;
теплопроводность;
модуль упругости.
Понятие модуля упругости стали (Е) заключается в соотношении твердого вещества упруго деформироваться при воздействии силы. Данная характеристика на прямую зависит от напряжения, а точнее, является производной соотношения напряжения к упругой деформации.
модуль сдвига (упругость при сдвиге) (G )– величина измеряемая в Паскалях (Па), определяющая упругие свойства тела или материала и их способность сопротивляться сдвигающим деформациям. Он применяется для расчета на сдвиг, срез, кручение.
коэффициент линейного и коэффициент объемного расширения при изменении температуры – это величина показывающая относительное изменение линейных размеров или объема материала или тела при увеличении температуры при неизменном давлении.

Основными механическими свойствами стали являются:

прочность
твердость
пластичность
упругость
выносливость
вязкость

Показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества ( ГОСТ 380-71)

Основными химическими свойствами стали являются:

степень окисления
устойчивость к коррозии
жаростойкость
жаропрочность

Качество стали определяется различными показателями всех ее свойств и структуры. Учитываются и свойства и изделий из этой стали.

По качеству стали разделяют на:

обыкновенного качества,
качественная сталь,
высококачественная сталь.

В данной статье мы рассматриваем только структуру стали и связанные с ней понятия. Качество стали, состав дополнительных примесей и их свойства будут рассмотрены в следующей публикации.

Свойства стали

Как известно, сталь является универсальным металлом, широко используемым в машиностроении, строительстве и других областях. Этот материал обладает исключительными свойствами — в первую очередь, физическими, механическими, химическими, технологическими.

Физические свойства стали:

Теплопроводность, то есть способность передавать тепло от участков с высокой температурой к участкам с более низкой.
Высокая электропроводность — способность к пропусканию электрического тока.
Высокая плотность — масса вещества, которое заключено в единичном объеме.

Механические свойства стали:

Прочность — это способность выдерживать внешнюю нагрузку, не разрушаясь. Данное свойство характеризуется пределом прочности (механическое напряжение, при котором изделие из стали разрушается) и пределом текучести (механическое напряжение, при котором изделие продолжает удлиняться, причем нагрузка отсутствует).
Твердость — способность сопротивляться проникновению твердых тел. Измеряется методами Бринелля и Виккерса. Метод Бринелля подразумевает определение прочности при помощи нагрузки, отнесенной к площади отпечатка в процессе вдавливания стального шарика, а метод Виккерса — алмазной пирамидки.
Пластичность — способность изменять форму после действия нагрузки и сохранение формы после того, как нагрузка снята. Характеризуется относительным удлинением при растяжении и углом загиба.
Ударная вязкость — способность противостоять нагрузкам динамического характера. Оценить можно работой, которая нужна для разрушения образца, отнесенной к площади поперечного сечения.

Химические свойства стали:

Жаростойкость — способность не окисляться при высоких температурах, не образовывать окалину.
Жаропрочность — способность сохранять прочность при высоких температурах.
Окисляемость — способность соединять с кислородом. Чем выше температура металла, тем выше окисляемость. Если сталь с низким содержанием углерода подвергнуть воздействию влаги или влажного воздуха, то она будет окисляться, образуя оксид железа — ржавчину.
Коррозионная стойкость — способность не окисляться, не вступать в химическую реакцию с веществами, которые окружают металл.

Технологические свойства стали:

Свариваемость — способность образовывать сварное соединение высокого качества.
Ковкость — способность принимать другую форму под действием внешней силы.
Обрабатываемость резанием — способность поддавать обработке механическим путем при помощи режущего инструмента.
Жидкотекучесть — способность металла, находящегося в расплавленном состоянии, заполнять малые пространства.

Большое значение для качества стали имеет содержание углерода. Чем больше содержание этого элемента в металле, тем выше твердость и износоустойчивость. Однако высокое содержание углерода худшим образом влияет на пластичность и свариваемость металла.

Сталь: состав, свойства, применение

Сталь – это сплав железа с углеродом с добавлением различных примесей, оказывающих влияние на основные характеристики продукта. При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, так как механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать.

Сталь – это один из основных промышленных материалов, используемых в разных отраслях, от машиностроения до медицины. Сырье представляет собой сплав, в котором соединяется железо с углеродом. Также добавляются и другие примеси, оказывающие значительное влияние на основные характеристики конечного продукта.

Состав стали

Основа состава – железо и углерод. В сплаве обычно содержится не более 2,14%.

Основной критерий классификации – химический состав. Вся представленная на рынке продукция разделена на два основных вида сырья:

Углеродистая сталь. В ее составе кроме железа и углерода также есть фосфор, сера, марганец и кремний. В зависимости от процентного содержания углерода сырье разделено на высоко-, средне- и низколегированные марки. Этот материал можно применять, даже если перед вами стоит задача создать инструмент, использующийся под постоянным напряжением и высокими нагрузками.
Легированная сталь. К основным компонентам добавлены дополнительные легирующие элементы. Среди них – множество типов веществ, от кремния, бора и азота до хрома, циркония, ниобия, вольфрама и титана. Это влияет не только на стоимость, но и на качество продукции, область использования и характеристики. В продаже вы найдете множество типов продукции – жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. В зависимости от структуры сырье может быть доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Свойства и применение стали можно определить по ее марке.

В состав стали могут добавляться различные примеси. В зависимости от того, в каком количестве они представлены в рецептуре, выделяются два основных типа продукции:

Обыкновенного качества. В составе такого сплава углерода не более 0,6%. Основные стандарты, используемые в изготовлении –ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Многие виды продукции в маркировке указываются как «Ст», что означает стандартное качество. На рынке этот тип сырья –один из наиболее доступных по стоимости.
Качественный. К этой категории относятся легированная и углеродистая разновидности. Уже в маркировке указывается особенность состава, количество углерода в сотых долях. Основной стандарт, которого придерживаются изготовители, – ГОСТ 1577. Стоит такая сталь дороже, чем продукт обыкновенного качества. При этом материал намного более пластичен, хорошо сваривается и отлично защищен от механического воздействия.

Основные свойства стали

При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, чтобы подойти под конкретную область применения. Если не понимать такой особенности, есть риск покупки сырья, не соответствующего прочности, уровню защиты от коррозии, качеству свариваемости и другим характеристикам.

Рассмотрим основные характеристики материала.

Механические

Показывают, какие варианты обработки можно выбирать и где использовать. Есть несколько основных параметров:

Прочность. Показывает, какую нагрузку можно прикладывать к детали, пока не появятся первые признаки разрушения. Для каждой марки материала указывается этот параметр, а также предел текучести.
Предел прочности. Указывает на защищенность материала от механического напряжения.
Предел текучести. Дает представление о растягиваемости материала. Это помогает понимать, насколько сильно можно растянуть материал до момента, пока процесс будет продолжаться, даже когда нагрузка перестанет прикладываться.
Пластичность. Чтобы материал можно было использовать в изготовлении различных типов деталей и заготовок. Такая характеристика помогает сырью менять форму, прописывается, чтобы определить параметры относительного угла изгиба и удлинения.
Ударная вязкость. Напрямую связана с пределами динамических нагрузок. Характеристика указывает, насколько сильный удар сможет выдержать готовое изделие или заготовка, прежде чем начнет окончательно разрушаться.
Твердость. Показывает предельную нагрузку по площади до момента возникновения вдавливания. Может определяться разными методами, как Бринелля, так и Виккерса.

Физические

Параметры дают понять, возможно ли применение стали в строительстве или различных областях промышленности. Есть три значимых центральных показателя:

Плотность. В характеристике зашифровано, какая масса стали содержится в указанном объеме. Чем выше прочность, тем больше защищенность от деформации, сильного давления и других потенциальных угроз.
Теплопроводность. Параметр дает представление, насколько быстро тепло передается по заготовке. Параметр очень важен для промышленности, к примеру, при изготовлении радиаторов или труб для теплотрасс.
Электропроводность. Позволяет оценить безопасность применения материала в местах, где есть риск удара током. Также сплав можно выбрать и для установки в сферах, где имеют значение его проводниковые характеристики.

Химические

Весь набор параметров дает представление о том, как поведет себя материал в разных температурах или средах с разной степенью агрессивности. Есть четыре основных параметра:

Окисляемость. Процесс окисления вызывается контактом металла с кислородом, может стимулироваться увеличением температуры. На уровень окисляемости влияет содержание углерода и среда, в которой используются изделия. Чем больше подверженность окислению, тем быстрее на поверхности появится ржавчина.
Защищенность от коррозии. Указывается для разных сред. Может меняться при использовании на открытом воздухе, а также при контакте с водой или почвой.
Жаростойкость. Помогает понять, при каком нагреве на металле начинает постепенно развиваться коррозия. Характеристика напрямую связана с окисляемостью.
Жаропрочность. От жаростойкости отличается тем, что затрагивает не коррозийную стойкость и защиту от окалины, а саму прочность. Знание параметров поможет вам понять, до какой температуры нагреется заготовка, прежде чем ее можно будет сломать или деформировать.

Технологические

Показывают возможность обработки с применением различных технологий. Центральные параметры:

Ковкость. Чем она выше, тем быстрее можно будет придать форму постоянным внешним механическим воздействием.
Жидкотекучесть. Если этот параметр находится на высоком уровне, расплавленный материал сможет лучше заполнять пустоты.
Свариваемость. Помогает соединять различные заготовки между собой. Отличается как в зависимости от типа использованной сварки, так и самого сплава.
Обрабатываемость резанием. Сталь можно обрабатывать разными видами режущих инструментов для создания металлопроката и деталей с разными параметрами и областью применения.

Применение стали

Механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать. Проще всего определиться со сферой по марке, указанной на сырье. Так продукцию с хорошей жаропрочностью можно использовать в средах, где есть риск воздействия постоянных высоких температур. То же относится к маркам, отличающимся хорошей свариваемостью и коррозийной стойкостью.

По сферам производства можно выделить несколько основных категорий:

Строительные. Применяются при создании металлоконструкций различного масштаба, арматуры, обшивки стен. Необходимые характеристики отличаются в зависимости от области применения. Так для одних видов сплава важна стойкость к коррозии во влажных средах, для других – защита от окисления при контакте с почвой. Но все используемые типы сырья должны хорошо свариваться, иметь повышенную прочность при постоянном или периодическом сильном механическом давлении. В сочетании с важной для строителей доступностью стоимости такими параметрами обладают низколегированные сплавы и варианты обычного качества.
Инструментальные. Применяются для изготовления инструментов различного назначения. Все сплавы разделены на три категории. Первая используется для создания штампованных деталей. Вторая – при производстве режущего инструмента, третья – измерительного с высокой точностью. Лучшим решением станет заказ высоколегированных и высокоуглеродистых материалов. Они не только хорошо защищены от износа, но и отличаются твердостью, хорошей теплопроводностью.
Конструкционные. Разнообразны по сфере использования: применяются для металлоконструкций, а также для деталей, крупных механических узлов. Лучшее решение – применение сплава с малой долей марганца. Легирование позволяет расширить список полезных характеристик. Эксперты рекомендуют обратить внимание на высокопрочные, автоматные, износостойкие и другие марки.

Также всегда можно заказать материалы со специальными характеристиками для конкретной зоны применения. Это могут быть как сплавы с повышенной жаропрочностью, так и защищенные от окисления при контакте с кислородом, хорошо плавящиеся, электропроводные и многие другие.

Виды и марки стали

Сталь представляет собой сплав, основными элементами которого являются железо и углерод.Его массовая доля теоретически не превышает 2,14% (на практике – не более 1,5%). В состав также входят постоянные и случайные примеси, оказывающие различное влияние на качество материала (сера, фосфор, марганец, кремний), могут добавляться другие элементы.

Сталь производят переработкой передельного чугуна и лома. Во время этого процесса снижается содержание углерода и ненужных примесей, вводятся необходимые дополнительные компоненты, обеспечивающие требуемые свойства материала.

Виды сталей и их классификация

Черная металлургия производит множество видов стали с различными характеристиками, материалы классифицируют по способу производства,химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре.

По способу производства

Свойства стального сплава во многом зависят от технологии изготовления. Традиционный способ переплавки передельного чугуна и лома – ведение процесса в мартеновских печах, основными недостатками которых были длительность плавки и значительные выбросы в атмосферу вредных веществ. Постепенно мартены заменялись кислородными конвертерами и электропечами. Высококачественные легированные стальные сплавы получают только по технологии электрошлаковой переплавки.

По химическому составу

По химсоставу стали разделяют на углеродистые, применяемые в стандартных эксплуатационных условиях, и легированные, используемые при высоких температурах и/или в агрессивных средах. Углеродистые и легированныестали классифицируют по содержанию углерода на следующие типы:

низкоуглеродистые – содержат менее 0,3%C;
среднеуглеродистые – содержание C в интервале 0,3-0,7%;
высокоуглеродистые – доля углерода превышает 0,7%.

Процентное содержание существенно влияет на технические характеристики как легированных, так и нелегированных стальных сплавов. Чем оно больше, тем выше твердость и хрупкость материала, тем хуже обрабатываемость резанием, свариваемость, способность к деформированию. Для холодной штамповки изделий сложной формы выбирают сплавы, в которых содержание Cне превышает 1%. Низкоуглеродистые стали свариваются без ограничений, то есть не требуют предварительного подогрева и особых условий охлаждения. При сварке средне- и высокоуглеродистых сплавов во избежание трещинообразования применяют дополнительные технологические операции.

Углеродистые стали содержат железо, углерод, постоянные и случайные примеси; легированные, помимо этих компонентов, – добавки, обеспечивающие требуемые технические характеристики. Распространенные легирующие элементы и их действие:

Хром (Cr). Дешевый и распространенный элемент, введение которого в состав стальных сплавов повышает их прочность, твердость и прокаливаемость. При содержании в количестве 13% и более повышают коррозионную стойкость материала.
Никель (Ni). Дефицитнаядобавка, вводимая обычно в количестве не более 5%. Часто используется в коррозионностойких сталях совместно с хромом. Служит для снижения порога хладноломкости, обеспечения прочности и ударной вязкости. Обеспечивает малый линейный и объемный коэффициент термического расширения. В настоящее время уделяется внимание разработке безникелевых коррозионностойких марок.
Молибден (Mo) и вольфрам (W). Дорогостоящие лигатуры, применяемые при производстве быстрорежущих сталей для повышения их теплостойкости. Эти элементы увеличивают красностойкость, износостойкость, ударную вязкость.
Марганец (Mn). В количестве до 0,6% является постоянной примесью. При искусственном повышении процентного содержания марганец выполняет функции более дешевой альтернативы никеля. Он повышает ударную вязкость, износостойкость и твердость при сохранении хорошей пластичности. Mn связывает серу и, тем самым, нейтрализует ее негативное воздействие на качество материала. Минус марганца – повышение чувствительности сплава к перегреву.
Кремний (Si). Как и марганец, является постоянной примесьюв количестве до 0,4 %. Искусственное повышение его содержания позволяет повысить упругость и прочность материала. Высокий процент Si сообщает сплаву особые свойства, необходимые в электротехнической индустрии, при производстве рессорно-пружинных, кислото- и окалиностойких марок.
Титан (Ti). Обеспечивает комплекс ценных эксплуатационных характеристик – прочности, твердости и пластичности, повышает теплостойкость материала.

Классификация легированных марок стали по количеству легирующих добавок:

низколегированные – до 5%;
легированные – 5-10%;
высоколегированные – выше 10%.

По назначению

По областям применения все марки стали условно разделяют на следующие виды:

Конструкционные. Наиболее обширная категория, используемая в строительстве при создании сварных металлоконструкций, в машиностроении, для сооружения сетей инженерных коммуникаций. К ней относятся – стали обыкновенного качества, качественные углеродистые, низко- и среднелегированные марки. Конструкционные стальные сплавыподвергаются различным видам термической (ТО) и химико-термической обработки (ХТО).
Инструментальные. Используются при производстве режущего, измерительного, штамповочного инструмента. К ним предъявляются высокие требования по прокаливаемости, способности сохранять прочность и износостойкость при нагреве.
Специального назначения. Это конструкционные легированные сплавы с особыми свойствами –кислотостойкие, жаростойкие, жаропрочные, с высоким электросопротивлением.

Таблица условных обозначений химических элементов в маркировке

Наименование элемент	Условное обозначение	Наименование элемента	Условноеобозначение
Хром	Х	Азот	А
Кремний	С	Никель	Н
Титан	Т	Кобальт	К
Медь	Д	Молибден	Мо
Вольфрам	В	Алюминий	Ю
Ванадий	Ф	Марганец	Г

По качеству

Качество – это совокупность характеристик, которые определяются особенностями производства, составом сырья, дополнительными технологическими приемами. Категории качества:

Обыкновенного качества. К этой группе относятся только нелегированные марки. Количество серы не превышает 0,06%, фосфора – 0,07%.
Качественные. Бывают нелегированными и легированными. S – не более 0,04%, P – до 0,04%.
Высококачественные – нелегированные и легированные. Количество серы до 0,02%, фосфора – 0,03%.
Особовысококачественные. Это легированные марки, полученные способами электрошлакового или электродугового переплава, содержат минимально возможное количество вредных примесей: серы – не более 0,15%, фосфора – до 0,025%.

По степени раскисления

Раскисление – это операция, при которой из сплава удаляется кислород, вызывающий его хрупкое разрушение при высокотемпературных деформациях. Элементы, используемые для раскисления: алюминий, марганец, кремний.Классификация марок стали по степени раскисления, влияющей на технологические свойства материала:

Кипящие. По мере твердения выделяются газы, создающие имитацию кипения состава. Для раскисления в этом случае используется марганец. Обычно к этой категории относятся малоуглеродистые марки. Их выгружают из печи практически сразу после внесения раскислителей. В отдельных случаях расплав раскисляют в ковше. Из кипящих сплавов производят прокат крупного сечения, который затем переплавляют на материал более высокого качества или подвергают горячей деформации для получения проката меньших размеров сечения.
Полуспокойные. Бывают только углеродистыми. Отличаются хорошей ковкостью. Для раскисления используются марганец и алюминий.
Спокойные. Качественные легированные марки производят только спокойными. Для раскисления применяют марганец, кремний, алюминий. Кислород в этих сплавах практически весь связывается раскислителями, образовавшимися в результате окислительных реакций,поднимается наверх и удаляется вместе со шлаком. Расплав охлаждается и не сопровождается выделением газов.

По структуре

Структурная форма стали зависит от химического состава, способа производства, дополнительных технологических операций. Различают структуру материала в отожженном и нормализованном состояниях. В отожженном состоянии возможно 6 типов структуры:

Доэвтектоидная. В структуре имеются феррит и перлит, который является смесью двух фаз – феррита и цементита (или карбидов). К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стальные сплавы.
Эвтектоидная. Перлитная структура обеспечивает хорошую обрабатываемость стального сплава. Ее дисперсные виды – троостит и сорбит.
Заэвтектоидная. Перлит и цементит, который является представителем фаз внедрения.
Ледебуритная. Первичный ледебурит (эвтектическая смесь перлита и цементита).
Аустенитная. Это твердые растворы, пересыщенные углеродом. Сплавы этого класса образуются при высоких концентрациях хрома, никеля и марганца. Они отличаются высоким уровнем ударной вязкости.
Ферритная. Представляет собой твердые растворы, слабо насыщенные углеродом.

Углеродистые стали могут иметь структуру одного из трех первых классов, легированные – всех шести. После нормализации возможны 4 структурных состояния: ферритное, перлитное, аустенитное и мартенситное. Мартенситная структура, присущая средне- и высоколегированным сталям, характеризуется высокими прочностными характеристиками и мелкозернистостью.

Принципы классификации и маркировки стали по российской системе

В России используются буквенно-цифровые маркировки, конкретный тип которых зависит от качества сплава.

Как расшифровать марку стали в европейской и американской системах

Для коррозионностойких сталей в Европе и Америке часто используют систему маркировки AISI. Она предусматривает наличие трех цифр, одной или нескольких букв. Первая цифра в маркировке металла обозначает класс стали. Следующие две цифры соответствуют порядковому номеру сплава в группе. Значение букв, используемых в маркировке стальных сплавов:

содержание углерода менее 0,03%;
содержание Св пределах 0,03-0,08%;
сплав содержит азот;
малоуглеродистые стали, содержащие азот;
высокая концентрация серы и фосфора;
содержится селен, B – кремний, Cu – медь.

Таблица обозначений легированных сталей в разных системах маркировки

Материаловедение: сталь

Что такое сталь? Каковы плотность, температура плавления и другие характеристики стали? В чем роль стального проката в производстве, и как объяснить неуклонный рост цен на сталь в последние годы? Обо всем этом и не только – в нашей новой статье.

Сталь – сплав железа (Fe) с углеродом (C). При этом доля углерода в составе мала: до 2,14% в теории и обычно не более 1,5% на практике. Как и в любых других сплавах, в сталях всегда присутствуют примеси (сера, фосфор, кремний), а для улучшения свойств могут вводиться легирующие элементы.

В силу высокой прочности, жесткости, а также из-за дешевизны сталь используется повсеместно и считается ключевым продуктом черной металлургии. Что важно в свете «зеленых» трендов: сталь можно перерабатывать практически бесконечно. По данным Всемирной ассоциации стали, 75% стальных изделий, выпущенных с момента появления мартеновской плавильной печи в 1864 году, до сих пор в обиходе.

Эти железосодержащие сплавы похожи и по составу, и способом получения. Принципиальное различие в доле углерода. Если его меньше 2,14% от состава, то это сталь; если больше – чугун. Во многом отсюда и разница в свойствах. Так, сталь легче в обработке, тверже и прочнее, ее не разбить ударом. Чугун же хрупче, тяжелее, но более теплоемкий (дольше держит тепло) и в отличие от стали подходит для литья, в том числе художественного. Отметим также, что чугун часто используется для передела в сталь.

Отметим, что у стали высокая температура плавления – это не ЦАМ, не свинец и уж тем более не олово, которые можно плавить у себя на кухне. Сами по себе стальные изделия увесистые – в 2,5 раза тяжелее аналогичных алюминиевых (плотность сплавов алюминия – 2400-2900 кг/м³). Ну и очевидное: все черные стали реагируют на магнит. Причем чем меньше в них углерода, тем лучше магнитные свойства.

Все знают: железо и его сплавы ржавеют. Сталь не исключение. Главная причина появления ржавчины – повреждение оксидной пленки. У тех же алюминия, хрома и никеля она тонкая, но плотная и прочная – настолько, что атомы кислорода не в состоянии диффундировать через нее. У сталей же оксидная пленка хоть и плотная, но непрочная и в любых условиях быстро растрескивается.

Для предотвращения окисления и развития ржавчины сталь покрывают химическим способом – например, оцинковкой, погружая заготовку в бак с расплавленным цинком. В этом случае молекулы цинка реагируют с молекулами железа, и на поверхности образуется защитный слой. Для закрепления эффекта его покрывают дополнительными слоями цинка. Идея способа основана на том, что отрицательный потенциал цинка выше, чем у железа, и в такой паре железо будет восстанавливаться, а цинк отважно послужит щитом для коррозии.

Чтобы металлические конструкции не ржавели, применяют стали, легированные хромом (12-20%) и некоторыми другими металлами, такими как никель, титан и молибден. Защита от ржавчины здесь заключается в формировании инертного слоя оксида хрома, способного к самовосстановлению.

Сразу развеем расхожий миф, что нержавеющая сталь якобы не магнитится. По факту это справедливо для хромникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей, к которым относится всем известная пищевая нержавейка. В то же время техническая нержавеющая сталь, из которой делают клапаны, фитинги и трубы, на магнит вполне себе реагирует.

Впрочем, термообработка не ограничена одной закалкой. Есть еще как минимум отжиг, нормализация и отпуск. Отжигу сталь подвергают для улучшения обработки (принося в жертву твердость); нормализации – для выравнивания структуры и устранения зернистости. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости (пусть, опять же, и в ущерб твердости). Отметим, что отпуск выполняется после закалки и считается важным этапом термообработки, тогда как без отжига и нормализации зачастую можно обойтись.

В любой марке стали есть примеси, пусть и в микроскопическом количестве. Некоторые, такие как кремний, даже улучшают свойства сплава. Однако вредных примесей больше; среди них сера, фосфор, а также газы: кислород, азот и водород.

• Хром (Cr). Придает износостойкость, способность к закаливанию и устойчивость к коррозии. Стали с содержанием хрома от 12% относят к нержавеющим.

• Марганец (Mn). Может присутствовать в виде примесей. Дополнительная присадка марганца улучшает прокаливаемость стали и нивелирует вредное воздействие серы.

• Молибден (Mo). Одна из главных упрочняющих легирующих добавок в жаропрочных сталях. Доля в составе незначительна: 0,15-0,8%.

• Ванадий (V). С ним сталь становится прочнее и устойчивее к износу. Содержание: 1,0-1,5% в штамповых сталях, 0,2-0,8% в специальных.

Содержат только железо, углерод и примеси. Определяющий элемент – углерод: чем его больше, тем сталь жестче и тверже. Чем меньше – тем сталь пластичней, ударопрочней, удобнее в обработке и сварке.

Легированные – это стали, которые кроме основных компонентов и примесей содержат специально вводимые легирующие добавки. По типу легирования такие стали подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромо-никель-кремний-марганцовистые и др. По доле легирующих элементов в составе – на низко- (<5% С), средне- (5-10% C) и высоколегированные (>10% C).

Качество стали определяется спецификой производственных процессов, перерабатываемым сырьем, видом плавки и другими факторами. Все это, в свою очередь, напрямую зависит от состава сплава и содержания в нем примесей.

Стали обыкновенного качества. Рядовые углеродистые стали, где углерода менее 0,6%, серы – в диапазоне 0,045-0,060%, фосфора – 0,04-0,07%. Являясь самыми дешевыми, такие стали уступают сталям остальных классов по всем ключевым свойствам.

Качественные стали. Могут быть углеродистыми (марки 08, 10, 15…) или легированными (0,8кп, 10пс…). Нормативы по примесям: серы – не более 0,04%, фосфора – 0,035-0,04%.

Высококачественные стали. Углеродистые или легированные. Содержание примесей: серы – не более 0,02%, фосфора – не более 0,03%. Примеры марок: стали 20А, 15Х2МА.

Особовысококачественные стали. Эти стали только легированные и содержат не более 0,015% серы и не более 0,025% фосфора. Примеры марок: 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.

Идут на изготовление сварных строительных конструкций, узлов механизмов, деталей машин. Могут быть углеродистыми или легированными. Примеры марок: Ст1, Ст2, Ст3; 05, 10, 15; 15Г, 20Х, 45 ХН и др.

Из них делают режущие и ударные инструменты – от лезвия топора и губок плоскогубцев до напильника и сверла. Само собой, такие стали должны быть твердыми, поэтому содержание углерода в них не менее 0,7%. Примеры марок: У7, У8ГА, У10А (У – углеродистая; число – усредненное содержание углерода, выраженное в десятых долях процента; Г – повышенное содержание марганца; А – высококачественная сталь).

По большому счету, это те же конструкционные стали, но со специфическим составом, особым способом производства или обработки. Нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, кислотостойкие стали – все они относятся к специальным.

Речь о том, сколько кислорода было выведено из жидкого металла при производстве стали и сколько его по итогу осталось. В целом: чем меньше в сплаве остается кислорода, тем чище состав и однородней структура.

Кипящие стали (кп). Раскисляются только марганцем. Обычно это низкоуглеродистые стали с большим количеством оксидов углерода – отсюда просадка в прочности и пластичности. Как следствие, кипящие стали склонны к разрушению, растрескиванию, плохо свариваются и поэтому идут в ход лишь в простых конструкциях. Из плюсов: кипящая сталь самая дешевая.

Спокойные стали (сп). Раскисляются в плавильных печах и ковшах алюминием, марганцем, кремнием. В отличие от кипящих, спокойные стали стабильны: содержат мало остаточного кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газообразных примесей. Применение: конструкции ответственного назначения.

Полуспокойные стали (псп). Частично насыщенные кислородом стали, раскисляемые марганцем и алюминием. Всегда углеродистые. Среднепрочные, применяются в строительстве.

Нет более неудобного вопроса, чем «сколько стоит сталь»? Во-первых, какая и где – на бирже или у местных трейдеров металлопроката? Во-вторых, эта статья написана в марте 2022 года, когда экономику России (да и других стран мира) засосало в турбулентную фазу. Мы можем лишь констатировать, что в ближайшие год-два стоимость стали будет расти. Причем расти кратно, если сравнивать с допандемийным уровнем. Связано это с несколькими причинами:

• Первая волна коронавируса, во время которой приостанавливался сбор лома и ограничивалась работа сталеплавильных заводов. К осени 2020 года из-за лавины отложенного спроса и промедления трейдеров это привело к общемировому дефициту стали.

• Конфликт России с Украиной, последующие санкции, разрыв производственных и логистических цепочек. Это уже ускорило девальвацию рубля, а в перспективе может привести и к гиперинфляции, если конфликт окажется затяжным.

• Зеленые тренды в соответствии с определенными ООН целями в области устойчивого развития (ЦУР). Страны, включая мировую фабрику под названием Китай, уже сокращают выплавку стали ради снижения углеродного следа. Это в каком-то смысле парадоксально, ведь именно сталь – один из важнейших материалов для производства ветрогенераторов и электрокаров, так агрессивно насаждаемых на Западе.

В России фурнитуру для входных и межкомнатных дверей производят по большей части из низкоуглеродистой конструкционной стали. Одна из самых ходовых марок – Ст3 и ее аналоги. Из ее листов изготавливают дверные петли, корпуса и планки замков, розетки дверных ручек, задвижки и, например, крепеж. Подчеркнем: мы говорим о видимых элементах конструкции. Для тех же петельных подшипников есть инструментальные подшипниковые стали (например, ШХ-15). Для возвратных пружин в ручках и замках – средне- и высокоуглеродистая пружинная сталь.

(+) Прочность и антивандальность. Сталь крепче цветных металлов вроде алюминия, латуни и ЦАМ и дольше пилится. Вспомните корпуса гаражных навесных замков – там сплошь и рядом либо сталь, либо чугун.

(+) Дешевизна. Просто приценитесь, сколько стоят стальные дверные петли, а сколько – аналогичные по размерам латунные. Подсказка: первые дешевле в 3-5 раз.

(+) Магнитные свойства. Благодаря этому мы имеем счастье пользоваться такими чудесами инженерной мысли, как магнитные защелки и магнитные дверные стопоры.

(-) Низкие литейные качества. Снова обратимся к дверным петлям. В то время как латунные петли получают литьем под давлением, стальные – гибкой и штамповкой. Отсюда «побочные эффекты»: заметные швы и стыки, зазоры от 2 мм, неровные края, несоразмерность.

(-) Коррозия. Антикоррозийное покрытие рано или поздно повредится, и изделие начнет ржаветь. Кто-то возразит: но как же, есть же, скажем, дверные ручки из нержавеющей стали. А мы и не спорим. Но именно в России в частном секторе они не в ходу из-за дороговизны и ограниченности дизайна, продиктованной опять же низкими литейными качествами.

(-) Вес. Если вы подбираете небольшой и удобный в переноске навесной замок для багажа или противоугонного троса, то, возможно, есть смысл предпочесть алюминий. При одинаковых габаритах алюминиевый замок окажется в 2,5 раза легче стального. Тем более что упрочнение тела замка в данном случае неоправданно: в маленьких замках куда проще перекусить дужку, чем водить пилой по корпусу.

Читайте также: