Сталь 3 чем заменить

Обновлено: 02.05.2024

Раскислением называют завершающий этап выплавки стали. В сплав добавляют более активные металлы по химическому составу с целью забрать кислород у железа и восстановить его из оксида FeO. Существует три вида раскисления стали: спокойные “сп” , кипящие “кп” и полуспокойные “пс ”. В конце процесса выплавки осуществляется последовательное раскисление марганцем, кремнием и алюминием для спокойных сталей.

Под качеством стали понимают сумму свойств всего металлургического процесса. По качеству классифицируют как стали обычного качества, качественные и высококачественные . Основным критерием разделения сталей по качеству служит содержание в них серы и фосфора. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р.

Давайте сравним параметры ст3 и ст20.

Сталь ст3сп5

Химический состав: ГОСТ 380-2005
Полное наименование: Углеродистая сталь обыкновенного качества
Тех. условия: прокат толстолистовой ГОСТ 14637-89

Углеродистые стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-05 обозначают индексом “СТ”, что расшифровывается как "Сталь", цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава. Цифры от 0 до 6. Чем выше номер в обозначении, тем выше прочность.

Углеродистая сталь обыкновенного качества ст3 широко распространена в различных сферах машинного производства: от ЖКХ до нефтехимической отрасли. Различают несколько видов по степени раскисления. Для обозначения категории к обозначению марки добавляют номер категории. Сегодня мы более подробно остановимся на свойствах ст3сп5.

Таблица 1. ГОСТ 14637-89 Категории проката в зависимости от нормируемых характеристик. Где "+" означает, что характеристику нормируют, а знак "-" - не нормируют.

Нормируемая характеристика								Марка стали
Химический состав	Механич. св-ва при растяжении и изгибе до параллельности сторон	Ударная вязкость
		KCU				KCV
		KCU				KCV		при темп, °С			после механич. старения	при темп. °С
		+20	-20	-40	0	+20					после механич. старения
		5	+	+	-	+	-	+	-	+	Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп

Стали обычного качества делятся на две группы: А и Б, где А - предоставляется по механическим свойствам, а Б - по химическим.

Сталь 20

Химический состав: ГОСТ 1050-2013
Полное наименование: Конструкционная углеродистая качественная сталь
Тех. условия: прокат толстолистовой и широкополосный ГОСТ 1577-93

Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050-13 маркируются буквенно-цифровым способом. Двойной цифрой обозначается содержание углерода в сотых долях процента. Такая сталь является спокойной, в ее случае дополнительный индекс в маркировке не ставится.

Углеродистая конструкционная качественная сталь отличается повышенной прочностью, т.е. сталь 20 обладает высокой сопротивляемостью разрушению под действием внешней и внутренней среды. В процессе эксплуатации с водой возможно возникновение ржавчины, но это отразится только на внешнем виде, не затронув технические характеристики.

Сравнение химического состава

Обратите внимание на допустимые пределы по углероду. В определенных пределах, ст20 можно легко заменить ст3. Меньше включений в сплавы вредных примесей в виде серы и фосфора. Присутствие постоянных примесей в виде марганца и кремния связано с технологией производства стали.

Таблица 2. Сравнение химического состава ст3сп5 по ГОСТ 380-05 со ст20 по ГОСТ 1050-13

Марка стали	Массовые доли элементов, %
C (углерод)	Si (кремний)	Mn (марганец)	P (фосфор)	S (сера)	Cr (хром)	Ni (никель)	Cu (медь)
Ст3сп5 ГОСТ 380-2005	0,14-0,22	0,15-0,3	0,4-0,65	>0,04	>0,05	>0,3	>0,3	>0,3
ст 20 ГОСТ 1050-2013	0,17-0,24	0,17-0,37	0,35-0,65	>0,03	>0,035	>0,25	>0,3	>0,3

Сравнение механических свойств

Механические характеристики материала получают при испытаниях сплавов и напрямую влияют на дальнейшие эксплуатационные качества. Механические характеристики делятся на две основные группы: характеристики прочности и пластичности. Определяемые свойства зависят от химического состава, поэтому разные сплавы предназначены для разных условий применения.

Таблица 3. Механические свойства горячекатаного проката при испытании на растяжение и изгиб по ГОСТ 14637-89 для ст3сп5. Где a - толщина образца, d - диаметр оправки.

Таблица 4. Нормы ударной вязкости KCU по ГОСТ 14637-89 для ст3сп5.

Марка стали	Толщина проката, мм	Ударная вязкость KCU, Дж/см² (кгс м/см²)
при температуре, °С		после механического старения
+ 20	- 20	после механического старения
Ст3сп	5-9	78 (8)	39 (4)	39 (4)
	10-25	69 (7)	29 (3)	29 (3)
	26-40	49 (5)	-	-

Таблица 5. Механические свойства ст20 по ГОСТ 1050-2013 в нормализованном состоянии (термообработка) (согласуется с ГОСТ 1577-89 по механическим свойствам в нормализованном состоянии).

Марка стали	Механические свойства, не менее
Предел текучести σт, H/мм²	Временное сопротивление σв, H/мм²	Относительное удлинение δ5, %	Относительное сужение ψ, %
20	245	410	25	55

Таблица 6. Механические свойства ст20 в нормализованном состоянии по ГОСТ 1577-89.

Марка стали	Толщина, мм	Предел текучести σ₀,₂, H/мм² (кгс/мм²), не менее	Временное сопротивление σв, H/мм² (кгс/мм²)	Относительное удлинение δ5, %
вдоль	поперек
направления прокатки
не менее
20	до 100	230 (23,5)	400-550 (41-56)	27	25
20	от 100 до 160	210 (21,5)	380-520 (39-53)	25	23

Технические характеристики конструкционной стали Ст3

Все виды стали классифицируются по нескольким признакам: назначению и цели применения, химическому составу, механическим свойствам, структуре, способу изготовления.

Основными показателями, от которых зависят свойства и назначение металлического изделия, являются химический состав и термомеханическая обработка (промежуточная и окончательная). Зная химический состав, сразу можно сказать, где используется эта сталь, и какая обработка ей нужна, чтобы получить точные механические свойства. Одним из самых распространенных углеродистых конструкционных видов является сталь Ст3, характеристики которой применяются во всех сферах деятельности человека.

Применение конструкционной марки стали Ст3

Характеристики обыкновенной стали Ст3 используются для изготовления труб (профильных, круглых, цельнокатаных и сварных), профильного проката (уголка, швеллера, рельс), листа. Не всегда можно использовать Ст3, применение часто ограничивается климатической составляющей. Для работы в северном климате (ниже -41 °С), в открытых условиях необходимо отдавать предпочтение легированным сплавам со сниженной концентрацией фосфора. Для исполнения изделий, предназначенных для других климатических поясов — от умеренного до тропического — ограничений нет.

Именно Ст3 — марка стали, которая наиболее распространена из всей конструкционной категории. Объясняется это 3 факторами:

Набором технических параметров: возможностью физико-химической обработки, отличной свариваемостью.
Низкой стоимостью за счет малого содержания легирующих веществ, невысокими требованиями к обработке при выплавке и механической обработке, высокими допусками по содержанию фосфора и серы.
Большим разбегом по содержанию химических элементов (С 0,14-0,22; Mn до 0,68; Si до 20).

Характеристики Ст3 (ГОСТ 380-2005) следующие:

твердость 131 МПа;
ударостойкость;
свариваемость без ограничений;
высокая адгезия поверхности к большому количеству лакокрасочных покрытий;
возможность увеличить прочность за счет физико-химической обработки.

ГОСТ и другие нормативные документы на сталь

Ст3 — это аббревиатура российского ГОСТа, в стандартах других стран сталь с таким же составом маркируется другими буквенно-цифровыми индексами. Для конструкционных марок этого типа главное значение имеет содержание химических элементов С, Mn, Si, P, S, согласно табличных данных.

Преимущества и недостатки

Среди сильных сторон этой марки:

Обладает отличной свариваемостью при любой термической обработке.
Допуски использования элементов позволяют получить большой разбег по механическим свойствам.
Невысокая стоимость при широких вариациях применения.
Возможность проведения закалки током высокой частоты (одна из самых эффективных и экономичных технологий).
Не склонна к отпускной хрупкости.
Не флокеночувствительна.

Недостаток, которым обладает марка стали Ст3, присущ всему классу углеродистых аналогов, — это склонность к коррозии. Даже обработка поверхности дает временные результаты. Среди прочих минусов:

Как правило, структура стали имеет крупно- или среднезернистое строение. Также при проведении цементации и азотирования зерно склонно к быстрому росту, увеличению хрупкости.
Нельзя использовать для открытого исполнения в северном климате.

Сортамент

Стали марки Ст3 содержат углерод в количестве 0,14-0,22. Такой металлопрокат изготавливается 2 способами: горячим (нагрев до 1100 °С) или холодным. Преимущество горячей прокатки — отсутствие напряжений в структуре за счет отпуска с прокатного нагрева. Во время охлаждения естественным образом происходит снятие наклепов, полученных при пластической деформации. Холодная прокатка используется для получения изделий толщиной или диаметром менее 4 мм (из-за образования окалины во время нагрева).

Сталь листовая горячекатаная марки Ст3 (ГОСТ 19903-2005) предназначена для изготовления сварных труб и корпусных изделий. Хорошая обрабатываемость резанием и соединением всеми видами сварки позволяет изготавливать изделия любых форм и размеров.

Марка стали С255 — аналог Ст3. Из нее изготавливают горячекатаным методом тяжелонагруженные изделия: балки, разносторонние уголки, двутавры, рельсы.

Если сталь листовая горячекатаная марки Ст3 проходит дополнительное волочение, ее прочность очень возрастает.

Химические и физические свойства. Состав

Углеродистая сталь обыкновенного качества – это отдельная категория. Она включает в себя 7 групп: СТ1; Ст2; Ст3; Ст4; Ст5; Ст6; Ст0. Цифровой индекс указывает на класс прочности, который, в свою очередь, определяется содержанием углерода. Чтобы примерно понять диапазон, в котором используются углеродистые марки Ст3, рассмотрим основные:

Минимальное содержание С может быть 0,06 %. Эти марки «мягкие», их используют для изготовления сеток, гвоздей.
Самое большое содержание углерода 0,49 %, относятся они к среднеуглеродистым. Из них делают детали ответственного назначения: валы, полуоси. К изделиям из сталей 4-6 категорий уже применяют термическую обработку для упрочнения.

Технические свойства

Индекс в написании КП, ПС, СП показывает содержание кислорода, связанного кремнием:

Расшифровка стали Ст3 для определения механических свойств:

Прокат проволока до 20 мм горячекатаная	σв МПа временное сопротивление	σт предел текучести	σs % относительное удлинение
Ст3 кп	360-460	235	27
Ст3 пс	370-480	245	26
Ст3 сп	380-390	-/-	-/-
Ст3Гпс	370-490	-/-	-/-
Ст3Гсп	390-570	-/-	24

Пример расшифровки маркировки

Рассмотрим маркировку Ст3, расшифровку стали по индексам:

Индекс Ст определяет назначение «Конструкционные стали общего назначения».
Цифровой индекс 3 указывает на категорию прочности, т. е. диапазон содержания углерода.
Если указан индекс Г, то содержание марганца в стали превышает его обычное значение (более 1 %), если он отсутствует, то содержание марганца не выше 0,58 %.
Индексы кп, пс, сп расшифровываются как кипящая, полуспокойная и спокойная. Они указывают на содержание кремния, который используется для раскисления стали (т. е. связывает свободный кислород на этапе раскисления и легирования).

Чем можно заменить Ст3. Аналоги

Сталь этой марки широко используется во всем мире. В стандартах других стран встречается другая аббревиатура Ст3, расшифровка ее определяет назначение и соответствующий состав.

Учеными-металловедами разработаны марки металла с использованием других легирующих элементов (хром, никель, молибден, пр.). Необходимостью для этого стало уменьшение массы конструкции за счет увеличения ее прочностных свойств. Элементы также придают сталям новые характеристики: прочность, жаростойкость, стойкость коррозии, увеличение пластичности. Самое главное, что при одинаковых показателях прочности с маркой Ст3 уменьшена общая масса, но и стоимость таких же изделий из аналогов несколько выше.

Сравнение марок сталей 09г2с и 17г1с

Холодостойкость сплавов имеет огромное значение для стран со снежными зимами. При отрицательных температурах у углеродистых сталей наблюдается уменьшение вязкости в зонах концентраций напряжений, что приводит к образованию усталостных трещин. Хрупкое разрушение может формироваться в глубине металла, на поверхности или в местах сварных соединений.

В некоторых российских регионах сталь проходит суровое испытание холодом. Сопротивляемость холоду крайне важна для конструкций мостов, трубопроводов, в производстве спецтехники. Приведем сравнение самых популярных конструкционных сплавов с устойчивостью к морозам: 09г2с (до-70 С⁰) и 17г1с (до -40). Оба сплава выдерживают высокие температуры, что делает возможным строительство теплосетей в северных районах.

09г2с — универсальный конструкционный материал с хорошей свариваемостью, стойкостью к ударным нагрузкам, сохраняющий пластические и прочностные характеристики в любых условиях. В основном, сплав используют для изготовления сварных конструкций всех видов, производства особотолстостенного проката для нужд промышленности и судостроения.

17г1с — специальный материал для элементов и агрегатов, работающих под давлением в экстремальных условиях. Эту сталь применяют для производства паровых труб, отводов, в прокладке теплосетей и сложных промышленных систем. Основным выпускаемым полуфабрикатом является лист, также изготавливают полосы.

Свойства стали 09г2с

Марка 09г2с представляет важность в качестве основного материала для изготовления деталей и конструкций, работающих в температурном диапазоне от -70 до 425 С⁰. Большой спрос на прокат поддерживается соответствующим предложением на рынке.

Расшифровка:

09 — углерод в сотых долях процента (0,09%);
Г2 -марганец около 2% (допустимый уровень 1,3-1,7%);
С — кремний, его содержание менее 1%, поэтому цифровое обозначение отсутствует.

По составу сталь относят к малоуглеродистым низколегированным, а по строению кристаллической решетки к двухфазным ферритно-мартенситным сплавам. Химический состав утвержден регламентом ГОСТ 19281-2014, где 09г2с соответствует строительной стали С345, ГОСТ 5520-79 и 19273-82. Согласно документам, кроме основных легирующих элементов, в сплаве присутствуют небольшие присадки меди, никеля, хрома, ванадия и примеси.

Преимущества 09г2с:

Высокие механические параметры:
Срок службы достигает 30 лет;
Нет склонности к отпускной хрупкости;
Не изменяет зернистость и не теряет пластичность при сварке.

Полуфабрикаты подвергаются термоупрочнению, после чего кристаллическая решетка приобретает двухфазную структуру: прочный мартенсит и пластичный феррит. Это сочетание в 3,5 раза увеличивает предел выносливости при малоцикловых нагрузках. При высокой прочности сплав хорошо поддается обработке, при изменении терморежимов не меняет структуру зерен. Низкая углеродная составляющая обеспечивает неприхотливость к сварке: можно использовать практически любые методы и электроды.

Для изготовления деталей большого сечения необходимо увеличение прокаливаемости, для этого используют составы с максимальным содержанием хрома и марганца. При расчете экономической обоснованности проектов 09г2с привлекает внимание конструкторов невысокой стоимостью.

Свойства стали 17г1с

Стали 17г1с и 09г2с близки по химическому составу, оба сплава принадлежат к низкоуглеродистым и малолегированным, но обладают разными физико-химическими и механическими свойствами.

Расшифровка 17г1с:

17 — среднее содержание углерода (0,15 — 0,2);
Г2 — марганец чуть выше 1% (1,15-1,6);
С — кремний: 0,4-0,6.

В сравнении с 09г2с, в сплаве почти в два раза больше углерода, он обладает более высокой твердостью. Химический состав приведен в ГОСТ 19281-2014. Согласно нормативу дополнительные легирующие элементы: медь, хром, никель, ванадий в аналогичных 09г2с концентрациях. Структура преимущественно состоит из феррита и небольшого количества перлита, при термообработке формируются включения с ферритно-бейнитной структурой.

Преимущества 17г1с:

Твердость или пластичность в зависимости от режимов закалки;
Выдерживает давление терморежимах от -40 до 475 С⁰;
Простота проведения сварочных работ;
Высокая ударная вязкость в отрицательных температурах;
Трещиностойкость.

Когда характеристик сплава недостаточно, добавляют небольшие присадки кальция, титана и других металлов. Маркировка “У” обозначает “усиленная” сталь. Такой сплав обладает повышенной коррозионной стойкостью и используется для строительства магистральных газонефтепроводов. Широко применяются аналоги 17ГС и 16ГС.

Основные отличия

Сравнение сталей 09г2с и 17г1с показывает, что несмотря на сходный состав, они имеют разную структуру. Мартенситная составляющая 09г2с дает возможность выдерживать несущие нагрузки, поэтому из сплава производят опоры трубопроводов, уличные сооружения, швеллеры для обустройства проемов.

Те же химические элементы при увеличении углерода формируют ферритную структуру. Несмотря на высокую прочность, сталь не используют для изготовления несущих элементов, но она способна выдерживать значительные нагрузки при подземной прокладке трубопроводов, в системах высокого давления. Сплав также применятся для производства котлов, отводов, тройников, функционального оборудования, деталей для автомобилей.

Расшифровка и классификация марок сталей

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

Для точной расшифровки марки стали воспользуйтесь нашим марочником стали

Классификация по химическому составу

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

Углеродистые

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

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

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

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

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

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

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

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

Легированные

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

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

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

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

Также в начале маркировки могут присутствовать такие обозначения:

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

У этих марок есть ряд особенностей:

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

Классификация по назначению

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

Классификация сталей по назначению

Конструкционные

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

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

Инструментальные

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

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

Особого назначения

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

Классификация по способу раскисления

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

Для обозначения способа раскисления используют такие обозначения:

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

Кипящая

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

Спокойная

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

Полуспокойная

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

Классификация по качеству

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

Качественная

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

Нелегированные качественные стали обозначают буквой К. Например, 20К

Высококачественная

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

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

Особо качественные

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

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

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

Классификация по структуре

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

Аустенит

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

Феррит

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

Мартенсит

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

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

Перлит

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

Цементит

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

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

Классификация по способу производства

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

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

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

Таблица маркировки сталей

В таблице приведено содержание элементов в распространенных марках стали.

Углеродистая сталь марки Ст3кп — обыкновенного качества

Сталь Ст3кп для изготовления второстепенных и малонагруженных деталей и элементов сварных и несварных конструкций, работающих в интервале температур от -10 до 400 °С.

В нефтеной, нефтехимической и газовой промышленности сталь Ст3кп применяется при давлениях до 50 кГ/см 2 и рабочей температуре от -30 до +200 °С. Из этой стали изготавливают детали неогневой аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов:

реакционные камеры,
эвапораторы,
газосепараторы,
корпуса теплообменников и т.д.

Модуль нормальной упругости Е, ГПа

Химический состав, % (ГОСТ 380-94)

C углерод	Mn марганец	Si кремний	P фосфор	S сера	Cr хром	Ni никель	Cu медь	As мышьяк
C углерод	Mn марганец	не более
0,14-0,22	0,30-0,60	0,07	0,04	0,05	0,30	0,30	0,30	0,08

Химический состав, % (ГОСТ 380-2005)

Марка стали	Массовая доля химических элементов
Марка стали	углерода	марганца	кремния
Ст3кп	0,14-0,22	0,30-0,60	Не более 0,05

Массовая доля кремния в стали Ст3кп, предназначенной для изготовления сортового и фасонного проката, допускается повышение массовой доли кремния до 0,07%.
Массовая доля хрома, никеля и меди в стали Ст3кп, должна быть не более 0,30% каждого.
Массовая доля серы в стали Ст3кп, должна быть не более 0,050%, фосфора — не более 0,040%.
Массовая доля азота в стали должна быть не более:
- выплавленной в электропечах — 0,012%;
- мартеновской и конвертерной — 0,010%.
Массовая доля мышьяка должна быть не более 0,080%.

Применение стали Ст3кп для изготовления сосудов, работающих под давлением (ПБ 03-576-03)

Толщина листа не более 16 мм
Проверка механических свойств сварного соединения у каждой десятой трубы одной партии радиационным методом или ультразвуковой дефектоскопией сварного шва каждого корпуса, изготовленного из труб в соответствии с требованиями Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов ПБ 03-576-03

Нормируемые показатели стали Ст3пc по категориям проката (ГОСТ 535-2005)

Катег- ория	Химич- еский состав	Времен- ное сопротив- ление σ_в	Предел текуче- сти σ_т	Относи- тельное удли- нение δ₅	Изгиб в холо- дном сос- тоянии	Ударная вязкость
						KCU			KCV
						При темпе- ратуре, °C		После механи- ческого старения	При темпе- ратуре, °C
						+ 20	-20		+ 20	-20
1	—	+	+	+	+	—	—	—	—	—
2	+	+	+	+	+	—	—	—	—	—

Знак «+» означает, что показатель нормируется, знак «-» означает, что показатель не нормируется.
Химический состав стали по плавочному анализу или в готовом прокате — в соответствии с заказом.

Механические свойства проката при растяжении, а также условия испытаний на изгиб в холодном состоянии (ГОСТ 535-2005)

Марка стали		Ст3пс
Временное сопротивление σ_в, Н/мм 2 (кгс/мм 2 ), для проката толщин, мм	до 10 включ.	360-460 (37-47)
	св. 10

По согласованию изготовителя с потребителем допускается:
- снижение предела текучести на 10 Н/мм 2 (1 кгс/мм 2 ) для фасонного проката толщиной свыше 20 мм;
- снижение относительного удлинения на 1 % (абс.) для фасонного проката всех толщин.
Допускается превышение верхнего предела временного сопротивления на 49,0 Н/мм 2 (5 кгс/мм 2 ), а по согласованию с потребителем — без ограничения верхнего предела временного сопротивления при условии выполнения остальных норм. По требованию потребителя превышение верхнего предела временного сопротивления не допускается.

Температура критических точек, °С

Механические свойства

ГОСТ	Состояние поставки	Сечение, мм	σ_0.2, МПа	σ_в, МПа	δ₅(δ₄), %
			не менее
ГОСТ 380-94	Прокат горячекатаный	До 20	235	360-460	27
		Св. 20 до 40	225		26
		Св. 40 до 100	215		24
		Св. 100	195		24
ГОСТ 16523-89	Лист горячекатаный	До 2,0 вкл.	—	360-460	(20)
		Св. 2,0 до 3,9 вкл.			(22)
	Лист холоднокатвный	До 2,0 вкл.	—	360-460	(22)
		Св. 2,0 до 3,9 вкл.			(24)

Ударная вязкость KCU в состоянии поставки

*1 — Фасонный прокат.

tисп, °С	σ_0.2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ %
20	205	385	37	60
100	190	370	27	59
200	175	430	21	51
300	160	450	23	49
400	150	395	35	62

Примечание. Листы толщиной 12 мм в состоянии поставки (образцы поперечные); при σ_в = 380 МПа предел выносливости σ_-1 = 175 МПа.

Технологические свойства

Температура ковки, °С: начала 1300, конца 750. Охлаждение на воздухе.

Свариваемость — сваривается без ограничений; способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС и КТС. Для толщины свыше 36 мм рекомендуется подогрев и обязательная последующая термообработка.

Обрабатываемость резанием — К_{v тв.спл} = 1,8 и K_{v б.ст} = 1,6 в горячекатаном состоянии при НВ 124 и σ_в = 400 МПа.

Читайте также: