Механические свойства легированных сталей

Обновлено: 15.05.2024

К литейным сталям относят железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14 % С и другие элементы (Mn, Si, Р, S, Cr, Ni, W, Mo, V и т. д.), попавшие в сталь из шихтовых материалов либо специально введенные в нее в определенных количествах для придания сплаву необходимых эксплуатационных и технологических свойств.

В настоящее время стальные отливки используют во всех отраслях машиностроения; по объему производства они занимают второе место после чугунов. Из сталей отливают обычно детали, к которым предъявляют повышенные требования по прочности, пластичности, надежности и долговечности в процессе эксплуатации. Литейные стали классифицируют в основном по способу выплавки, химическому составу, структуре, назначению.

Литейные стали по химическому составу подразделяют на:

Углеродистые стали по химическому составу подразделяют на:

низкоуглеродистые (0,09…0,2 % С);
среднеуглеродистые (0,2…0,45 % С);
высокоуглеродистые (0,5…1,0 % С).

Легированные литейные стали подразделяют на:

низколегированные (сумма легирующих элементов до 2,5 %);
среднелегированные (сумма легирующих элементов 2,5…10 %);
высоколегированные (сумма легирующих элементов более 10 %).

Стальные отливки (ГОСТ 977-88) изготовляют всеми способами литья из конструкционных нелегированных (15Л; 20Л; 25Л; 30Л; 35Л; 40Л; 45Л; 50Л), конструкционных легированных (20ГСЛ; 30ГСЛ; 35ГЛ; 40ХЛ; 20ФЛ; 30ХГСФЛ; 30ХНМЛ; 32Х06Л и других) и легированных со специальными свойствами (20X1ЗЛ – коррозионностойкие; 40Х9С2Л – жаростойкие; Р6М4Ф2Л – быстрорежущие; 110Г13Л – износостойкие и других) сталей.

Отливки по качественным показателям делят на три группы:

– обычного назначения и качества;
– ответственного назначения и повышенного качества;
– особо ответственного назначения и повышенного качества.

Маркировка сталей буквенно-цифровая:

буква «Л» означает, что сталь литейная;
первые цифры указывают среднюю и максимальную (при отсутствии нижнего предела) массовую долю углерода в сотых долях процента;

буквы за цифрами означают:

А – азот;
Б – ниобий;
В – вольфрам;
Г – марганец;
Д – медь;
М – молибден;
Н – никель;
Р – бор;
С – кремний;
Т – титан;
Ф – ванадий;
X – хром;
Ю – алюминий;
Л – литейная.

Цифры, стоящие после букв, указывают примерную массовую долю легирующего элемента в процентах.

Таблица 1. Классификация литейных сталей

1. Литейные углеродистые стали

Для получения отливок используются углеродистые стали, содержащие 0,12–0,60 % С. Они маркируются числом, обозначающим среднее содержание углерода (в сотых долях процента) и буквой «Л» (табл. 2). Литейные стали отличаются от деформируемых большим допуском на содержание примесей, а также несколько пониженной пластичностью.

Таблица 2. Механические свойства конструкционной нелегированной стали

В зависимости от назначения и предъявляемых требований все отливки из углеродистых и легированных сталей подразделяют на три группы:

– отливки общего назначения, контролируемые по внешнему виду, размерам и химическому составу;
– отливки ответственного назначения, контролируемые, кроме того, по прочности (σ_в или σ_т) и относительному удлинению;
– отливки особо ответственного назначения, контролируемые дополнительно к указанным характеристикам по ударной вязкости.

В числе контролируемых параметров могут включаться также микроструктура, пористость, герметичность и другие специальные характеристики.

Химический состав сталей полностью не приводится, так как существенно изменяется только содержание углерода, которое определяет марку стали и ее основные свойства.

Марганец (0,3–0,9 %) раскисляет сталь и нейтрализует вредные примеси серы, а также несколько повышает прочность стали. С железом сера образует сульфид FeS и легкоплавкую эвтектику Fe-FeS по границам зерен, в результате чего возникает красноломкость и склонность к образованию горячих трещин. При введении марганца в соотношении % Мn >1,71 % S образуются более тугоплавкие сульфиды MnS, располагающиеся в виде неметаллических включений внутри зерна; в результате красноломкость исчезает.

Кремний (0,2–0,5 %) вводится в сталь как раскислитель и дегазатор. Даже в небольших количествах он заметно упрочняет феррит и снижает пластичность стали.

Требования по содержанию марганца и кремния в литейных углеродистых сталях рассматриваются как факультативные: отклонения от них не являются признаком брака.

Сера и фосфор в сталях, за редким исключением, являются вредными примесями. Их содержание ограничивается в пределах 0,45– 0,06 % S и 0,04–0,08 % Р, в зависимости от группы и габаритных размеров отливок; с увеличением размеров требования ужесточаются. Как уже упоминалось, сера вызывает красноломкость стали, а фосфор – снижение пластичности при комнатной температуре.

Механические свойства сталей определяются содержанием углерода; по мере его увеличения от 0,15 до 0,55 % σ_в возрастает от 400 до 600 МПа, а δ снижается с 24 до 10 %, уменьшается также ударная вязкость с 0,49 до 0,24 МДж/м 2 . Это изменение свойств объясняется возрастанием доли перлита в микроструктуре стали.

