Основой состава сталей является

Обновлено: 29.04.2024

Стальной сплав – основной материал, без которого построить долговечные и многофункциональные, довольно лёгкие механизмы и машины, конструкции не удастся. Будучи в основном металлическим продуктом, стальные детали и комплектующие – основа современного производства.

Что это такое?

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Самые простые стальные сплавы не содержат никаких дополнительных присадок, за исключением кислорода, азота, серы и фосфора, присутствующих в железной руде изначально. Содержание углерода в стали варьируется от 0,02% до 2,13% включительно. Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% относят к техническому (не чистому для лабораторных испытаний) железу. Другие составы, содержащие в себе 2,14% и более углерода, считаются чугуном. Исключением из данного норматива являются порошковые сплавы с содержанием углерода вплоть до 3% – эти составы не относятся к чугуну, так как чугун – в основном литейный, отчасти – и ковкий материал: из болванок и брусков куют детали всевозможного назначения.

Чистое железо, почти не содержащее углерода, относится к мягким и пластичным материалам металлического происхождения. Оно применяется там, где, к примеру, нужна мягкая проволока, напоминающая по своим свойствам медную. Добавление углерода повышает твёрдость и прочность, упругость и ударную вязкость железа, одновременно снижая его податливость. Чугун, за исключением ковкого сорта, из-за избыточного содержания хрупок: если ударить, например, чугунный котелок молотком, то он треснет.

Основные требования к стали – стойкость к неподвижной, подвижной или повторяющейся нагрузке извне. Это могут обеспечить пружины, рессорные комплектующие.

Увеличить ровность и плавность хода также можно, используя подвески на автомобилях и спецтехнике, чья ходовая составляющая изготовлена преимущественно из стальных деталей.

Особенности производства

Стальные сплавы получают путём снижения до разрешённых по технологии концентрации углерода, фосфора и серы. Часть этих компонентов – по количественному показателю – можно выжечь, вдувая в расплавленный состав воздух. Все неметаллические примеси, окислившись, постепенно покидают объём железа, с которым они были соединены изначально и сразу после извлечения кусков железной руды из недр Земли. Фосфор и сера повышают хладноломкость стали: при ударных нагрузках избыточное количество серы в заготовках после выплавления и термообработки могло бы привести к поломке, к примеру, ступиц авто, как только оно съехало бы с ровной и гладкой трассы на второстепенную каменистую дорогу. Швеллерный отрезок, установленный в верхнем уровне оконного или дверного проёма в качестве перемычки, не просто прогнулся, а сломался бы под тяжестью кирпичной кладки участка стены, расположенного над ним, что грозило бы частичному обрушению стены или всего здания.

Чтобы удалить ненужные примеси в избытке и вместо них добавить полезные, к примеру, хром, снижающий скорость ржавления стальных деталей, потребуется выбрать перед началом технологического процесса способ варки (переплавки) стали. Когда производство ограничивается не выплавкой стали из руды, а переработкой железного лома, к собранному и загружаемому в печь стальному материалу добавляются известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и легирующие присадки. После удаления излишнего количества неметаллических примесей путём мартеновской и подовой термообработки, включающей в себя закачивание концентрированного кислорода, в него вводят то количественное соотношение ингредиентов, которое нужно, чтобы получить сталь с запрошенными свойствами. Обогащение стали проводится в вакууме – он не допускает проникновение, к примеру, азота из воздуха, чьё содержание в некоторых сортах стали является лишь минимальным.

В зависимости от имеющихся примесей, содержащихся в железе в определённой пропорции, часть углерода из руды выжигают кислородно-конвертерным способом – продувают расплав концентрированным кислородом под давлением. В результате происходит несколько реакций, цель которых – окислить кремний, углерод – и вывести их из железного сплава. Таким образом, можно чугунный лом переработать в сталь – либо оставить его чугуном, выплавив, к примеру, из ковкого чугуна белый. Небольшое количество чистого железа, превращаясь в окалину, вступает в реакцию с кремнием и переходит в так называемый феррокремний – соль железа на основе кремниевой кислоты. Чтобы уменьшить степень раскисления стали в исходном сплаве, образовавшемся после выпадения шлака (ферросилиция), присутствует закись железа.

Чтобы удалить эти атомы кислорода, применяют более активные металлы – например, алюминий, который окисляясь, восстанавливает оставшуюся часть оксидированного железа.

Для удаления фосфора, например, из того же переплавляемого чугунного лома применяют введение некоторого количества оксида кальция. Шлак – фосфат кальция, выпадающий в осадок, либо снимаемый с поверхности. Но перед связыванием фосфорного ангидрида с помощью оксида кальция в высокофосфористый чугун или сталь вдувают всё тот же концентрат кислорода.

Чтобы иметь возможность переплавить проржавевший железный лом, используют мартеновскую печь. Мартенопечи позволяют довести температуру расплава практически до температуры вулканической лавы – при этом расплав становится почти ослепительно-раскалённым, нагретым до 1700 градусов Цельсия. Вступая в реакции с кальцием, магнием, кремнием и другими ингредиентами, оксид железа отдаёт им свой имеющийся кислород, и получившиеся соли, вступив в реакцию с серой и фосфором, формируют шлаковый слой – отходы от чермета. После удаления шлака в расплавленный состав добавляют ингредиенты-раскислители, чтобы сделать сталь менее кипящей, более «спокойной».

«Электросталь» образуется за счёт расплавления под воздействием электродуги. Недостаток – почти мегаватт-час электричества на тонну финального сплава, забранный из ЛЭП. Время технопроцесса – до 7 ч. Электродуговая «сталеплавилка» может работать полностью на чугунно-стальном и железном ломе.

Классификация сплавов подразумевает разделение сортов стали по группам согласно свойству конкретной марки. Применение получившейся стали – исходя из её характеристик: так, достаточно крепкая сталь является среднеуглеродистой, её используют, например, для производства рельсов и швеллеров. Она состоит из 98% железа, до 0,4% углерода, а остальные примеси – это, например, 0,6% никеля и 1% хрома. Масса детали равна сумме весов железа и легирующих присадок, углерода. Металлы, используемые в качестве легирующих, делают сталь износостойкой, резистентной к коррозии. Ударная вязкость стали варьируется в широких пределах и зависит от содержания серы и фосфора в сплавах. Коэффициент теплового расширения в целом не колеблется в широких пределах, за что отвечает основной ингредиент – железо. Однако свариваемость варьируется от лёгкой и универсальной у обычных сталей до существенно затруднённой у сплавов, которые необходимо не просто зачищать перед сваркой, а отжигать при сотнях градусов. Качественная сталь не должна ломаться в условиях любых морозов на Земле (почти до –90 градусов по Цельсию), а также рассыпаться от ржавчины за 10 лет и менее.

По качеству

Основной критерий качества стали как традиционного материала для высоконагруженных и высокоответственных несущих конструкций – неломкость при комнатной или уличной температуре. За хладноломкость отвечает тщательность удаления серы и фосфора – содержание в высококачественной стали падает до 0,001%, чего не скажешь о сталях обычного качества.

У последних содержание этих двух элементов по отдельности достигает 0,04%.

По составу

Классы низко-, средне и высокоуглеродистой стали – сплавы, содержащие до 0,2%, до 0,6% и до 2,13% углерода соответственно. Процентным соотношением руководит пересчёт не на объём, а на массу примеси. Но высокоуглеродистая пружинная сталь плохо гнётся: при резком угле (переходе) на сгибе от 30 градусов она ломается, образуя острые края при сломе. Попробуйте резко согнуть пассатижами пружину в любой точке высокоуглеродистой проволоки, из которой она навита: деталь переломится.

Низко-, средне- и высоколегированные стальные сплавы бывают весьма разнообразными. Например, нержавейка – техническая и пищевая – содержит значительное количество хрома, 14-26%, что позволяет емкостям и столовым приборам прослужить сотни лет, при этом они передаются из поколения в поколение. Ржавеющие сплавы содержат менее 14% хрома: их использование в качестве неокрашиваемых и неоцинкованных изделий приведёт к их быстрому заржавливанию.

По структуре

Структура стали не менее важна, чем состав: различают мартенситную, ферритную, аустенитную, перлитную (эвтектоидную), бейнитную и комбинированно-структурированную. К двухфазным сплавам относят до- и заэвтектоидные стальные составы; первые более легки в обработке благодаря своей пластичности.

Марки

Простые сплавы не содержат заметного количества легирующих присадок, изменяющих существенно свойства стали. Характерные примеры – Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст5Гсп, Ст6пс и десятки других сортов. Так, в сплаве Ст0 содержится до 0,01% углерода, она относится к техническому железу. Ст1кп – сталь с 0,01% углерода кипящего (нераскисленного) типа, Ст6пс – полуспокойная, 0,06% угля в составе, Ст5Гсп – 0,05% сталь (по углероду в пересчёте на массу), усиленная небольшим количеством марганца (маркер «Г» указывает на «марганец»), составляющего по массе не более 1%. Прочность на раздавливание, результатом которого является слом (трещина) – 60 кг/мм2. Свариваемость всех марок Ст – весьма удовлетворительная: детали в местах наложения сварных швов достаточно лишь зачистить.

Сталь Ст всех модификаций относится к конструкционным: прочность и упругость достигаются большими толщиной, массой и поперечными габаритами элементов.

Нержавеющие марки отмечены немного иначе: в шифре указаны целые проценты – по массе – металлов-присадок, в сотых долях процента – массовое количество угля. Например, семейство нержавеек Х18, относящихся к бытовой стали, используемой для изготовления смесителей для душевой, маркируется следующим образом: 12Х18Н10Т – низкоуглеродистая сталь, содержащая 1,2 промилле углерода, 18% хрома, 10% никеля, до 1% титана. Слабоникелевая и беститановая сталь с 2 промилле углерода могла бы отметиться, например, иначе: 20Х17Н. Сортов нержавеек – более сотни. Однако сталь 12Х12 не является нержавейкой: для последней, как выше отмечено, необходимо хотя бы 14% хрома. Хром создаёт быстро образуемую и особо плотную плёнку, которую счистить можно лишь сильноабразивными и высокоактивными средствами. Пищевые продукты и их ингредиенты не действуют на неё.

Кроме нержавейки, используются и иные специфические семейства сталей: У10-У12 – для ручных инструментов (например, пассатижей), 09Г2С – для балочных и арматурных элементов, выдерживающих любую жару и мороз на Земле, без ухудшения их прочностных и упругостных свойств. Выпускаются сотни таких сталей со специфическими запросами потребителя, соответствующими его целям и задачам.

Способы обработки

Анодирование (электролизное покрытие) ржавеющей стали достигается за счёт меднения, никелирования, хромирования, алюминирования (покрытие алюминием), титанирования уже изготовленных (кованых, отлитых) деталей. Смысл – снижение энерготехнологических издержек производства, упрощение выделки деталей и комплектующих без лишних сеансов нагрева, прокаливания, потребляющих мегаватт и более электроэнергии на тонну производимой продукции. Например, нержавеющая труба с толщиной стенок в 2 мм и ДУ (условным диаметром, проходом) в 25 мм оценивается более чем в 2 раза дороже, чем такая же хромированная или никелированная из стали Ст3сп.

Меднение труб и профильных комплектующих производится при помощи медного купороса: в его, скажем, 5% водный раствор, налитый в U-образную трубку, опускают катод и анод. В качестве катода – обрабатываемое изделие, анодом может быть любой обломок или фрагмент от отслужившего свой срок изделия. На катоде выделяется металлическая медь, а на аноде – кислотный остаток, который разлагается затем на сернистый газ и кислород; выделение последних происходит в виде пузырьков газа.

Аналогичный подход применяют при покрытии любым другим металлом: низкоактивные используют соли в растворе, высокоактивные – расплав этих же солей.

Оксидирование, или воронение, производится путём прокаливания стальной заготовки. Цель – окислить сталь так, чтобы на изделии возникли тёмные побежалости (затемнение цвета). Используют этот метод перед финишной окраской: лакокрасочный состав, например, грунт-эмаль по ржавчине, будет держаться лучше и дольше, чем на некалёном изделии.

Разрезание стальных заготовок – как и любых металлических – производят фрезой или лазером. Лазерный способ не даёт стружки и стальных опилок, его достоинство – безотходность производства, к примеру, листовой нержавейки. Фреза по всем расходным статьям обходится заметно дешевле лазерной пушки, недостаток – необходимость удаления мусора, из-за чего к рабочей камере перед резкой подключают строительно-технический пылесос.

Что делают из стали?

Гвозди, болты, пресс-шайбы и гайки изготавливают из уже знакомого вам техжелеза. Гровер-шайбы, пружины, рессорные элементы – из высокоуглеродистой стали. Балки и арматура изготавливаются из конструкционной и низколегированной стали. Машиностроительная сталь, например, подшипниковая, содержит до 1,5% хрома и порядка 1% углерода: такое сочетание способствует замедленному износу подшипников, но она несколько мягче калёной стали, из которой выпускают втулки, барабаны, а также некоторые метизы, к примеру, шурупы. Инструментальная У11А (и ей подобные) идёт на изготовление бит, отвёрток и насадок для них, а также бокорезов, плоско- и круглогубцев и так далее.

Высокохромистые пищевые нержавейки – материал для производства ложек, вилок, ножей, шумовок и другой кухонной утвари.

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.

Виды и структура сталей

Несомненно, сталь является одним из самых важных материалов в истории человечества, который сегодня применяется повсеместно, во многих, если не всех, отраслях промышленности. Тем, кому хоть раз было интересно, и кто «копнул глубже», знают, что сталь бывает различных видов.

Сама по себе сталь – это соединение из железа (Fe) и углерода (С), а также добавок в виде других элементов, которые растворяются в железе. Чистое железо имеет достаточно малую прочность, поэтому с помощью углерода, эта прочность повышается. Кроме того, углерод улучшает и некоторые другие свойства стали: твёрдость и упругость; устойчивость и выносливость к износам или химическому воздействию.

Содержание железа в составе стали должно быть не меньше 45%, а углерода – не выше 2,14%. Но, на практике, количество углерода несколько иное, и в зависимости от этого, сталь может быть:

низкоуглеродистой (содержание «С» 0,1-0,13%);
углеродистой (содержание углерода 0,14-0,5%);
высокоуглеродистой (от 0,6%).

Углерод же считается неметаллическим элементом, плотность которого составляет 2,22 г/см3, а температура плавления 3550 °С. Однако, в природе, в чистом виде углерода не существует, и поэтому, его можно встретить в 2-х полиморфных видах, в виде графита и алмаза. В железе, углерод выражен в виде графита (например, в серых чугунах) или в виде цементита.

Каждый вид стали классифицируется определенной структурой. В свою очередь, за структуру отвечает количество содержащегося в стали углерода, а также структурные превращения, которые протекают в материале при нагревании до определенной температуры с последующим охлаждением. На рисунке ниже, вы можете пронаблюдать диаграмму зависимости структуры стали от количества углерода и температуры.

Итак, давайте рассмотрим каждый структурный вид стали в отдельности.

Начнем с феррита. Это достаточно твердый раствор углерода в железе. В условиях комнатной температуры, феррит растворяется максимум, на 0,006% углерода. Поэтому, если количество углерода в стали будет более 0,006%, то в стали будут присутствовать и другие структурные элементы. Стоит отметить, что феррит не очень прочен и твёрд, однако сталь с его содержанием становится пластичной, а также приобретает прекрасные магнитные свойства.

Еще одно структурное соединение стали – цементит. Это химическое соединение из железа и углерода, которое выражается формулой Fe3C. В цементите содержится до 6,67% углерода, и, что самое удивительное, его количество неизменно при изменении температуры, вплоть до точки температуры плавления. По своим свойствам, цементит считается наиболее твердой структурной составляющей стали, однако, несмотря на высокую прочность, цементит достаточно хрупкий.

Перлит – еще одна структурная составляющая стали. Перлит является механической смесью феррита и цементита, которая после травления приобретает перламутровый цвет. Перлит также может быть пластичным или зернистым, а его твердость гораздо выше ферритовой структуры, но меньше, чем у цементита.

Аустенит является твердым раствором углерода в железе типа γ (особенный тип железа, имеющий гранецентрированную кристаллическую решетку). При температуре в 1130°С углерод растворяется в железе, максимум, на 2%. По своим свойствам аустенит достаточно прочный, но имеет невысокую твердость. Вместо этого аустенит является пластичным, имеет прекрасную стойкость против коррозии и коррозийных процессов, а также обладает высоким электрическим сопротивлением. Более того, аустенит немагнитен, что придает ему особых свойств.

Сплав железа, в котором содержание углерода превышает 2,14% (и до 6,67% включительно), в процессе кристаллизации которого образуется эвтектика, называют чугуном. Для повышения литейных свойств чугуна, в его структуру включают легкоплавкий ледебурит. К чугунам относится цементит, который отличается высокой хрупкостью. Такой чугун также получил название белого чугуна, за серебристо-белый излом.

Советуем подписаться на наши страницы в социальных сетях: Facebook | Вконтакте | Twitter | Google+ | Одноклассники

Читайте также: