Виды сталей по химическому составу. Классификация и маркировка стали. По степени раскисления

Сталь – сплав железа, содержащий менее 2,14% углерода и другим металлические и неметаллические компоненты. Она является одним из самых распространенных материалов и самым распространенным металлическим сплавом. Сталь применяется во всех отраслях хозяйства и во всех сферах жизни человека — от иголки шитья до корпуса атомного реактора и от винтика в дверном замке до пилона моста через пролив. За время развития металлургии для различных целей были разработаны сотни различных сортов, или марок сталей. Из них широко используются 7-8 десятков, остальные служат для специальных и редких применений.

Классификации сталей

Чтобы разобраться во всем многообразии марок, металлурги применяют несколько классификаций:

Стали классифицируют:

• по химическому составу;
• по структуре;
• по назначению;
• по качеству;
• по степени раскисления.

Существуют и другие классификации, но их применение ограничивается научными и узкоспециальными областями применения.

Классификация по химическому составу

По химическому составу классификацию проводя, подразделяя на: углеродистые и легированные стали, которые, в свою очередь, подразделяются на:

Классификация по структуре

Структура стали, кроме ее химического состава, зависит от многих факторов, влиявших на нее на этапах отливки и термической обработки. Классификация по структуре после процедуры отжига, во время которого заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи, следующая:

• доэвтектоидные – с избыточными ферритовыми включениями;
• эвтектоидные – ферриты замещаются перлитами;
• заэвтектоидные – с включениями вторичных карбидов;
• ледебуритные – с включениями первичных карбидов;
• аустенитные;
• ферритные.

Классификация по степени раскисления

Процесс раскисления приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Классификация предусматривает такие классы, как:

• спокойные (сп);
• полуспокойные (пс);
• кипящие (кп).

Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si.

Классификация стали по содержанию примесей

Кроме классификации по содержанию углерода и по степени раскисления, применяется классификация по качеству, определяемому методом производства и содержанием вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора. Классификация сталей по качеству:

Группа	Сера, %	Фосфор, %
Обыкновенные (рядовые)	< 0,06	< 0,07
Качественные	< 0,04	< 0,035
Высококачественные	< 0,025	< 0,025
Особовысококачественные	< 0,015	< 0,025

В некоторых классификациях особовысококачественные включают в состав высококачественных.

Обыкновенного качества

Большую часть рядовых сталей составляют углеродистые сплавы (С < 0,6%) Их производят мартеновским способом или конвертерным с использованием кислорода. Эти виды стали предназначены для самых массовых применений, недороги в производстве, хорошо поддаются обработке, но и не обладают особой прочностью или износостойкостью.

Качественные

К качественным относятся как углеродистые, так и легированные. Также производятся мартеновским или конвертерным способом с кислородным дутьем, но к составу сырья предъявляются намного более строгие требования, чем в случае рядовых. Также строже требования к соблюдению параметров плавки и розлива. Такие группы сталей стоят дороже и применяются для более ответственных деталей, работающих в условиях серьезных нагрузок.

Высококачественные

Эта группа производится более совершенными с точки зрения технологии способами, такими, как выплавка в электропечах. Особенности технологии производства позволяют добиться особо низкого содержания вредных примесей неметаллов и газовых включений, что гарантирует высокие механические свойства. Такие стали используются в особо ответственных узлах, а стоимость их в несколько раз выше, чем обычных.

Особовысококачественные

Они завершают классификацию сталей по качеству. Их производят, переплавляя электрошлаковым способом, что дает возможность в несколько раз снизить содержание примесей. Некоторые марки по цене приближаются к драгоценным металлам, и применяют такие легированные стали в уникальных случаях — в деталях атомных реакторов, криогенных установках, оборонной и аэрокосмической отрасли и некоторых других.

Классификация стали по назначению

Следующий вид классификации сталей — по назначению:

• конструкционные;
• инструментальные;
• с особыми физико-химическими характеристиками.

Эта классификация в достаточной степени условна, в одной группе могут находиться десятки марок, а в другой — одна-две.

К тому же многие марки по своим механическим свойствам применимы и для смежных назначений. При выборе марки для конкретной конструкции или детали дизайнеры и технологи учитывают, кроме формального назначения, еще множество факторов, таких, как цена, обрабатываемость, совместимость с другими деталями по коэффициенту теплового расширения и других. Иногда конструктор применяет марку, заведомо превосходящую по своим параметрам и стоимости простую конструкционную марку, вполне подходящую для данной детали. Это допустимо в условиях уникального производства или особо малых серий, высоких транспортных расходах, и ряде других случаев. Любое такое решение должно быть оправдано с финансовой точки зрения.

Конструкционные

Конструкционные стали обыкновенного качества представляют собой одну из самых обширных групп.

Классификация предусматривает:

• строительные;
• холодной штамповки;
• цементируемые;
• улучшаемые;
• высокопрочные;
• пружинно-рессорные;
• подшипниковые;
• автоматные;
• коррозионностойкие;
• износостойкие;
• жаропрочные и жаростойкие.

Строительные

Сюда входит большое количество марок рядовых углеродистых и сплавов низкого легирования. Из таких материалов создают сложные пространственные конструкции, нагрузка в которых равномерно распределяется между всеми элементами. К каждому из них не предъявляется особых требований, кроме хорошей свариваемости.

Для холодной штамповки

В ходе холодной штамповки форма заготовки и ее размеры существенно меняются, поэтому к этой группе низкоуглеродистых качественных сплавов основное требование другое — высокая пластичность и стойкость на разрыв.

Цементируемые

Эта группа используется для производства узлов и деталей, подверженных трению и переменным периодическим нагрузкам. Процедура цементации служит для повышения стойкости поверхности к износу. В нее входят низкоуглеродистые (0,1-0,3%) и часть легированных сплавов.

Улучшаемые

Эти марки предназначены для специальных видов термообработки, таких, как закалка и отпуск, применяемых для улучшения прочностных и других механических характеристик материала. В группу входят как среднеуглеродистые, так и хромистые, в том числе с присадками бора, марганца, никеля и молибдена.

Высокопрочные

Для высокопрочных среднеуглеродистых высоколегированных сплавов специально подбирается состав и соотношение присадок, а также специфические программы термообработки. В результате металлурги достигают прочностных характеристик, в два и более раза превосходящих параметры конструкционных марок. Применяются в особо ответственных узлах.

Пружинные

Главная особенность пружинно — рессорных марок — это способность к многократным упругим деформациям без накопления эффекта усталости. Очень широко применяются на транспорте и в машиностроении, везде, где требуется амортизация, гашение колебаний или обеспечение возврата частей механизма в исходное положение после выполнения рабочего движения. Для повышения предела упругости углеродистые сплавы легируются кремнием, марганцем, бором и другими элементами.

Подшипниковые

Чтобы обеспечить требуемый ресурс эксплуатации двигателей, станков и других механизмов, использующих подшипники, изделия из сплавов этой группы должны быть высокопрочными, износостойким и выносливыми. Должны быть минимизированы посторонние включения, неоднородности, все виды пор. Содержат около одного процента углерода и 0,8-1,5% хрома, подвергаются специальному уплотнению и термообработке

Автоматные

Главный параметр для сплавов этой группы — высокая обрабатываемость, образование легко отламывающейся короткой стружки и пониженное трение меду деталью и инструментом. Их применяют для производства массовых серий крепежных компонентов на автоматизированных производственных комплексах. В состав добавляют серу, свинец, селен и теллур. Минусом становится сниженная пластичность материала.

Износостойкие

Путем добавления в сплав больших количеств марганца получают износостойкие марки стали. Их назначение — производство узлов, подверженных сильному трению, в том числе и абразивному, большим статическим и динамическим нагрузкам. Это элементы стрелок на рельсовом пути, горного оборудования, ковшей погрузчиков, гусениц.

Коррозионностойкие нержавеющие

Эти низкоуглеродистые сплавы подвергают сильному легированию хромом и марганцем. При кристаллизации хром формирует тонкий поверхностный слой окислов, защищающий деталь от воздействия химически активных сред. Такие сплавы могут эксплуатировать как в слабоагрессивных (вода, пар), так и высоко агрессивных средах (растворы кислот, щелочей, морская вода) при температурах до 60 °С

Внутри коррозионностойкой группы есть своя классификация

• Коррозионностойкие. Из них делают валы, пружины, клапаны, турбинные лопатки, выдерживающие высокие нагрузки и до 600 °С.
• Жаростойкие. Предназначены для работы в условиях высоких температур (до 1200 °С) при ограниченных нагрузках.
• Жаропрочные. Малоуглеродистые высоколегированные никелем, кремнием и другими присадками сплавы могут работать в условиях как высоких температур (до 75% от температуры плавления), так и высоких нагрузок.
• Криогенные. Сохраняют упругость и вязкость в условиях низких и особо низких температур (до -200 °С). Применяются для изготовления комплектующих промышленных и научных холодильных установок.

По своим свойствам эти материалы значительно отличаются от широко известно пищевой нержавейки, из которой делают посуду и кухонное оборудование.

Инструментальные стали

К материалам из большой и разнообразной группы инструментальных марок предъявляются специфические требования, связанные с особенностями применения производимых из них изделий. Внутри группы также есть свои подгруппы. Основные – это сплавы для:

• режущих инструментов;
• штамповые;
• валковые.

Для режущих инструментов

Главное требование к сплавам этой группы — способность сохранять заданную твердость, прочность и термостойкость при длительных механических и термических нагрузках.

Такие сплавы отличаются весьма высокой стоимостью, поэтому режущий инструмент, как правило, не делают целиком из инструментальных материалов, а используют режущие пластины или поверхности другой формы, вплавляемые или закрепляемые на основе, сделанной из конструкционных марок. Это позволяет существенно снизить стоимость и продлить срок службы инструмента

Группа также подразделяется на:

• Углеродистые инструментальные сплавы. В их состав входит от 0,5 до 1,3% углерода. Применяется для обычного режущего инструмента массового применения.
• Легированные инструментальные. Для повышения прочности и теплостойкости (до 300 °С) применяют легирующие добавки – хром, ванадий и другие от 1 до 3%. Из таких материалов делают сверла, фрезы и протяжки.
• Быстрорежущие. Применяются для высокоэффективного прогрессивного инструмента, обладающего высокой теплостойкостью — до 660 °С.

Высокая стоимость прогрессивного инструмента с лихвой окупается в общем случае повышением производительности оборудования, сокращением износа станков в расчете на одно изделие, снижением трудоемкости и повышением темпа выпуска изделий. Экономический эффект зависит от размера серии.

Стали для измерительных инструментов

Основное требование к материалам этой группы — это стабильность формы и размеров в процессе измерения и хранения.

Второе по значимости свойство — это исключительное качество поверхности, хорошая обрабатываемость и особенно шлифуемость. Разумеется, требования к износостойкости и твердости также остаются в силе. Применяют как недорогие углеродистые славы, так и легированные хромом, никелем и другими присадками. Изделия подвергают цементации и закалке для улучшения качества поверхности и повышения износостойкости. В последнее время, с развитием передовых бесконтактных способов и средств измерения, таких, как лазерные, ультразвуковые и программно-аппаратное интегрированные в обрабатывающие центры, потребность в сплавах этой группы несколько снизилась. Но они по-прежнему востребованы как на опытных производствах, так и при изготовлении и поверке тех самых прогрессивных средств измерения.

Штамповые стали

Сплавы этой группы должны отличаться особой твердостью, прокаливаемостью и термостойкостью. Главное же требование к ним — высокая износостойкость и постоянство формы изделия. Сюда входят сплавы:

• Холодной штамповки. К основным требованиям — твердости, износостойкости, стабильности формы и размеров — добавляются термостойкость и высокая вязкость, поскольку изделия работают в условиях высокого давления и ударов. Изготавливаются на основе хромосодержащих лигатур с добавлением других элементов. Многие сорта взаимозаменяемы с быстрорежущими.
• Горячей штамповки. К требованиям для сплавов холодной штамповки добавляется повышенная прочность и вязкость при сильном нагревании (до 500 °С) и высокая теплопроводность для избегания перегрева. Легируются высокими содержаниями хрома, ванадия, никеля и др.

Валковые стали

Применяются для изготовления разнообразных валков прокатных станов, ножей для резки металла, матриц и пуансонов. Применяются также для изготовления уникальных высоконагруженных узлов бумагоделательного и горного оборудования.

К ним выдвигаются следующие требования:

• Высокая прокаливаемость для достижения необходимой прочности по всей детали, достигающей иногда десятка метров. При этом закалку проводят с медленным графиком охлаждения в масле.
• Глубокая прокаливаемость. Для обеспечения постоянства размеров и формы выпускаемого проката важно, чтобы зона высокой прочности не сосредотачивалась в приповерхностном слое, а равномерно проникала по всему объему изделия, достигающего в диаметре нескольких метров, гарантируя заданную жесткость всего валка. Этого добиваются доведением углерода до 0,8%, специальным подбором лигатур (включая кремний и бор) и тщательным соблюдением программы термообработки, в особенности в части графика охлаждения.
• Высокая износостойкость. Гарантирует долгую бесперебойную работу всего прокатного стана, стабильность параметров проката и снижение расходов на внеплановый ремонт и последующую настройку оборудования.
• Достаточная контактная прочность. Значение параметра с заданным запасом должно превышать напряжения, возникающие в ходе технологического процесса, учитывая как нагрузки от веса самого оборудования, так и возникающие вследствие сопротивления прокатываемого материала.
• Минимизация собственных деформаций, нарушения соосности и коробления в ходе термообработки, а также максимально возможная стабильность формы и размеров изделия при его работе.

Завершается перечень требований приемлемой обрабатываемостью изделий и отличной шлифуемостью и полируемостью поверхностей. Это позволит получать прокат стабильно высокого качества.

Что означает маркировка стали

По маркировке стали можно легко определить ее назначение, химический состав, метод производства и некоторые другие параметры, иными словами, произвести исчерпывающую классификацию.

В Российской Федерации и странах СНГ маркировка состоит из цифровых и буквенных позиционных обозначений. На первом месте располагаются одна или две цифры, показывающие процент содержания углерода.

Если его больше одного процента, используют две цифры, если меньше — то одну, и значение показывается в десятых долях.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.

Легированные стали - это стали в состав которых помимо углерода и примесей целенаправленно вводят один или несколько легирующих элементов для обеспечения требуемой прочности, пластичности, вязкости и др. технологических и эксплутационных свойств. Легирование производится с целью изменения механических свойств (прочности, пластичности, вязкости), физических свойств (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических свойств (коррозионной стойкости).

Легирующий элемент это элемент, специально вводимый в сталь для изменения ее строения и свойств. Концентрация легирующих элементов может быть различной, в т.ч. и очень малой. Когда концентрация элемента составляет менее 0,1% легирование стали принято называть микролегированием.

Основные легирующие элементы - это хром (Cr), никель(Ni), марганец (Mn), кремний (Si), молибден (Mo), ванадий (V), бор (B), вольфрам (W), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu), ниобий (Nb), кобальт (Co).

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам: по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По качеству стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные углеродистые стали В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В.

Группа А поставляется только по механическим свойствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки.

Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются.

Стали группы В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав -- номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали - этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050--74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических включений и газов, макро- и микроструктуры.

Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. Углеродистые стали, содержащие 0,7--1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента.

По способу раскисления стали делят на три группы: кипящие (содержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке), полуспокойные (содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта -90-95%), спокойные (содержат 0,15-0,35% кремния, раскисляются кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного - около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 0 С) деформирования.

По структуре в равновесном состоянии стали, делятся на: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

Сталью именуется ковкий, деформируемый сплав железа, некоторого количества углерода (не более 2,14 %), а также незначительного количества других элементов. Именно этот материал широко применяется для изготовления самых разнообразных приборов, инструментов и строительных конструкций. Классификация и применение сталей зависят от многих факторов, которые необходимо разобрать подробнее. Изменяя химический состав этого материала за счет концентрации углерода и привнесения легирующих элементов, можно получать широкий диапазон сталей с абсолютно различными свойствами, что позволяет использовать этот материал во всех отраслях хозяйствования.

Сталь: классификация, применение, маркировка

Прежде всего стоит сказать, что сталь бывает углеродистая и легированная. Это зависит от того, были ли добавлены в сплав специальные легирующие элементы - алюминий, никель, хром, молибден, титан, бор, ванадий, марганец и другие. Все эти добавки применяются для повышения специфических свойств стали, а наилучший результат достигается комплексным легированием.

В общем случае стали классифицируют:

• по назначению;
• по качеству;
• по способу производства;
• по микроструктуре;
• по химическому составу.

Химический состав

Как уже было сказано, классификация сталей в зависимости от химсостава разделяет этот материал на две большие группы:

• легированные;
• углеродистые.

В свою очередь, каждую из этих групп можно дополнительно разделить на несколько частей. Классификация легированных сталей подразумевает наличие таких видов:

• низколегированные содержат незначительное количество (до 2,5 %) легирующих добавок;
• среднелегированные - количество дополнительных элементов не превышает 10 %;
• высоколегированные характеризуются наличием легирующих элементов в количестве более 10 %.

Можно также разделить и вторую группу. Классификация углеродистых сталей выглядит так:

• высокоуглеродистые характеризуются содержанием углерода более 0,6 %;
• среднеуглеродистые содержат от 0,25 до 0,6 % углерода;
• малоуглеродистые — до 0,25 %.

Микроструктура

В нормализованном состоянии стали бывают:

• перлитные - характеризуются низким содержанием элементов легирования и имеют после нормализации структуру: перлит, перлит + феррит, перлит + заэвтектоидный карбид;
• мартенситные - имеют пониженную критическую скорость закалки и достаточно высокое содержание легирующих элементов;
• аустенитные — повышенное содержание легирующих элементов, под влиянием которых достигается структура: аустенит, аустенит + карбид.

Классификация углеродистых сталей в отожженном состоянии:

• доэвтектоидная применяется, например, для штампов горячего деформирования;
• заэвтектоидная имеет структуру, состоящую из перлита и цементита, обычно используется для изготовления инструмента;
• карбидная (ледебуритная) — например, быстрорежущая сталь ;
• ферритная — нержавеющая, жароупорная, жаропрочная, высокохромистая стали.

Качество и способ производства

Безусловно, качество стали зависит от присутствия в ней вредных примесей в виде серы и фосфора. В зависимости от этого показателя классификация сталей выглядит так:

• обычные — серы (S) до 0,06 %, фосфора (P) до 0,07 %;
• качественные — серы до 0,04 %, а фосфора до 0,035 %;
• высококачественные — те же показатели уменьшены до 0,025 %;
• особовысококачественные — менее 0,015 % серы и до 0,025 % фосфора.

Способ изготовления стали предопределяет ее строение, состав и свойства. Так, рядовая сталь (обычная) чаще всего выплавляется в мартене или томасовских и бессемеровских конвертерах, после чего формируется в довольно крупные слитки. Такая сталь имеет повышенное количество неметаллических добавок. Высококачественные стали изготавливают более совершенными методами, например в электропечи, а особовысококачественные дополнительно очищаются от оксидов и сульфидов при помощи ЭШП — электрошлаковой переплавки. Такие стали изготавливаются исключительно легированными.

Раскисление

Также существует классификация сталей в зависимости от степени раскисления, то есть от того, какое количество кислорода было удалено в процессе изготовления. Исходя из этого параметра, стали бывают:

• кипящие — мало раскисленные, насыщенные кислородом;
• спокойные — совершенно раскисленные;
• полуспокойные — стали, в которых кислород удален частично.

Для раскисления малоуглеродистых сталей применяют алюминий, марганец и кремний. Кипящую сталь обычно раскисляют при помощи ферромарганца в полуспокойную, кроме этого, добавляют небольшое количество ферросилиция, а спокойную, кроме предыдущих компонентов, обрабатывают алюминием и силикомарганцем.

Что означает маркировка стали?

Как ни странно, но классификация марок стали довольно разнообразна, и единой мировой системы не существует. В ряде стран, в том числе и в России, принята буквенно-численная маркировка.

Качественные углеродистые стали обозначаются двузначным числом, которое указывает на количественное содержание углерода (в сотых %). Углеродистые стали маркируются литерой "У" и числом, выражающим количество углерода (в десятых %) — У9, У12 и т. д.

Буквы используются также и для обозначения основного элемента легирования, например: "П" - фосфор, "А" — азот, "T" — титан, "Б" — ниобий, "Г" — марганец, "Ю" — алюминий, "Д" — медь, "M" — молибден, "P" — бор, "К" — кобальт, "В" — вольфрам, "E" — селен, "H" — никель, "С" — кремний, "X" — хром, "Ц" — цирконий. Цифра, стоящая за буквой, характеризует количество соответствующего элемента, а та, что находится в самом начале, указывает на содержание углерода (в сотых %). Если количество последнего превышает или равно 1 %, то первоначальная цифра может не указываться вовсе.

Литера "А", стоящая в конце марки, указывает на принадлежность ее к высококачественным. Та же буква, находящаяся в середине, сообщает, что сталь легирована азотом. Если же она стоит вначале, то это говорит о том, что перед вами автоматная сталь, обладающая повышенной обрабатываемостью. Особо высококачественная сталь маркируется буквой "Ш", добавленной в конце и написанной через дефис. Марки, не содержащие букв "А" или "Ш", являются качественными.

Также существуют определенные группы сталей, дополнительно маркирующиеся буквами:

• "Е" - магнитные;
• "Э" - электротехнические;
• "Р" - быстрорежущие;
• "Ш" - шарикоподшипниковые.

Конечно, существует еще достаточно тонкостей, однако можно сказать, что российская маркировка довольно проста и понятна, в то время как обозначения, принятые в других странах, гораздо сложнее.

Не менее интересна классификация сталей по назначению, поговорим о ней подробнее.

Конструкционные стали

• Строительные — низколегированные, а также обычного качества, обладающие хорошей свариваемостью.
• Для холодной штамповки — листовой прокат из низкоуглеродистых марок нормального качества.
• Цементируемые — малоуглеродистые и некоторые легированные стали, применяемые для изготовления деталей, испытывающих динамические нагрузки и работающих с поверхностным износом.
• Улучшаемые подвергаются термообработке (закалке и высокому отпуску). Это среднеуглеродистые, хромовые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, хромокремниемарганцевые, хромистые стали с бором.
• Высокопрочные — стали, у которых при помощи термообработки и особого состава достигнут двойной предел прочности по сравнению с обычными конструкционными аналогами.
• Рессорно-пружинные могут длительное время сохранять упругость, достаточное сопротивление усталости и разрушению; к ним относят стали, легированные хромом, бором, кремнием, ванадием и марганцем.
• Шарикоподшипниковые характеризуются высокой износоустойчивостью, прочностью и выносливостью, что достигается при помощи высокого (до 1 %) содержания углерода и включения хрома.
• Автоматные применяются для производства массовых деталей, обрабатываемых при помощи станков-автоматов (болты, винты, шайбы, гайки и т. д.); для облегчения обработки в такие стали дополнительно вводится сера, свинец, теллур и селен, что приводит к получению ломкой короткой стружки и снижает трение.
• Коррозионно-стойкие — высокохромистые стали с содержанием никеля; чем больше в них хрома, тем более выражена стойкость к коррозии, при этом содержание углерода должно быть минимальным.
• Износостойкие используются в местах абразивного трения, ударов и высокого давления, например ковш экскаватора либо гусеницы трактора.

Инструментальные стали

Классификация сталей инструментального назначения также может быть представлена несколькими пунктами:

• для режущих инструментов применяются углеродистые, легированные и быстрорежущие стали;
• для измерительных инструментов материал должен, прежде всего, обладать постоянством размеров, шлифоваться, иметь достаточную твердость и износостойкость; для получения таких характеристик инструментальную сталь часто подвергают закалке и цементизации;
• штамповые стали должны обладать достаточной износостойкостью, твердостью, теплостойкостью и прокаливаемостью; эту группу также можно дополнительно разделить на стали для холодной, горячей штамповки и валковые стали.

Стали с особенными химическими и физическими свойствами

Кроме всех вышеперечисленных, существуют также марки сталей с особыми свойствами:

• электротехническая сталь — сплав железа и кремния, иногда легированный алюминием; применяется при производстве магнитопроводов разнообразного электротехнического оборудования;
• суперинвар — сплав железа, никеля и кобальта, применяемый при изготовлении высокоточного оборудования;
• жаростойкая — обладает повышенной стойкостью против разрушения при температурах от 900 °C, легируется алюминием, кремнием, никелем;
• жаропрочная — применяется для изготовления деталей газотурбинных установок, такие стали призваны работать в нагруженном состоянии при высокой температуре в течение некоторого времени.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по выполнению практических работ

для студентов направления 130400 «Горное дело»

заочной формы обучения

Магнитогорск

Составители:

Е.П. Кашапова

Учебно-методическое пособие для выполнения практических работ по курсу "Материаловедение и технология конструкционных материалов" для студентов направления 130400 «Горное дело». Магнитогорск: МГТУ, 2016. 36 с.

Рецензент: Орехова Н.Н.

ã Кашапова Е.П.

Магнитогорский государственный

технический университет

им. Г.И. Носова, 2016

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Термины и определения

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом при содержании углерода от 0,02 до 2,14 %.

Стали кипящие - стали, раскисленные в процессе кристаллизации (в слитке) марганцем и почти не содержащие кремния (менее 0,05 %).

Стали полуспокойные - стали, раскисленные в ходе плавки марганцем и в конце плавки алюминием.

Стали спокойные - стали, раскисленные в ходе плавки марганцем, кремнием и алюминием. По качеству выше кипящей и полуспокойной.

Стали быстрорежущие - высоколегированные инструменталь­ные стали, содержащие вольфрам, молибден, ванадий, хром, обладающие высокой теплостойкостью и твердостью.

Стали жаропрочные - легированные стали, способные работать под нагрузкой при температурах выше 450 °С в течение определенного времени. Критерием жаропрочности является предел ползучести.

Стали жаростойкие (окалиностойкие) - стали, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности (образо­вания окалины) во время работы при повышенных температурах в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Стали инструментальные - стали, предназначенные для изготовления режущего и штампового инструмента. Их делят на углеродистые (У7, У12) и легированные.

Стали коррозионно-стойкие (нержавеющие) - устойчивые против химической и электрохимической коррозии стали, содержащие от 13 % хрома и других легирующих элементов.

Стали теплоустойчивые - стали, способные противостоять циклическому температурному воздействию без разрушения.

Стали легированные - стали, в состав которых вводят легирующие элементы (никель, хром, кремний, марганец, вольфрам, молибден, титан, бор и др.) с целью получения определенных свойств.

Цель практической работы - изучить принципы обозначения марок сталей и сплавов на основе железа и научиться читать маркировку.

Стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов, инструментов, оснастки и оборудования, необходимых для технологического процесса их производства.

Единой мировой системы маркировки сталей не существует. В США применяется сразу несколько систем AISI, ASTM, UNS. В Европе используют DIN, ECISS, EN. В России и других странах СНГ применяют самую совершенную систему обозначения марок стали, разработанную в СССР.

Маркировка стали зависит от её металлургического качества, назначения и химического состава.

Металлургическое качество стали зависит от её чистоты по вредным примесям (сере S и фосфору P) и неметаллическим включениям.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируются по содержанию углерода, структуре в равновесном состоянии, способу производства, степени раскисления и характеру затвердевания, качеству и назначению.

· низкоуглеродистые (<0,25% C);

· среднеуглеродистые (0,25-0,6% C);

· высокоуглеродистые (>0,6%C).

По структуре в равновесном состоянии:

· доэвтектоидные – структура феррит и перлит;

· эвтектоидные – структура перлит;

· заэвтектоидные – структура перлит и цементит вторичный.

По способу производства:

· мартеновские;

· конвертерные;

· электростали.

По степени раскисления и характеру затвердевания:

· спокойные;

· полуспокойные;

· кипящие.

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения.

Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде CO. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипящей стали. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

По качеству стали:

· обыкновенного качества (содержат до 0,055%S и 0,060% Р);

· качественные (не более 0,04%S и 0,035%P);

· высококачественные (не более 0,025%S и 0,025%P).

Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологические характеристики зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей − серы, фосфора. Газы являются скрытыми, трудно определяемыми примесями, поэтому количество вредных примесей служит основным показателем для разделения сталей по качеству.

По назначению :

· конструкционные;

· инструментальные;

· специальные.

Конструкционные стали − наиболее обширная группа. Предназначены для изготовления строительных сооружений, деталей машин и конструкций, к ним относятся: цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные.

Инструментальные стали − для режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего (до 200°С) деформирования.

Специальные стали предназначены для изготовления конкретного вида изделия.

2. Маркировка стали обыкновенного качества

Маркировка и общие требования стали обыкновенного качества регламентированы ГОСТ 380-94. Применяются стали для изготовления конструкционных деталей неответственного назначения (несущие конструкции, корпусные детали, панели).

В зависимости от назначения стали подразделяют на три группы:

А – поставляемую с гарантированными механическими свойствами;

Б – поставляемую с гарантированным химическим составом;

В – поставляемую с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Стали выплавляются следующих марок:

группы А – Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;

группы Б – БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;

группы В – ВСт0, ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

Сочетанием букв Ст в марке обозначают «Сталь обыкновенного качества»; цифра после Ст - условный номер марки (от 0 до 6), в зависимости от химического состава стали; маленькие буквы в конце марки - степень раскисления («кп» - кипящая; «пс» - полуспокойная; «сп» - спокойная). Иногда перед индексом раскисления может стоять буква Г, означающая легирование стали марганцем до 1,5 % (другие легирующие добавки в сталях обыкновенного качества не используют). Стали группы Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют. Категории нормируемых свойств (кроме категории 1) указывают цифрой после индекса раскисления.

Примеры . Ст2кп 2 – сталь обыкновенного качества (неверно говорить - обычного!) группы А (поставляется с гарантированными механическими свойствами), номер марки – 2, кипящая, второй категории;

БСт4сп3 – сталь обыкновенного качества группы Б (поставляется с гарантированным химическим составом), номер марки – 4, спокойная, третьей категории.

Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не предполагает горячую обработку.. Химический состав этой группы сталей колеблется в широких пределах. Их применяют для изготовления металлоконструкций в строительстве.

Стали группы Б применяются для изделий, в технологии которых входит горячая обработка (ковка, сварка, термическая обработка). Исходная структура и механические свойства в этом случае не сохраняются.

Стали группы В применяются для ответственных деталей, сварных конструкций. Важно знать исходные механические свойства, так как они сохраняются на участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе.

3. Маркировка качественной стали

Этот класс сталей отличается более высокой надёжностью, чем сталь обыкновенного качества, и в отличие от высококачественной имеет умеренную цену, поэтому получил наиболее широкое применение в машиностроении.

Качественную сталь маркируют содержанием углерода и легирующих элементов. Обычно в стандарте на качественную сталь приводят варианты рекомендуемых режимов её термической обработки и получаемые при этом механические свойства.

Качественная конструкционная сталь маркируется содержанием углерода, указанным в сотых долях весового процента (обычно указывают значение, соответствующее середине марочного интервала). Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие - с индексом «пс» и «кп» соответственно.

Примеры . Сталь 08кп - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,08 % углерода, кипящая.

Сталь 80 - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,80 % углерода.

Качественная инструментальная сталь маркируется содержанием углерода, указанным в десятых долях процента (обычно указывают значение, соответствующее середине марочного интервала). Углеродистая (нелегированная) инструментальная сталь дополнительно маркируется буквой У, которая ставится перед числом, обозначающим содержание углерода.

Примеры. Сталь У 8 - сталь качественная инструментальная с содержанием 0,8 % углерода, кипящая.

Сталь У13 - сталь качественная инструментальная с содержанием 1,3 % углерода.

Иногда трудно различить по назначению легированные стали со сходной маркой. Обычно предельное содержание углерода в инструментальных сталях не превышает 1,3 %. Такие высокоуглеродистые инструментальные стали обычно легируют только хромом.

Пример. Сталь 11Х, сталь 13Х - качественные инструментальные стали, легированные хромом до 1 % с содержанием углерода 1,1 и 1,3 %, соответственно.

В некоторых марках легированной инструментальной стали в начале марки может быть не указано содержание углерода. В этом случае содержание углерода до 1 %. Это ещё один признак инструментальной стали.

Пример. Сталь Х - сталь качественная инструментальная с содержанием до 1 % углерода, до 1 % хрома.

Содержание легирующих добавок в качественных легированных сталях (и конструкционных, и инструментальных) указывается русской прописной «звучащей» буквой, обозначающей элемент (табл. 1), и стоящим после буквы числом, указывающим содержание вещества в весовых процентах (обычно указывают значение, соответствующее середине марочного интервала). Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, число не стоит - его содержание до 1 %.

Исключением являются подшипниковые стали типа ШХ15, в которых содержание хрома указано в десятых долях % (1,5 % Cr).

Таблица 1. Маркировка легированных сталей

А	А	А	Б
(внутри марки)	(в начале марки)	(в конце марки)	ниобий
азот	автоматная	высококачественная
В	Г	Д	Е
вольфрам	марганец	медь	селен
К	Л	М	Н
кобальт	(в конце марки)	молибден	никель
	литейная
П	Р	Р	С
ф(пх)осфор	(внутри марки)	(в начале марки)	силиций
	бор	рапидная(вольфрам)	(кремний)
Т	У	Ф	Х
титан	углеродистая	в(ф)анадий	хром
	инструментальная
Ц	Ч	Ш	Ю
цирконий	ц(ч)ерий	шарикоподшип-	алюминий
		никовая сталь

В зависимости от основных легирующих элементов стали делятся на группы:

– хромистая – 15Х, 15ХА, 30ХРА, 40Х, 45Х и др.;

– марганцовистая – 15Г, 15Г2, 10Г2, 45Г, 50Г2 и др.;

– хромомарганцовистая – 15ХГ, 18ХГТ, 20ХГМ, 25ХГМ, 35ХГФ и др.;

– хромоникелевая – 20ХН, 20ХНР, 20ХНЗА, 12ХНЗ, 45ХН и др.;

– хромокремистая – 33 ХС, 40ХС и др.;

– хромомолибденовая, хромованадиевая, хромоалюминиевая – 15ХМ, 4ХМФА, 30Х3МФ, 35ХФМА, 35ХМ10А и др.

Всего стандартизировано до 100 марок легированных сталей.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) различают стали:

– качественные (12ХНЗ), S и P <0,35%;

– высококачественные (30ХГСА) – индекс А в конце марки, S и P <0,025%;

– особо высококачественные, в конце маркировки стали ставится буква Д – полученная электродуговым переплавом, в конце марки стали ставится буква Ш – полученная электрошлаковым способом (12Х18Н9Т-Д, ШХ15СГ-Ш).

Индекс Ч в конце марки стали указывает на то, что сталь легирована редкоземельными элементами (титан, ниобий, цирконий, кальций) – эти стали применяются в нефтегазовой промышленности.

Буква А в начале марки означает, что сталь автоматная, то есть повышенной обрабатываемости резанием на станках автоматах (ГОСТ 1414-75)- АС35Г2,АС30М.

Буква Л в конце марки обозначает, что сталь предназначена для изготовления деталей литьем (ГОСТ 977-88)- 30 ГСЛ.

Индекс Ш в начале марки стали – сталь шарикоподшипниковая (ШХ9) ГОСТ 801-78. Хром представлен в десятых долях процента – 0,9% Cr.

Цифры, стоящие перед маркировкой стали означают :

– две цифры – содержание углерода в сотых долях процента;

– одна цифра – содержание углерода в десятых долях процента;

– цифры отсутствуют – содержание углерода до одного процента.

Примеры. Сталь 10ХСНД - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,10 % углерода, хрома, кремния, никеля, меди до 1 % каждого.

Сталь 18Г2АФ - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,18 % углерода, марганца 2 %, азота, ванадия до 1 % каждого.

Сталь 9ХС - сталь качественная инструментальная с содержанием 0,9 % углерода, хрома и кремния до 1 % каждого.

Сталь ХГ2ВМ - сталь качественная инструментальная с содержанием до 1 % углерода, марганца 2 %, вольфрама и молибдена до 1 % каждого.

Для достижения жаропрочности стали легируют хромом, никелем и другими карбидообразующими элементами Mo, V, W, Nb, Si, Ti, Al. Стали 12Х1МФ, 12Х2МФСР сохраняют прочность до температуры 500С; сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС;с карбидным упрочнением жаропрочна до 700С..

Стали для работы при низких температурах

Для крупных конструкций используются свариваемые низколегированные стали 9Г2С, 14Г2АФ. Для изделий, работающих при температуре до -50С - улучшаемые стали 40Х, 65Г, 60С2А.

Высокую хладостойкость имеют стали, легированные никелем: 03Х9К14Н6М3Т. Их используют в изделиях, работающих до температуры – 196С и относящихся к авиационной, ракетной и космической технике.

Износостойкие стали обладают высоким сопротивлением к силам трения в условиях действия больших контактных давлений и ударных нагрузок.. Это рабочие элементы дробилок, мельниц, насосов, смесителей.

Сталь 110Г13Л с плохой обрабатываемостью резанием предусматривает получение деталей литьем, для тяжелых условий абразивно-ударного изнашивания, крестовин железнодорожных стрелок, щек дробилок, траков гусеничных машин, ножей отвалов бульдозера, черпалок землеройных м-шин.

Стали марок 08Х18Н9Т, 30Х10Г10, 08Х14Г12, 08Х14АГ12М применяются для деталей гидротурбин и гидронасосов, работающих в условиях эрозийного износа.

Для изготовления подшипников качения разработана группа специальных шарикоподшипниковых сталей , которые обозначают буквой Ш в начале марки. Высокие требования к чистоте по вредным примесям в этих сталях относят их к категории высококачественных. В таких сталях содержание хрома указано в марке в десятых долях процента (сталь ШХ4, ШХ15, ШХ20СГ).

Пружинно – рессорные стали общего назначения применяются для изготовления силовых, жестких, упругих элементов, которые должны иметь минимальную упругую деформацию.

Стали 50ХГ, 55ХГР, 55С2, 60С2, 60СГА применяют для изготовления рессор автомобилей, пружин железнодорожного транспорта.

Сталь 50ХФА – пружины ответственного назначения.

Сталь 55ХГСФ – пружины станков и прессов.

Стали 60С2ХФА, 65С2ВА – пружины станков и прессов, работающих до температуры 250С.

45ХНМФА – клеммовые пружины и торсионные валы.

При высокоскоростном резании металлов широко применяют так называемые быстрорежущие (рапидные) стали. Они маркируются буквой Р в начале марки. Число, стоящее после этой буквы, обозначает содержание вольфрама в процентах. Обычно кроме вольфрама эти стали легированы 4 % хрома и 1 % ванадия (старое название - сталь 18-4-1), но указывать их в характеристике стали не надо.

Пример. Сталь Р18 - высококачественная быстрорежущая инструментальная сталь; содержание углерода до 1 %, 18 % вольфрама.

Сплавы высокой стойкости против коррозии:

08Х22Н6Т – камеры сгорания и другие конструктивные элементы газовых турбин, сварных корпусов, днищ, фланцев, деталей внутренних устройств аппаратов, турбинных дисков, работающих при температурах от -10 до +300С, под давлением и в агрессивной среде;

06ХН28МДТ, 03ХН28МДТ – сварные конструкции, работающие при температурах до +80С в серной кислоте различных концентраций;

Н70М20 – сварные конструкции, работающие в среде соляной и фосфорной кислот, а также в серной кислоте с концентрацией до 60%.

4. Маркировка высококачественной стали

Стали этого класса обладают большой надёжностью, сочетанием высокой прочности и стойкости против хрупкого разрушения, комплексом специальных свойств. Это достигается жёстким контролем чистоты материала по вредным примесям и введением большого количества легирующих добавок. Они применяются для изготовления ответственных деталей, работающих в жестких условиях эксплуатации.

Маркировка высококачественных сталей похожа на качественные.

На высокое качество стали указывает буква А в конце марки или высокое суммарное содержание легирующих элементов (более 8-10 %). Высоколегированная сталь - высококачественная.

Примечание: если в марке стали очень много букв, обозначающих легирующие элементы, содержание которых до 1 %, - это качественная сталь (экономно легированная сталь 12ГН2МФАЮ).

Примеры. Сталь 90Х4М4Ф2В6Л - сталь высококачественная конструкционная с содержанием 0,90 % углерода, 4 % хрома, 4 % молибдена, 2 % ванадия, 6 % вольфрама, литейная.

Сталь 18Х2Н4ВА - сталь высококачественная конструкционная с содержанием 0,18 % углерода, хрома 2 %, никеля 4 %, вольфрама до 1 %.

Сталь Р18К5Ф2 - сталь высококачественная быстрорежущая инструментальная с содержанием углерода до 1 %, 18 % вольфрама, 5 % кобальта, 2 % ванадия.

Сталь 9Х18 - сталь высококачественная инструментальная с содержанием 0,9 % углерода, 18 % хрома.

5. Маркировка особо высококачественной стали

Для получения самого высокого комплекса различных свойств сталь выплавляют из чистых шихтовых материалов в вакуумно-индукционной печи (ВИП или ВИ). Другой способ - дополнительная очистка для максимального удаления вредных примесей - переплав. Существуют различные методы рафинирования стали: обработка расплавленной стали синтетическим шлаком (СШ), вакуумно-дуговой переплав (ВДП или ВД), электрошлаковый переплав (ЭШП или Ш) или их сочетание (ШД), электронно-лучевой переплав (ЭЛП) и плазменно-дуговой переплав (ПДП).

В марке особо высококачественной стали после обозначения химического состава через тире указывают тип выплавки или переплава.

Примеры. Сталь 01Х25-ВИ - сталь особо высококачественная с содержанием 0,01 % углерода, 25 % хрома, вакуумно- индукционной выплавки. Сталь ШХ15-ШД - сталь особо высококачественная подшипниковая с содержанием углерода до 1 %, хрома 1,5 % после электрошлакового переплава с последующим вакуумно-дуговым переплавом.

6. Маркировка специальных сталей

6.1 Автоматные стали

Автоматная сталь (ГОСТ 1414-75) предназначена для изготовления мелких винтов, гаек, шпилек и других конструкционных деталей неответственного назначения или работающих без ударных нагрузок. Автоматные стали хорошо обрабатываются на металлорежущих станках – автоматах за счет повышенного содержания серы и фосфора.

Добавление в автоматные стали свинца, селена, теллура позволяет в 2-3 раза сократить расход режущего инструмента, а производительность обработки повышается на 30%. Улучшение обрабатываемости достигается модифицированием кальцием, который скругляет сульфидные включения, что положительно влияет на обрабатываемость.

Марки автоматных сталей обозначают буквой А и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, легирующие элементы обозначают буквами: Г-марганец, Е-селен, или теллур, С-свинец,Ц-кальций.

Для автоматной стали металлургическое качество не указывают!

Примеры. Сталь А11 - сталь автоматная с содержанием 0,11 % углерода. Сталь АСЦ30ХМ - сталь автоматная, легированная свинцом и кальцием с содержанием 0,30 % углерода, хрома и молибдена до 1 % каждого.

Литейные стали

Литейные стали выплавляются в соответствии с ГОСТ 977-88. Маркируются они так же, как и качественные конструкционные стали, но с добавлением буквы Л в конце марки. Они содержат до 0,9%Mn, до 0,52%Si и не более 0,06%S и 0,08%P.

Пример Сталь 15Л – сталь литейная с содержанием углерода 0,15%.

Низкоуглеродистые литейные стали применяют для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам – арматуры, деталей сварно-литых конструкций. Среднеуглеродистые стали используют для отливки станин и валков прокатных станов, крупных шестерен.

Арматурные стали

Для армирования железобетонных конструкций применяют прутки (гладкие и периодического профиля) и проволоку. В предварительно напряженной железобетонной конструкции, то есть когда бетон сжат вложенными в конструкцию стальными стержнями, металл испытывает значительные напряжения. В таких конструкциях применяют высокопрочные стальные стержни или проволоку

Арматурная сталь делится на классы по прочности в соответствии с ГОСТ 5781-82. Маркируется арматурная сталь буквой А, за которой следует римская цифра, показывающая класс по прочности (от А-I до A-VIII).

Пример сталь А-III – сталь арматурная, III класс по прочности.

Арматурную сталь классов А-I, А-II, А-III применяют для ненапряжен-ных конструкций, а сталь более высоких классов - для предварительно напряженных конструкций. Свойства, соответствующие классам А-IV ,А-V , могут быть получены в углеродистых сталях марок Ст5, Ст6 после упрочняющей термической обработки (закалка в воде и отпуск при 400°С). Арматура более высоких классов (А-VI - A-VIII) изготовляется с применением упрочняющей термической обработки.

Котельные стали

Сталь для изготовления деталей котлостроения должна выдерживать температуры до 450°С и значительное давление. Котельные стали поставляются в соответствии с ГОСТ 5520-79 в виде толстых листов. Они маркируются сочетанием цифр, указывающих содержание углерода в сотых долях процента и буквой К, следующей за цифрами.

Пример Сталь 15К – сталь котельная с содержанием углерода в среднем 0,15%.

Котельные стали марок 12К, 16К, 18К используются для изготовления деталей, частей котлов и сосудов, работающих под давлением при комнатной, повышенных и криогенных температурах.

Стали марок 15К, 20К, 22К идут на изготовление днищ, фланцев цельнокованных, сварных барабанов паровых котлов, полумуфт, патрубков и других деталей, работающих при температурах от -40 до +450°С под давлением.

Мостовые стали

Мостовая сталь предназначена для изготовления пролетных строений мостовых конструкций. Поставляется листовая, широкополосная, фасонная и сортовая. В мостостроении допускается использовать только спокойную сталь.

Сталь выплавляется двух марок:

– М16С – для сварных мостовых конструкций. В маркировке буква М показывает, что сталь мостовая, цифра показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква С, что сталь подвергается сварке.

– Ст3 мост. – для клепаных конструкций. Цифра в марке означает номер группы механических свойств стали.

Сталь М16С дополнительно раскисляется алюминием, а содержание в ней хрома, никеля и меди не должно превышать 0,3% каждого. Сталь испытывается на изгиб на 180° в холодном состоянии и на ударную вязкость при температуре +20° и -20°С. Сталь М16С, идущая на изготовление ответственных сварных кон-струкций, оценивается на чувствительность к старению. Предъявляются высокие требования к качеству проката. На кромках листов и полос не должно быть расслоений, а заварка и заделка дефектов не допускаются.

Рельсовая сталь

Материалом для рельсов служит специальная рельсовая сталь. Рельсы изготавливают двух групп:

1-я группа – из спокойной мартеновской стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителями без применения алюминия или других раскислителей;

2-я группа – из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганцем.

Рельсовые стали маркируются буквой М, которая указывает мартеновский способ выплавки, за которой следует цифра, указывающая содержание углерода в сотых долях процента. Буквы В, Т, Ц указывают повышенное содержание ванадия, титана, цирко-ния. Массовая доля ванадия в рельсовой стали колеблется от 0,01 до 0,07 %, титана от 0,005-0,02, циркония 0,001-0,050%.

Пример : М76ВТ– сталь рельсовая, мартеновского способа выплавки, с содержанием 0,76 % углерода, повышенным содержанием ванадия и титана.

Сталь марок М76, М76Т, М76ВТ, М76Ц, М74Т, М74Ц выпускают для изготовления первой группы рельсов типа Р75, Р65, Р50; для второй группы рельсов используют стали марок М76, М74.

Условия эксплуатации рельсов на дорогах Сибири вдвое тяжелее, чем в европейской части России. Созданы рельсы низкотемпературной надежности Р65, объемно-закаленные 1-й группы, выплавляемые из ванадий - ниобий - борсодержащей стали. Для этих рельсов используется электросталь, выплавка которой производится в дуговых печах. При температуре -60°С рельсы из электростали

выдерживают ударные нагрузки вдвое больше, чем рельсы из

мартеновской стали.

Примерное назначение сталей

Таблица 2. Примерное назначение конструкционных сталей

Марка	Назначение
Ст1, Ст2	Неответственные корпусные детали (получаемые глубокой вытяжкой или сваркой)
Ст3пс, Ст3кп	Гнутые профили с толщиной листа 1.9 мм, уголки
Ст5пс, Ст5сп	Болты, гайки, ручки, штыри, тяги и др.
08кп, 10	Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой (сложные корпуса, несущие конструкции)
30, 35	Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звёздочки, диски, валы)
40, 45	Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые и распредвалы, шатуны, зубчатые венцы)
50, 55	Зубчатые колёса, прокатные валки, штоки, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры
60, 70, 80	Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (шпиндели, пружинные кольца)
10ХСНД, 09Г2СЮч	Для деталей ответственных сварных конструкций повышенной прочности
09Г2, 09Г2С	Для деталей сварных конструкций
15Х, 15ХФ	Хорошо цементуется. Валы распределительные, толкатели, мелкие детали, работающие в условиях износа при трении
18ХГТ, 20ХГР	Для цементуемых деталей, работающих на больших скоростях при высоких давлениях и ударных нагрузках (зубчатые колёса, шпиндели, кулачковые муфты, втулки и др.)
40Х, 45Х, 50Х	Улучшаемая сталь. Для деталей, работающих на средних скоростях и давлениях (зубчатые колёса, шпиндели в подшипниках качения, червячные валы)
45ХН, 50ХН	Аналогично применению стали 40Х, но для деталей больших размеров

Продолжение таблицы 2

Таблица 3. Примерное назначение инструментальных сталей

Марка	Назначение
У7, У7А	Для слесарно-монтажных инструментов - молотков, кувалд, бородок, отвёрток, плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.
У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А	Для изготовления инструментов, работающих без разогрева режущей кромки. Для калибров простой формы и пониженных классов точности. Для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, мелких конструкционных деталей, в том числе для часов
У10, У10А, У11, У11 А	Для штампов холодной штамповки небольших размеров и без резких переходов по сечению. Для калибров простой формы и пониженных классов точности. Для накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др.
У13, У13А	Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов
Х, 9Х18	Измерительные инструменты
ХВГ, Х12М, Х12Ф1	Штампы для холодной штамповки, валки для накатки резьбы

Продолжение таблицы 3

Таблица 4. Назначение коррозионностойких сталей и сплавов

Марка	Назначение
20Х13, 08Х13, 25Х13Н2	Для деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам и работающих в слабоагрессивных средах. Мартенситная сталь
14X17H2, 12Х13	Для различных деталей химической и авиационной промышленности. Феррито-мартенситная сталь
95Х18	Для деталей высокой твёрдости, работающих в условиях износа. Мартенситная сталь
09Х15Н8Ю, 07X16H6	Для высокопрочных изделий, упругих элементов
08X10H20T2	Немагнитная сталь для деталей, работающих в морской воде, аустенитная немагнитная
03Х13АГ19	Для деталей, работающих в слабоагрессивных средах, а также при температурах до -196 °С
12Х18Н10Т, 03Х18Н12	Для сварных конструкций в разных отраслях промышленности, аустенитная немагнитная
15Х18Н12С4Ю	Для сварных изделий, работающих в воздушной и агрессивной средах, в концентрированной азотной кислоте

Дать характеристику стали (варианты заданий в табл. 5), указать:

· металлургическое качество стали;

• назначение стали;

· химический состав стали по марке.

Примерное назначение различных марок сталей представлено в табл. 2 - 4.

Практическое задание следует представить в виде таблицы 6

Таблица 5 Варианты заданий

Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3	Вариант 4
Ст3Гпс	Ст3кп	Ст2кп	Ст6сп
20ХР	50Г2	38ХМЮА	40ХФА
12ХГНФАЮ	15Г2СФ	16Г2АФпс	12Г2СМФ
2Х13В8К10	5ХНМ	2Х12В3МФ	6ХНФ
Р6М5	Р12	Р7Т	Р9
14Х17Н2	07Х13АГ20	08Х21Н6М2Т	09Х15Н8Ю
М76	М16С	20К	А-II
А40Г	15К	Ст3мост	15Л
12К	М76ВТ	А-I	М74
Вариант 5	Вариант 6	Вариант 7	Вариант 8
Ст1 сп	Ст6пс	Ст5сп	Ст4пс
50ХГ	20ХГР	50ХГА	45ХН
15ХГ2СФР	14ХГНСФР	12ХГ2СМФ	12ХГНФАЮ
9ХФ	8Х4В4Ф	4Х5В4ФСМ	2Х12В7К5
Р6М3	Р9М4	Р12М3	Р18Ф2
14Х18Н4Г4Л	12Х18Н12БЛ	31Х19Н9МВБТ	15Х23Н18Л
А-III	У9А	М74Ц	БСт5 пс
М76Т	А-IV ,	40Г	М76Т
АС35Е	А20	У13	А-V

Вариант 9	Вариант 10	Вариант 11	Вариант 12
Ст1 сп	Ст4пс	Ст5Гпс	Ст6пс
60C2XA	40ХН3А	18ХГТ	40ХС
15ГСМХР	14Х2ГМР	14ГНФБАЮ	09Г2СЮЧ
ХГ3М	У11А	4ХНМ	4Х13
Р14Ф4	Р9Ф5	Р6М5Ф3	Р5М4Ф4
12Х18Н12М3Т	12Х25Н5ТМФЛ	120Г10ФЛ	20Х21Н46В8РЛ
М74Ц	М16С	50Л	А20
А11	А-VI	АС14	Ст3мост
15Л	22К	18К	A-VIII
Вариант 13	Вариант 14	Вариант 15	Вариант 16
Ст2сп	Ст3пс	Ст4пс	Ст3сп
50ХН		50ХФА
10ХСНД	15ХСНД	15ГФ	09Г2С
Х6ВФ	9Г2Ф	ХВГ	ХВСГ
Р18Ф3	Р14Ф4	Р9Ф5	Р12Ф3
10Х18Н11БЛ	110Г13ФТЛ	110Г13Х2БРЛ	15Х18Н22В6М2 Р
А30	А-II	У8	16К
22К	У7А	А-I	ВСт2пс
15Л	А30	50Л	У13А
Вариант 17	Вариант 18	Вариант 19	Вариант 20
Ст5пс	Ст3кп	Ст3Гсп	Ст6пс
60C2H2A	70С2ХА	70СЗА	65ГС
15Г2АФДпс	12ГН2МФАЮ	12Г2АМФ	15ХСНД
У10А	Х12Ф1	6Х2С	9ХВФ
Р9К10	Р18К5Ф2	Р10К5Ф5	Р12Ф4К5
10Х18Н9Л	10Х18Н3Г3Д2Л	130Г14ХМФАЛ	15Х18Н22В6М2
БСт4сп3	А-IV	ВСт3Гсп2	20К
22К	15К	У10	A-VIII
40Г	М76Т	М74Ц	М16С

Таблица 6 Расшифровка марок сплавов

Пример заполнения таблицы 6

По прочностным свойствам стали условно делят на три груп­пы: обычной прочности (s y < 29 кН/см 2); повышенной прочности (29 кН/см 2 ≤ s y < 40 кН/см 2); высокой прочности (s y ≥ 40 кН/см 2). Повышение прочности стали достигается легированием и терми­ческой обработкой.

Стали обычной прочности (s y < 29 кН/см 2). К этой группе отно­сят низкоуглеродистые стали (С235...С285) различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии. Обладая отно­сительно небольшой прочностью, эти стали очень пластичны: протяженность площадки текучести составляет 2,5 % и более, соотношения s y / s u 0,6...0,7. Хорошая свариваемость обес­печивается низким содержанием углерода (не более 0,22 %) и крем­ния. Коррозионная стойкость - средняя, поэтому конструкции, вы­полненные из сталей обычной прочности, следует защищать с по­мощью лакокрасочных и других покрытий. Однако благодаря невысокой стоимости и хорошим технологическим свойствам стали обычной прочности очень широко применяют для строительных ме­таллических конструкций. Потребление этих сталей составляет свы­ше 50% от общего объема. Недостатком низкоуглеродистых сталей является склонность к хрупкому разрушению при низких температу­рах (особенно для кипящей стали С235), поэтому их применение в конструкциях, эксплуатирующихся при низких отрицательных тем­пературах, ограничено.

Стали повышенной прочности (29 кН/см 2 ≤ s y < 40 кН/см 2). Ста­ли повышенной прочности (С345...С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих добавок (в основном марганца и кремния, реже никеля и хрома), либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С345Т). Пластичность стали при этом несколько снижается и протяженность площадки текучести уменьшается до 1...1,5%.

Стали повышенной прочности хуже свариваются (особенно стали с высоким содержанием кремния) и требуют иногда использования специальных технологических мероприятий для пре­дотвращения образования горячих трещин.

По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы близки к малоуглеродистым сталям. Более высокой коррозионной стойкостью обладают стали с повышенным содержанием меди (С345Д, С375Д, С390Д).

Высокое значение ударной вязкости сохраняется при температу­ре -40°С и ниже, что позволяет использовать эти стали для конст­рукций, эксплуатируемых в северных районах. За счет более высоких прочностных свойств применение сталей повышенной прочности приводит к экономии металла до 20...25%.

Стали высокой прочности (s y ≥ 40 кН/см 2). Прокат из стали вы­сокой прочности (С440...С590) получают леги­рованием и термической обработкой. Для легирования используют нитридообразующие элементы, способствующие образованию мел­козернистой структуры.

Стали высокой прочности могут не иметь площадки текучести (при s y ≥ 50 кН/см 2), и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже. Отношение s y / s u увеличивается до 0,8...0,9, что не позволяет учитывать при расчете конструкций из этих сталей пластические деформации.

Подбирая химический состав и режим термообработки, можно значительно повысить сопротивление хрупкому разрушению и обеспечить высокую ударную вязкость при температурах до - 70°С. Однако высокая прочность и низкая пластичность сталей требуют более мощного оборудования для резки, правки, сверления и других операций.

При сварке термообработанных сталей вследствие неравномер­ного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соеди­нения происходят различные структурные превращения. На одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной прочностью и хрупкостью (жесткие прослойки), на других ме­талл подвергается высокому отпуску и имеет пониженную прочность и высокую пластичность (мягкие прослойки).

Разупрочнение стали в околошовной зоне может достигать 5...30 %, что необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей. Эффект разупрочнения снижает введение в состав стали некоторых карбидообразующих элемен­тов (молибден, ванадий).

Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла до 25...30 % по сравнению с конструкциями из низкоуглеро­дистых сталей и особенно целесообразно в большепролетных и мощных конструкциях.

Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойко­сти металлических конструкций применяют низколегированные ста­ли, содержащие в небольшом количестве (доли процента) такие эле­менты, как хром, никель и медь.

В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавкой фосфора (например, сталь С345К). На поверхности таких сталей образуется тонкая оксидная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищающая металл от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшается. Кроме того, в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладостойкостью, поэтому применение стали С345К рекомендуют при толщинах не более 10 мм.

В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функ­ции (например, мембранные покрытия), широко используют тонко­листовой прокат. Для повышения долговечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки ОХ18Т1Ф2, не содержащей никеля. В больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной хруп­костью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщи­ной до 2 мм) позволяют применять его в конструкции при расчет­ных температурах до -40°С.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные.Углеродистые стали состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки (медь, хром и т.д.) специально не вво­дятся и могут попасть в сталь из руды.

Углерод , повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому для строительных металлических конструкций применяют только малоуглеродистые стали с содер­жанием углерода не более 0,22 %.

В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добавки, улучшающие их качество. Поскольку боль­шинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стали, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяют низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5 %.

В зависимости отвида поставки стали подразделяются на:

Горячека­таные;

Термообработанные (нормализованные или термически улучшенные).

В горячекатаном состоянии сталь далеко не всегда об­ладает оптимальным комплексом свойств. При нормализации из­мельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличи­вается вязкость, однако существенного повышения прочности не происходит. Термическое улучшение (закалка в воде и высокотемпе­ратурный отпуск) позволяют получить стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению.

По степени раскисления стали могут быть кипящими , полуспокой­ными, спокойными.

Нераскисленные стали кипят при разливке вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более за­соренной газами и менее однородной.

Степень раскисления обозначается буквами: кп - кипящая; сп - спокойная; пс - полуспокойная.

Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, ху­же сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

Чтобы повысить качество низкоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния от 0,12 до 0,3 % или алюминия до 0,1 %. Кремний (или алюминий), соединяясь с растворенным кислородом, уменьшает его вредное влияние. Кроме того, при соединении с ки­слородом раскислители образуют силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образо­ванию мелкозернистой структуры стали, что ведет к повышению ее качества и механических свойств. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спокойными . Спокойная сталь более однородна, лучше сва­ривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Ее применяют при изготовлении ответствен­ных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

Спокойные стали примерно на 12 % дороже кипящих, что несколько ограничивает их применение.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной меж­ду кипящей и спокойной. Ее раскисляют меньшим количеством кремния – 0,05...0,15 % (редко алюминием). По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное положение. Низколегированные стали поставляют в основном спо­койной (редко полуспокойной) модификации.

8.7. Нормирование сталей .

Основным стандартом, регла­ментирующим характеристики сталей для строительных металличе­ских конструкций, является ГОСТ 27772 - 88. Согласно ГОСТу, фа­сонный прокат изготовляют из сталей С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345к, С375, для листового и универсального проката и гну­тых профилей используются также стали С390, С390К, С440 и С590К. Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повы­шенным содержанием меди (для улучшения коррозионной стойко­сти) при этом к обозначению стали добавляют букву Д.

Буква С в наименовании означает сталь строительную, цифра показывает значе­ние предела текучести в МПа, буква К - вариант химического состава.

Прокат поставляют как в горячекатаном, так и в термообработанном состоянии. Выбор варианта химического состава и вида тер­мообработки определяется заводом. Например, листовой прокат стали С345 может изготовляться из стали с химическим составом С245 с термическим улучшением. В этом случае к обозначению стали добавляют букву Т, например С345Т;

В зависимости от температуры эксплуатации конструкций и сте­пени опасности хрупкого разрушения испытания на ударную вяз­кость для сталей С345 и С375 проводятся при разных температурах, поэтому они поставляются четырех категорий, а к обозначению ста­ли добавляют номер категории, например С345-1, С375-2.

Оценку свариваемости стали проводят по углеродному эквива­ленту (%):

где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V и Р - массовая доля углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %.

Если С э < 0,4%, то сварка стали не вызывает затруднений, при 0,4%<Сэ<0,55% сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возникновения трещин. При Сэ > 0,55% опасность появления трещин резко возрастает.

Отличительной особенностью ГОСТ 27772 - 88 является использование для некоторых сталей (С275, С285, С375) статистических методов контроля, что гарантирует обеспеченность нормативных значений предела текучести и временного сопротивления.

Строительные металлические конструкции изготовляют также из сталей, поставляемых по ГОСТ 380 - 88* "Сталь углеродистая обык­новенного качества", ГОСТ 19281 - 89 " Прокат из стали повышен­ной прочности. Общие технические условия." и другим стандартам.

Различий между свойствами стали, имеющими одинаковый химический состав, но поставляемым по разным стандартам, нет. Разница в способах контроля и обозначениях. Так, по ГОСТ 380-88* в обозначении марки стали

указываются группа по­ставки, способ раскисления и категория.

При поставке по группе А завод гарантирует механические свойства, по группе Б - химический состав, по группе В - механические свойства и химический состав.

Для малоуглеродистых сталей в зависимости от вида испытаний на ударную вязкость установлено 6 категорий: категории 1 ,2 - испы­тания на ударную вязкость не проводят, 3 - проводят при t = +20°С, 4 - при -20°С, 5 - при -20°С и после механического старения, 6 - по­сле механического старения.

Все эти факторы указывают в марке стали. Так, например, ВСтЗпсб - это сталь 3, полуспокойная, с гарантией в пределах вели­чин, установленных стандартом для этой стали, механических харак­теристик, химического состава и ударной вязкости после механиче­ского старения. В строительстве в основном используют стали марок ВСтЗкп2, ВСтЗпсб и ВСтЗсп5, а также сталь с повышенным содер­жанием марганца ВСтЗГпс5.

Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы. Так, сталь С235 соответствует стали ВСтЗкп2, сталь С245 - ВСтЗпсб, сталь С255 - ВСтЗсп5. Рекомендации по такой замене приведены в нормах проектирования.