Область применения литейных нелегированных сталей:

15Л; 20Л; 25Л – копровые бабы, блоки, ролики, корпусы, поводки, захваты, арматура, фасонные отливки, шкивы, траверсы, поршни, буксы, крышки цилиндров, корпусы подшипников.
35Л; 40Л; 45Л – рычаги, балансиры, корпусы редукторов, муфты, шкивы, кронштейны, станины, балки, опорные кольца, бандажи, маховики, зубчатые колеса, тяги, валики.
50Л; 55Л – шестерни, бегунки, колеса, зубчатые колеса подъемно-транспортных машин.

Особенности литейных свойств углеродистых сталей.

Литейные свойства углеродистых сталей значительно хуже литейных свойств чугуна и других сплавов. Низкая жидкотекучесть сталей объясняется, главным образом, самой высокой (кроме титановых сплавов) температурой ликвидуса и соответственно низкой температурой заливки. Суммарная объемная усадка затвердевания и усадка в жидком состоянии составляет 6,0 %. Поэтому стальные отливки, как и отливки всех других сплавов, кроме чугуна, необходимо получать с прибылями.

Для стальных отливок характерно развитие пористости, в них чаще, чем в отливках из других сплавов, образуются горячие трещины, даже в случаях литья в песчано-глинистые формы. В то же время холодные трещины в стальных отливках возникают реже, чем в чугунных отливках. К насыщению газами и неметаллическим включениям стали более склонны, но и требования для них выше, чем для чугунов. К ликвации, особенно по сере и фосфору, склонны стальные отливки с толщиной стенки более 80 мм. Как правило, ликвации подвергнуты слитки, имеющие существенно большую толщину.

К изменению механических свойств, в зависимости от толщины стенок, литейные углеродистые стали менее чувствительны, чем другие сплавы, особенно, учитывая обязательную их термическую обработку.

2. Легированные литейные стали

Легирование литейных углеродистых сталей проводится с целью повышения механических свойств и приобретения ими специальных служебных свойств.

К легированным сталям относят низко- и среднелегированные стали с содержанием легирующих компонентов, соответственно, до 2,5 и от 2,5 до 10 %. Химический состав легированных сталей в соответствии с ГОСТ 977-88 приведен в табл. 3, а их механические свойства после термической обработки (закалки (нормализации) и отпуска) – в табл. 4.

Чаще других применяют стали, легированные кремнием, марганцем, хромом и никелем, медью и др. Известно много композиций марганцевой стали, различающихся содержанием углерода и марганца. Обычно их содержание колеблется в пределах, соответственно, 0,17…0,4 % С и 1,0…2,0 % Mn. Марганцевые стали отличаются более высокой прочностью и особенно большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Марганцевые стали широко используются при изготовлении отливок для железнодорожного транспорта, экскаваторов и других машин.

Таблица 3. Средний химический состав легированных сталей, мас. %

Содержание S и Р не более 0,03…0,05 % каждого.

Таблица 4. Механические свойства легированных сталей

У хромовых сталей (40ХЛ и др.) также повышенные, по сравнению с углеродистой сталью, механические свойства и прокаливаемость. Для улучшения их структуры и свойств используют небольшие добавки молибдена, устраняющие склонность к отпускной хрупкости. Хромовые стали применяют для получения отливок, работающих в условиях абразивного износа.

Большая прокаливаемость достигается при легировании стали одновременно марганцем, хромом и кремнием (30ХГСЛ, хромансил). Одновременное легирование хромом и никелем проявляется в измельчении зерна, в значительном увеличении прокаливаемости, что позволяет изготовлять из этих сталей крупногабаритные отливки (30ХНМЛ и др.). Стали, легированные медью, подвержены дисперсионному твердению, которое обеспечивает однородные свойства в тонких и толстых сечениях отливок. Некоторые марки легированных сталей модифицируют бором, кальцием, церием и другими РЗМ. В результате улучшаются механические и литейные свойства стали.

Как правило, добавки вводятся в малых количествах. Так, например, достаточно иметь 0,001…0,002 % В в стали, чтобы получить резкое увеличение прокаливаемости и пластичности. В одних случаях действие добавок связывается с модифицированием, в других – с микролегированием. Графитизированная сталь, также относящаяся к легированным, содержит 0,9…1,5 % С, 1,0…1,4 % Si, 0,5 % Mn.

В литом состоянии ее структура представлена перлитом и цементитом, т. е. весь углерод находится в связанном состоянии. При термической обработке (отжиг с нагревом до 900 °С и последующее медленное охлаждение в интервале температур 800…700 °С) происходит распад структурно свободного цементита с выделением графита. Окончательная структура стали – перлит + графит. Такая графитизированная сталь обладает повышенными антифрикционными свойствами и используется для втулок, вкладышей, работающих в условиях абразивного износа.

Высоколегированные стали. В соответствии с ГОСТ 2176-77, высоколегированные стали, содержащие более 10 % легирующих элементов, подразделяются по структуре на шесть классов: мартенситный; мартенсито-ферритный; ферритный; аустенито-мартенситный; аустенито-ферритный; аустенитный. Смена классов происходит по мере увеличения легированности. На практике чаще пользуются названиями сталей по основным служебным свойствам: коррозионностойкая, кислотостойкая, жаростойкая, жаропрочная, износостойкая.

Большой класс высоколегированных сталей составляют так называемые коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладающие хорошей стойкостью против коррозионного воздействия агрессивных сред. Прежде всего к ним относятся высоколегированные хромовые стали ферритного класса (12Х18ТЛ, 15Х20ТЛ), обладающие хорошей пластичностью. Добавка титана связывает углерод и повышает стойкость против межкристаллитной коррозии.

Для получения высокой твердости и износостойкости хромовых сталей (Х28Л, Х34Л) содержание углерода увеличивают до 0,5…2,0 % и получают феррито-карбидную структуру. Хромовые коррозионностойкие стали мартенситного и феррито-мартенситного классов характеризуются сравнительно широким диапазоном содержания углерода и возможным наличием никеля, меди, ниобия и других элементов.

К сталям этого класса можно отнести стали марок 10Х14НДЛ и 09ХН4БЛ (Б – ниобий). Наивысшей коррозионной стойкостью рассматриваемые стали обладают в том случае, когда карбиды в свободном состоянии отсутствуют и полностью переведены в твердый раствор. Хромовые стали отличаются пониженной, по сравнению с углеродистой сталью, теплопроводностью, повышенной окисляемостью, склонностью к пленообразованию, образованию пригара при заливке в формы на основе кварцевого песка, к образованию усадочных раковин, горячих и холодных трещин.

В качестве кислотoстойких сталей применяют высоколегированные стали аустенитного, аустенито-ферритного и феррито-аустенитного классов. Основными легирующими элементами для них являются хром и никель. При этом никель необходим для получения однофазной аустенитной структуры.

Кислотостойкая хромоникелевая сталь, содержащая 18 % Cr и 8 % Ni, широко используется для отливок деталей насосов, фиттингов и т. п. Чаще других стали этого типа легируют титаном и молибденом (12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12МЗТЛ).

Хромоникелевые стали так же, как и хромовые, обладают пониженными литейными свойствами. Сложнолегированные хромоникелевые стали характеризуются высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочными называют стали, способные сопротивляться нагрузкам и разрушению при температурах выше 550 °С. Стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии и образования окалины при температурах до 1200 °С, называют жаростойкими.

Основным фактором, предопределяющим жаропрочность сталей, является легированный аустенит. Практическое применение для изготовления отливок из жаропрочных сталей получили аустенитные стали типа 12Х18Н9ТЛ (для жаропрочных отливок энергетического, химического и нефтяного машиностроения) и 12Х20Н12ТЛ (для турбинных лопаток, работающих при температурах до 600 °С). В стали 15Х18Н22В6М2Л высокая жаропрочность обеспечивается за счет введения добавок вольфрама и молибдена.

Высокомарганцевая износостойкая сталь 110Г13Л (так называемая «сталь Гадфильда») относится к аустенитному классу. Особенностью отливок из этой стали является способность упрочняться условиях ударной нагрузки и принимать наклеп, повышающий поверхностную твердость от НВ 170…200 до НВ 600…800 и износостойкость в условиях абразивного изнашивания. При отсутствии наклепа ее износостойкость находится на уровне углеродистой стали. В литом состоянии структура стали – аустенит и карбиды, располагающиеся по границам зерен. Данная сталь используется после закалки в воде с температурой 1100 °С, когда отливки приобретают однородную аустенитную структуру.

Температура заливки стали 110Г13Л ниже, чем у других сталей, и колеблется в пределах 1330…1370 °С. Сталь 110Г13Л характеризуется повышенной склонностью к усадочным дефектам, образованию горячих трещин, пригару при литье в формы на основе кварца. Особо следует отметить, что сталь 110Г13Л очень плохо обрабатывается режущим инструментом.

Легированная сталь

В современном мире имеется большое количество разновидностей стали. Это один из самых востребованных материалов, который используется практически во всех отраслях промышленности.

Характеристика легированных сталей

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

конструкционная легированная сталь,
инструментальная легированная сталь,
легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Свойства легированной стали

Свойства легированных сталей являются разнообразными. Они главным образом определяются теми добавками, которые применяются в качестве легирующих при производстве отдельных видов стальных материалов.

В зависимости от добавленных легирующих компонентов сталь приобретает следующие качества:

Прочность. Данное свойство приобретает после добавления в ее состав хрома, марганца, титана, вольфрама.
Устойчивость к образованию коррозии. Это качество появляется под воздействием хрома, молибден.
Твердость. Сталь становится боле твердой благодаря хрому, марганцу и другим элементам.

Внимание: Стоит отметить, что для того, чтобы легированная сталь была более прочной и устойчивой к внешнему влиянию окружающей среды необходимое содержание хрома не должно быть менее двенадцати процентов.

Сталь легированного типа при правильном процентном соотношении всех входящий в нее элементов не должна менять свои качестве при температуре нагревания до шестисот градусов Цельсия.

Производство легированной стали.

Марки легированной стали

Марки легированной стали являются различными. Они представлены в большом многообразии. В зависимости от назначения стали определяется ее маркировка.

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры. Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода. После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

После букв могут стоять цифры, обозначающие количество легирующего вещества в составе стального материала. Если после обозначения какого-либо легирующего элемента не стоит цифровое обозначение, то его в составе имеется минимальное количество, не достигающее даже одного процента.

Таблица 1. Сопоставление марок стали типа Cm и Fе по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82.

Марки стали
Ст	Fe	Ст	Fe
СтО	Fe310-0	Ст4кп	Fe430-A
Ст1кп	Ст4пс	Fe430-B
Ст1пс	Ст4сп	Fe430-C
Ст1сп	—	—	Fe430-D
Ст2кп	Ст5пс	Fe510-B, Fe490
Ст2пс	Ст5Гпс	Fe510-B, Fe490
Ст2сп	Сг5сп	Fe510-C, Fe490
СтЗкп	Fe360-A
СтЗпс	Fe360-B	Ст6пс	Fe590
СтЗГпс	Fe360-B	Стбсп	Fe590
СтЗсп	Fe360-C	Fe690
СтЗГсп	Fe360-C	—
Fe360-D

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

Элемент	Символ	Обозначение элементов в марках металлов и сплавов		Элемент	Символ	Обозначение элементов в марках металлов и сплавов
Элемент	Символ	черные	цветные	Элемент	Символ	черные	цветные
Азот	N	А	-	Неодим	Nd	-	Нм
Алюминий	А1	Ю	А	Никель	Ni	-	Н
Барий	Ва	-	Бр	Ниобий	Nb	Б	Нп
Бериллии	Be	Л	Олово	Sn	-	О
Бор	В	р	-	Осмий	Os	-	Ос
Ванадии	V	ф	Вам	Палладий	Pd	-	Пд
висмут	Bi	Ви	Ви	Платина	Pt	-	Пл
Вольфрам	W	В	-	Празеодим	Pr	-	Пр
Гадолиний	Gd	-	Гн	Рений	Re	-	Ре
Галлий	Ga	Ги	Ги	Родий	Rh	-	Rg
Гафнии	Hf	-	Гф	Ртуть	Hg	-	Р
Германий	Ge	-	Г	Рутений	Ru	-	Pv
Гольмий	Но	-	ГОМ	Самарий	Sm	-	Сам
Диспрозий	Dv	-	ДИМ	Свинец	Pb	-	С
Европий	Eu	-	Ев	Селен	Se	К	СТ
Железо	Fe	-	Ж	Серебро	Ag	-	Ср
Золото	Au	-	Зл	Скандий	Sc	-	С км
Индий	In	-	Ин	Сурьма	Sb	-	Cv
Иридий	Ir	-	И	Таллий	Tl	-	Тл
Иттербий	Yb	-	ИТН	Тантал	Та	-	ТТ
Иттрий	Y	-	ИМ	Теллур	Те	-	Т
Кадмий	Cd	Кд	Кд	Тербий	Tb	-	Том
Кобальт	Co	К	К	Титан	Ti	Т	ТПД
Кремний	Si	С	Кр(К)	Т\'лий	Tm	-	ТУМ
Лантан	La	-	Ла	Углерод	С	У	-
Литий	Li	-	Лэ	Фосфор	P	п	Ф
Лютеций	Lu	-	Люн	Хром	Cr	х	Х(Хр)
Магний	Mg	Ш	Мг	Церий	Ce	-	Се
Марганец	Mn	Г	Мц(Мр)	Цинк	Zn	-	Ц
Медь	Cu	Д	М	Цирконий	Zr	Ц	ЦЭВ
Молибден	Mo	М	-	Эрбий	Er	-	Эрм

Статьи по теме

Алкидная эмульсия

Требования защиты окружающей среды вызвали интерес к алкидным эмульсиям. Стабильные эмульсии можно получить из большинства алкидов при условии, что вязкость смол не слишком большая и прилагаемых сдвиговых сил достаточно для эмульгирования.

Характеристики нержавейки

В современном мире нержавеющая сталь является незаменимым материалом при производстве разных разновидностей изделий. Она применяется в пищевой, медицинской, металлургической и военной промышленности.

Марки нержавеющей стали

В начале прошлого столетия специалистам в области металлургической промышленности удалось заметить, что взаимодействие хрома и кислорода является лучше, чем с железом.

Легированные стали

Легированные стали – сплавы, свойства которых улучшены путем добавления дополнительных компонентов, называемых легирующими. Их применение обусловлено стремлением добиться от получаемого сырья различных свойств, которые необходимы в разных ситуациях.

Этот сплав обладает повышенной прочностью, дольше не поддается коррозии. Области его применения достаточно разнообразны. В основном, это трубы, детали и другие изделия, которые в процессе эксплуатации будут подвержены повышенным температурным перепадам.

В состав обычного металла входит железо, углерод и различные примеси. При легировании, как уже указывалось ранее, в него добавляют еще другие компоненты, носящие название легирующих. Среди них: ниобий, хром, никель, кремний, ванадий и др. Еще нередко встречаются алюминий и молибден. Чтобы увеличить прочность полученного сырья зачастую добавляют титан.

Чаще всего, ее свойства определяют по примесям, добавленным при производстве.

Качества стали зависят от легирующих элементов, которые добавлены в ее состав:

стойкость к ржавлению возникает благодаря молибдену и хрому;
твердость возникает благодаря марганцу, хрому и другим компонентам;
прочность приобретается благодаря добавлению титана, марганца, хрома и вольфрама.

Легированная сталь становится прочнее и устойчивее к воздействию окружающей среды, когда хрома в ней не менее 12%.

Сталь, легированная при соблюдении необходимого процентного содержания всех своих элементов, не будет изменять своих качеств до температуры нагрева 600 градусов Цельсия.

Химический состав

Качество такого материала целиком зависит от количества углерода в ней, так как это один из главных компонентов ее состава. Также обязательно включение в его состав железа. Никель, хром, медь, ванадий и прочие компоненты добавляют с целью улучшить другие свойства сырья.

Теперь рассмотрим, как влияют легирующие элементы на свойства получаемой сырья:

Хром, как и никель, несет ответственность за придание стойкости к ржавлению. С его помощью получают всем известную нержавейку, металл делается тверже и прочнее.
Никель добавляет не только прочности, но и пластичности.
Медь, помимо устойчивости к коррозии, способствует сопротивлению различным кислотам.
Ванадий уплотняет структуру, делает мелкозернистой.
Марганец несет ответственность за износостойкость.
Вольфрам сохраняет твердость материала при воздействии высоких температур.
Кремний придает металлу упругость, а также делает его магнитным.
Присутствие алюминия добавляет полученному материалу жаростойкости.

Как изменяется структура при добавлении различных примесей? В результате их введения кристаллическая решетка разрушается по причине отличий в форме электронов и атомных величин. Поэтому характеристики легированной стали могут колебаться из-за изменения процентного соотношения элементов в ее составе. Твердость, прочность и пластичность сплав получает после термообработки.

Внешний вид легированной стали

По химическому составу такой металл обычно отличается. Поэтому классификация будет следующей:

Низколегированный – процент легированных добавок не более 2,5.
Среднелегированный – примеси составляют не более 2,5-10 %.
Высоколегированный – примесей может быть больше 10% и расти до 50.

По классификации деление идет на: коррозионно-устойчивую сталь и жаростойкую (выдерживает выше 1000 градусов).

Согласно химическому распаду выделяются:

окалиноустойчивая (при 550 градусах);
жароустойчивая.

Известны два основных типа: легированные и углеродистые. Посмотрим, какие у них отличия.

Углеродистая сталь – сплав, содержащий совместно с железом и углеродом еще кремний и марганец. Сера и фосфор, тоже имеющиеся в ее составе, относятся к негативно влияющим добавкам, ведь из-за них ухудшаются ее механические свойства.

Сталь бывает низко-, средне- и высокоуглеродистой. Чем большая часть углерода в таких сплавах, тем меньше их пластичность, но зато и тверже получается итоговый материал.

Углеродистая сталь – сплав железа с углеродом до 2%. В него также добавляют кремний, серу и фосфор. Однако, главным компонентом все же является углерод. Количество в процентах этих элементов приблизительно такое: железа до 99,0%, марганца – 03-0,8, серы до 0,06 и кремния до 0,15-0,35.

Главные минусы углеродистой стали:

если у нее хорошая прочность и твердость, то недостает пластичности;
утрачивается твердость и режущая способность при нагреве до 200 градусов, а при более высоких температурах теряется и прочность;
невысокая устойчивость от ржавления при погружении в электролит, в агрессивных средах и т. д.;
повышенный коэффициент теплового расширения;
утяжеление готовой продукции;
возрастание стоимости конечного продукта;
трудности при проектировании из-за низкой прочности такой стали.

Легированная – сталь, которая наряду с обычными добавками содержит легированные элементы, значительно повышающие ее качества. Это вольфрам, молибден, никель и др. И еще марганец и кремний в значительных количествах. Примеси добавляются во время плавления. Такой металл отличается своими ценными качествами, которые отсутствуют у углеродистой стали, и лишен ее недостатков.

Использование легированной стали

Сегодня практически невозможно назвать хоть одну из сфер деятельности человека, где не нашлось бы места сплаву с такими характеристиками. Из конструкционной и инструментальной сталей выпускаются почти все инструменты, например, фрезы, резцы, штампы и т. д. Нержавеющие легированные стали также применяются для выпуска бытовых изделий, например, при производстве посуды, корпусов бытовой техники.

Также легированная сталь отличается множеством других качеств, которые гарантируют ей широчайшее применение. Она повышает срок службы самых разных изделий, обеспечивает их надежность и даже позволяет экономить. Ведь чем дольше эксплуатируется та или иная вещь, тем реже приходится приобретать новую.

Кстати, изделия или их компоненты из легированного материала можно встретить не только в строительстве или машиностроении, но и у хирургов в руках, например, скальпель, на производстве трубопроводов. Если изготовить из него нож, то часто точить его не придется.

Изделия из легированной стали

Сфера использования легированных сталей находится в прямой зависимости от способа термообработки, которому она подверглась. Прежде была изучена классификация этого материала по назначению согласно ГОСТ: инструментальные, конструкционные и стали с особыми качествами.

Низколегированные стали хорошо поддаются свариванию, поэтому из них чаще всего делают трубы и другие конструкции. Легированная инструментальная сталь отлично подходит как сырье для изделий, которые будут работать под давлением.

Согласно ГОСТ 5950-2000, легированная сталь — материал для производства медицинских инструментов, ножей, ленточных пил и др. В этот ГОСТ внесены все виды ее обозначений и области использования.

Нержавейка, содержащая много хрома, применяется для выпуска трубных изделий. Трубы, изготовленные из такого материала, отличаются повышенной стойкостью к ржавлению, и еще, они прекрасно противостоят скачкам температур, в особенности, высоких.

Маркировка легированных сталей

Как расшифровывается маркировка легированных сталей? О чем она говорит? Согласно ГОСТ в ней есть такая информация: буква расшифровывает химический элемент, а цифра за ней — сколько его в процентах. Если цифра не внесена, то процент конкретного компонента невелик (не выше 1%).

К легированным относят разные стали. В итоге возникла потребность систематизации их обозначений. Это отражено в ГОСТ 4543-71, в котором обозначено, что в марках сталей, обладающих особыми качествами, буква должна стоять первой. Она и указывает на принадлежность металла, в зависимости от его качеств, к конкретной группе.

Если первые буквы «Ж», «Х» либо «Е», то металл относится к нержавеющим с магнитными свойствами, либо хромистым. Сталь хромоникелевой нержавеющей группы обозначает буква «Я». Буквами «Р» и «Ш» обозначены сплавы, которые принадлежат к шарикоподшипниковым инструментальным и быстрорежущим.

Если сталь легированная, то она может быть либо высокого качества, либо особо высококачественная. Тогда марка у них будет завершаться буквами «А» или «Ш». Обычные стали так не обозначаются.

Сплавы, получаемые методом проката, тоже получают специальное обозначение. Тогда в маркировке будет стоять буква «Н» (нагартованный) либо «ТО» (термически обработанный).

Умение понимать маркировку всегда позволит с легкостью и достаточно четко выяснить химический состав представленного металла, несмотря на то, что он есть в соответствующей литературе. Первая цифра — процент углерода в сотых долях. Далее за цифрой проставляются буквы, расшифровывающие легирующие элементы, использованные в качестве примеси. За каждой из букв указывается количество названного компонента, выражаемое уже в целых частях. Бывает, что есть только буква, что говорит о содержании элемента в количестве, не превышающем 1,5%.

Стоит обратить внимание на то, что обозначение и классификация химических элементов с помощью букв не обязательно может совпадать с начальной буквой в их наименовании: алюминий (ю), хром (х), марганец (г), вольфрам (в), никель (н), азот (а), медь (д), ванадий (ф) и т. д.

Если в посередине маркировки есть буква «А» (азот), то это свидетельствует о том, сколько азота в составе стали. Если же буква «А» будет в конце, то фосфора и серы в этой марке стали менее 0,03%, поэтому она принадлежит к чистым.

Сдвоенная буква «А», стоящая в обозначении первой справа, свидетельствует об особой чистоте материала от присутствия вышеназванных компонентов. Сколько в нем серы тоже определяется согласно ГОСТ. Еще маркировка может начинаться с таких букв: «Ш» — шарикоподшипниковая, «Р» — быстрорежущая, «Э» — электротехническая, «А» — автоматная, буква «Л» свидетельствует, что сталь получена литьем.

Стали и сплавы легированные (ГОСТ 4543-71)

Стали легированные — железоуглеродистые материалы, которые кроме обычных примесей (марганца, кремния, серы и фосфора) содержат ряд элементов, специально вводимых в сталь при ее выплавке для получения заданных свойств. Эти элементы называют легирующими. В качестве легирующих элементов чаще всего добавляют в сплавы никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий, медь, кобальт, бор. Кремний и марганец, если они специально введены в сталь, также являются легирующими элементами. При этом содержание кремния должно быть выше 0,5%, а марганца — выше 0,8%. Подавляющая часть легированных сталей содержит два или несколько легирующих элементов, так как совместное их действие значительнее влияет на изменение свойств сталей, чем действие одного элемента, даже если он вводится в большом количестве.

Название легированных сталей определяется основными легирующими элементами, входящими в их состав, например: хромистая, хромомарганцовая, хромоникелевая, хромоникельмолибденовая и т. п.

Влияние легирующих элементов на свойства стали зависит от их количества, местоположения в структуре и содержания углерода. Все легирующие элементы в том или ином количестве способны растворяться в кристаллической решетке феррита, образуя при этом, так называемый, легированный феррит. По отношению к углероду легирующие элементы можно разделить на две группы:

первая группа — элементы, способные создавать с углеродом стойкие химические соединения — карбиды; к ним относятся титан, ванадий, вольфрам, молибден, хром, марганец и ниобий;
вторая группа — элементы, не образующие карбиды; в их число входят кремний, алюминий, никель, медь, кобальт. Эти элементы содержатся в легированных сталях в виде твердого раствора в феррите.

Карбидообразующие элементы, растворенные в феррите, искажают его кристаллическую решетку, упрочняют феррит, уменьшают теплопроводность и электропроводность стали. Карбиды отличаются весьма высокой твердостью (70÷75 HRC) и износостойкостью, но обладают значительной хрупкостью. Они играют весьма важную роль в инструментальных сталях.

После термической обработки (закалки, отпуска) улучшаются механические свойства легированных сталей, но в изделиях малых сечений их свойства мало отличаются от механических свойств углеродистой стали. В изделиях крупных сечений (свыше 15 мм) механические свойства легированных сталей — предел текучести σ_т, относительное сужение Ψ и ударная вязкость а_н — значительно выше, чем углеродистых. Эго объясняется малой критической скоростью закалки легированных сталей, а следовательно, лучшей их прокаливаемостью. После термической обработки у них образуются более мелкое зерно и дисперсные структуры. Большая прокаливаемость и малая критическая скорость закалки позволяют закаливать эти стали в менее резких охладителях, к которым относится масло и воздух, что способствует уменьшению деформации деталей и уменьшению возможности образования трещин. Поэтому легированные стали применяют для изготовления деталей малого сечения со сложной геометрической формой. Без термической обработки эти стали использовать нецелесообразно. Прокаливаемость возрастает с увеличением в стали марганца, хрома, бора, никеля и молибдена. Конкретному сечению стали должно соответствовать определенное количество легирующих элементов, иначе ухудшаются такие ее технологические свойства, как обработка резанием, свариваемость и др. Если содержание хрома или марганца превышает 1%, увеличивается порог хладноломкости стали или критической температуры хрупкости ( температуры перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому и наоборот). Поэтому содержание легирующих элементов должно быть минимальным, обеспечивающим необходимую сквозную прокаливаемость для конкретного сечения детали и условий охлаждения при закалке.

Никель повышает сопротивление стали хрупкому разрушению, увеличивает пластичность и вязкость, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений и понижает температуру порога хладноломкости. Поскольку никель дорогой металл, то его вводят в конструкционные стали в сочетании с хромом и другими элементами в предельно малых количествах.

После отпуска легированная сталь обладает более высокой прочностью и твердостью, но меньшей пластичностью вязкостью, чем углеродистая. Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость и устойчивость стали против отпуска, способствуют образованию мелкозернистой структуры. Особое влияние молибден оказывает на цементированную сталь, так как повышает твердость и прокаливаемость цементированного слоя. Кремний при изотермической закалке обеспечивает высокую вязкость и пониженную чувствительность стали к надрезу. В отожженном и нормализованном состоянии легированная сталь имеет более высокую прочность, но меньшую пластичность, чем углеродистая.

В зависимости от области применения легированые стали подразделяют на три группы: конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и конструкций; инструментальные стали, используемые для производства режущих и измерительных инструментов, штампов и пресс-форм; стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами — коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, магнитомягкие, магнитотвердые, с заданным коэффициентом теплового расширения и др.

В зависимости от содержания вредных примесей различают качественную легированную сталь (не более 0,035% серы также и фосфора), высококачественную — А (не более 0,025% серы также и фосфора ), особовысококачественную — Ш (до 0,015% серы и до 0,025% фосфора). Буква Ш ставится через дефис в конце марки стали, например ЗОХГС-Ш, ЗОХГСА-Ш.

В обозначение марок легированных сталей (ГОСТ 4543-71) входят заглавные буквы русского алфавита, соответствующие определенным химическим элементам, содержащимся в стали, и цифры, обозначающие количество легирующих элементов и углерода (табл. 1).

Первые одна или две цифры (слева) характеризуют среднее содержание углерода: одна цифра — в десятых долях процента, две цифры — в сотых долях. В марках некоторых инструментальных легированных сталей с содержанием углерода около 1% цифра не ставится. Цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. При содержании легирующего элемента до 1,5% цифра после буквы может не проставляться (это делается в исключительных случаях). Например, 40Х означает хромистую легированную конструкционную сталь, содержащую 0,4% углерода и около 1% хрома; 15Н2М — конструкционную легированную никельмолибденовую сталь с содержанием 0,15% углерода, 2% никеля и до 1% молибдена.

Маркировка высококачественных сталей отличается наличием буквы А, проставляемой в конце марки. Например, 18Х2Н4МА означает хромоникельмолибденовую конструкционную легированную высококачественную сталь с содержанием 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля и до 1% молибдена; 38Х2МЮА — хромоалюминиевую конструкционную высококачественную сталь, имеющую в своем составе 0,38% углерода, 2% хрома, до 1% молибдена и до 1% алюминия. Буква А не ставится в обозначении высококачественных инструментальных легированных сталей и сплавов с особыми свойствами. Например, 8Х4ВЗМЗФ2 — инструментальная легированная сталь для режущего и измерительного инструмента (0,8% углерода, 4% хрома, 3% вольфрама, 3% молибдена и 2% ванадия).

Иногда в обозначении марок сталей в начале ставятся буквы, указывающие области их применения: А — автоматные стали повышенной обрабатываемости резанием (А 12, А35), Ш — шарикоподшипниковые стали (ШХ15, ШХ9), Р — быстрорежущие стали (Р18, Р6М5К5), Св — сварочные и наплавочные стали и сплавы (Св-12ГС, Св-08ХН2ГМТА). Особое внимание следует обратить на букву А, которая может содержаться в начале обозначения марки стали, в середине и в конце. Если буква А стоит, в начале марки, она указывает область применения стали (автоматная конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием, например А40ХЕ); если в конце марки, значит сталь высококачественная (например 20Х2Н4А); буква А, стоящая в середине марки, означает азот, например 10Х14АП5. Стали, предназначенные для специального производства (исследуемые или пробные), часто маркируют условно, например, по месту их выплавки: Э — «Электросталь», 3 — Златоустовский металлургический комбинат, Д — завод «Днепроспецсталь» — ЭИ868, ЭП48, ЗИ, ДИ (И — значит исследовательская, П — пробная).

Высоколегированная сталь – марки, характеристики, применение

Высоколегированная сталь, кроме основных составляющих — железа и углерода, также содержит в своем составе ряд дополнительных добавок, их общее количество превышает 10%. Легирующие добавки, которые вводят в состав таких сталей, предназначены для того, чтобы значительно улучшить физические, а также механические свойства базового сплава.

Высоколегированная сталь обладает отличными антикоррозийнными свойствами

Виды сталей с легирующими добавками

Согласно положениям соответствующего ГОСТ (5632-72), высоколегированные стали подразделяют на две большие категории: сплавы на никелевой и железноникелевой основе. Сплавы первой категории имеют основу, в которой присутствует не менее 50% никеля. Кроме никеля в структуре таких сплавов, которые представляют собой, по сути, твердый раствор, содержится хром, а также другие элементы. Основу структуры железноникелевых сталей составляют железо и никель, которых в сплаве содержится суммарно более 65%, а также в него входят твердые растворы хрома и ряд других улучшающих добавок. Количество никеля и массовая доля железа в сплавах второй категории находится в приблизительном соотношении 1:1,5.

Классифицируют высоколегированные сплавы также по основным характеристикам, которыми они обладают. Так, различают:

окалиностойкие стали, также называемые жаростойкими; отличительной особенностью таких сталей, изделия из которых эксплуатируются в ненагруженном либо в слабонагруженном состоянии, является их повышенная устойчивость против химического разрушения их поверхностного слоя при температуре внешней газообразной среды, превышающей 550 градусов; , их также называют нержавеющими, они отличаются высокой устойчивостью к различным видам коррозии: межкристаллитной, солевой, кислотной, щелочной, атмосферной, химической, электрохимической, а также коррозии, развивающейся под действием электрического напряжения;
жаропрочные, которые отличаются от жаростойких тем, что изделия из данных высоколегированных сталей способны оговоренное время эксплуатироваться при высоких температурах внешней среды в нагруженном состоянии.

Основные свойства распространенных жаропрочных сталей

Стали с повышенным содержанием в своем составе легирующих элементов также делят на несколько категорий, в зависимости от характера их внутренней структуры. Так, в зависимости от характеристик базовой внутренней структуры, их относят к следующим классам:

мартенситные, основную структуру которых формирует мартенсит;
мартенситно-ферритные: в их структуре содержится мартенсит и, соответственно, феррит (не менее 10%);
ферритные: их структуру формирует феррит;
аустенитно-мартенситные: количественное содержание аустенита и мартенсита, формирующих структуру таких высоколегированных сталей, может варьироваться;
аустенитно-ферритные: их структуру формируют аустенит и феррит, которого в них содержится более 10%;
аустенитные: структуру формирует только аустенит.

Следует иметь в виду, что классификация высоколегированных сталей по характеру их структуры является достаточно условной, и ее даже не используют для отбраковки стальных изделий, если в их структуре имеются отклонения от нее.

К тому или иному структурному классу высоколегированную сталь относят в зависимости от того, какая в ней сформировалась базовая структура после того, как изделие из нее нагрели до высокой температуры и охладили на открытом воздухе.

Таблица соответствия российских и зарубежных стандартов — ГОСТ (Россия), EN (Европа), AISI (США) (нажмите для увеличения)

Свойства отдельных видов высоколегированных сталей

Благодаря своим уникальным характеристикам, которые можно формировать, меняя химический состав сплава, стали с повышенным содержанием легирующих добавок нашли широкое применение практически во всех отраслях современной промышленности. Среди большого разнообразия видов высоколегированных сплавов наибольшее распространение получили стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит. Базовыми элементами химического состава таких сталей являются никель, которого в них содержится не менее 8%, а также хром, содержание которого превышает 18%. За счет варьирования в составе подобных сталей количества других легирующих добавок получают марки сплавов с требуемыми характеристиками.

Химический состав некоторых легированных сталей

Жаропрочные стали, в составе которых дополнительно содержатся вольфрам и молибден (до 7%), а также бор, необходимый для измельчения зерна их внутренней структуры, не изменяют первоначальные механические характеристики даже при длительном нахождении в нагретом состоянии.

Отличительной особенностью марок высоколегированных сталей, относящихся к категории коррозионностойких или нержавеющих, является незначительное содержание углерода в их химическом составе (до 0,12%). Такие стали, кроме легирования соответствующими добавками, подвергают специальной термической обработке. Благодаря этому технологическому приему и свойствам элементов, которые формируют состав сталей, они становятся очень устойчивыми к воздействию агрессивных сред: кислотных, солевых, щелочных, газовых и др.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Жаростойкие стали, которые способны выдерживать повышенные температуры внешней среды в ненагруженном состоянии, получают свои свойства благодаря тому, что в их состав дополнительно вводят алюминий (до 2,5%) и кремний, за счет чего на поверхности изделий из таких сплавов формируются плотные и прочные оксиды. Такие оксиды становятся своеобразной пленкой, надежно защищающей поверхность стального изделия от взаимодействия с нагретой газовой средой.

Чтобы сформировать у изделий из высоколегированных сталей требуемые механические характеристики (прочность и пластичность), их подвергают специальной термической обработке, которая состоит из двух этапов:

закалки, предполагающей нагрев сплава до температуры 1150 градусов и его последующее быстрое охлаждение в воде;
стабилизирующего отпуска, который предполагает нагрев высоколегированной стали до температуры 850 градусов и ее последующее охлаждение на открытом воздухе до комнатной температуры.

Конечные свойства изделия из определенной марки высоколегированной стали зависят как от ее химического состава, так и от режимов проведения и видов используемой термической обработки.

Высоколегированная конструкционная сталь

Сферы применения изделий

К наиболее популярным маркам высоколегированных сплавов, относящихся к различным классам по своей структуре, следует отнести:

Для понимания того, насколько большое значение в современной промышленности имеют стали с высоким содержанием легирующих элементов, можно привести примеры сфер применения отдельных марок таких сплавов.

Сталь популярной марки 12Х17 широко используется для производства кухонной посуды и предметов домашнего обихода. Ограничением использования такой стали является то, что изделия из нее нельзя соединять при помощи сварки.

Физические характеристики стали марки 12Х17

Из высоколегированных сталей марок 12Х13, 08Х13 и 20Х13 изготавливают детали гидравлических устройств, изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации ударным нагрузкам и работающие в условиях слабоагрессивных сред.

Сталь марки 95Х18 отлично противостоит износу, поэтому из нее производят элементы шарикоподшипников для ответственных установок, втулки, ножи и другие инструменты.
30Х13 и 40Х13 — марки высоколегированных сталей, из которых изготавливают компрессорные клапанные пластины, детали автомобильных карбюраторов, пружины различного назначения, измерительный и медицинский инструмент.

Это лишь небольшой перечень сфер применения, в которых без использования высоколегированных сталей благодаря их уникальным характеристикам просто не обойтись.

Читайте также: