Сталь: классификация, особенности и описание разновидностей сплава

Классификация по степени раскисления

На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.

Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.

Скачать ГОСТ 380-2005 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки

Процессы раскисления

Для стали на завершающем этапе выплавки характерен процесс кипения, на который влияют присущие в ней азот, водород, окиси углерода. Такой сплав в затвердевшем состоянии имеет пористую структуру, которая убирается прокаткой. Он мягкий и пластичный, однако недостаточно прочный.

Процесс раскисления заключается в деактивации кипящих примесей путем ввода в сплав ферромарганца, ферросилиция, алюминия. В зависимости от количества остаточных газов и раскислительных элементов, сталь может быть полуспокойная или спокойная.

Готовую сталь требуемой степени раскисления разливают в изложницы для кристаллизации и использования на последующих технологических этапах изготовления готовой стальной продукции.

Структура металлов

Кристаллическая структура сплавов

Вакансия в кристаллической решётке Образование дендритов См. также: Металловедение

Ни один металл невозможно приготовить в абсолютно чистом состоянии. Технически «чистые» металлы могут содержать до нескольких процентов примесей, и если эти примеси являются элементами с низким атомным весом (например, углерод, азот или кислород), то в пересчёте на атомные проценты содержание этих примесей может быть очень большим. Первые небольшие количества примесей в металле обычно входят в кристалл в виде твёрдого раствора. Можно выделить два главных типа твёрдых растворов:

• первый, когда атомы примеси намного меньше атомов металла-растворителя, растворённые атомы располагаются в решётке растворителя по междоузлиям, или «пустотам». Образование таких твёрдых растворов — твёрдых растворов внедрения — почти всегда сопровождается расширением решётки растворителя, и в окрестности каждого растворённого атома имеется локальное искажение решётки;
• второй, когда атомы примеси и растворителя имеют приблизительно одинаковые размеры, образуется твёрдый раствор замещения, в котором атомы растворённого элемента замещают атомы растворителя, так что атомы обоих сортов занимают места в узлах общей решётки. В таких случаях тоже вокруг каждого растворённого атома имеется искажённая область, а будет ли при этом решётка расширяться или сжиматься, зависит от относительных размеров атомов растворителя и растворённого вещества.

Для большей части металлов наиболее важными элементами, образующими твёрдые растворы внедрения, являются водород, бор, углерод, азот и кислород. Присутствие дислокаций всегда приводит к появлению аномально больших или малых межатомных расстояний. В присутствии примесей каждая дислокация окружена «атмосферой» примесных атомов. Примесные а дислокации, потому что в результате перемещения дислокаций будет образовываться новая конфигурация с повышенной энергией. Границы между кристаллами также являются областями с аномальными межатомными расстояниями и, следовательно, тоже растворяют примесные атомы легче, чем неискажённые области кристаллов.

При увеличении содержания примесей растворённые атомы входят и в основную массу кристалла, однако всё ещё имеется избыток примеси по границам зёрен и вокруг дислокаций. Когда содержание примеси превышает предел растворимости, появляется новая фаза, которая может представлять собой или растворённое вещество, или промежуточную фазу, или соединение. В таких случаях границы между фазами могут быть двух родов. В общем случае кристаллическая структура частичек примеси слишком отлична от структуры металла-растворителя, поэтому решётки двух фаз не могут переходить одна в другую, образуя непрерывную структуру. В таких случаях на границах раздела фаз образуются слои с нерегулярной (искажённой) структурой. С образованием границ связано появление свободной поверхностной энергии, однако энергия деформации решётки растворителя относительно невелика. В таких случаях говорят, что эти частицы выделяются некогерентно.

B ряде случаев межатомные расстояния и кристаллическая структура металла-растворителя и частичек примеси таковы, что некоторые плоскости могут соединяться между собой, образуя непрерывную структуру. Тогда говорят, что частицы второй фазы выделяются когерентно и, поскольку сопряжение решёток никогда не бывает абсолютно точным, вокруг границы образуется сильно напряжённая область. В тех случаях, когда энергия деформации слишком велика для этого, соседние кристаллы могут контактировать таким образом, что при этом в пограничных слоях возникают области упругой деформации, а на самой границе раздела — дислокации. В таких случаях говорят, что частицы выделяются полукогерентно.

При повышении температуры вследствие увеличения амплитуды колебаний атомов может образоваться дефект кристаллической решётки, который называют вакансия или «дырка». Диффузия вакансий является одним из механизмов образования дислокаций.

Как правило, кристаллизация металла происходит путём переохлаждения с образованием дендритной структуры. По мере разрастания дендритные кристаллы соприкасаются, при этом образуются различные дефекты структуры. В большинстве случаев металл затвердевает так, что первая порция кристаллов содержит меньше примесей, чем последующие. Поэтому, как правило, примеси концентрируются на границах зёрен, образуя стабильные структуры.

О цветной маркировке

Обозначение в цвете применяется только в прокатной стали. Это позволяет избежать ошибок при транспортировке и хранении. Для этого применяют точки или полосы. Назначение стального сплава маркируется «своим» цветом, но группа и раскисление не учитываются.

Желтый цвет применяется для конструкционных сталей: общего назначения, автоматные, цементированные, улучшенные.

Красный круг или полоса говорит о том, что данный вид относится к высокопрочному стальному сплаву: легированная, инструментальная, быстрорежущая, закаленная.

Синий цвет обозначает прокат из нержавейки: с серой, аустенитная, мартенситная.

Обозначением зеленого цвета маркируется сталь универсального применения: высокопрочный чугун, общего назначения, автоматные, цементированные, азотированные, улучшенные углеродистые.

Марки стали и их назначение

1. Согласно маркировке конструкционная углеродистая сталь 08 кп и 10 применяется для изготовления штампованных деталей (холодная штамповка и высадка), прокладок, трубок, метизов, колпачков, а также для деталей, которые не нуждаются в высокой прочности: втулки, упоры, валики, копиры, фрикционы, колеса с зубцами.
   • 15, 20 для деталей с низкой нагрузкой, тонкие элементы, которые работают на истирание, крюки, рычаги, траверсы, болты, вкладыши.

• 30, 35 – для деталей под низким напряжением: шпиндели, тяги, оси, звездочки, диски, рычаги.
• 40, 45 – для элементов повышенной прочности: коленвалы, распределительные валы, зубчатые венцы, колеса, плунжеры, фрикционы, оси.
• 50, 55 – используется для изготовления прокатных валков, штоков, зубчатых колес, эксцентрики, рессоры. Перед изготовлением деталей сталь подвергается закалке.
• 60 – для производства прочных и упругих деталей: диски сцепления, пружинные кольца, прокатные валы.

Тонколистная, низколегированная, универсальная сталь имеет маркировку: 09Г2, 09Г2С, 10 ХСНД, 15 ХСНД, 15 ГФ. Сферы применения: машиностроение, судостроение, химическое машиностроение, вагоностроение. Это сварные конструкции, паровые котлы, детали вагонов, сложные и фасонные профиля.
Конструкционная легированная сталь маркируется: 15 Х, 15 ХФ, 18 ХГТ, 20 Х, 20 ХГР, 20 ХНЗА, 35 ХМ, 38 ХА, 40 Х, 40 ХС и другие применяются для изделий, которые функционируют на повышенных скоростях, для деталей узлов и механизмов, работающих под высокими нагрузками.
Стали и сплавы, стойкие к коррозии в своей маркировке имеют буквы Х, Н, С, АГ, ТГР, МТ, АМ, ДИ, Ю, Т. Сфера применения химическое машиностроение, газопереработка, нефтехимическая промышленность, пищевое производство, легкая промышленность, машиностроение, судостроение, а также в других областях, где работа деталей и механизмов сопряжена с агрессивными рабочими средами.
Инструментальная нелегированная сталь разных марок, маркируется: У, А, Г, и применяется в деревообрабатывающей промышленности, изготовления ручных инструментов, для ножей, штампов для кузницы, игольной проволоки, сердечников, а также инструмента с низкой износостойкостью: хирургический инструмент, бритвы, для гравировки.
Пружинная сталь применяется для производства рессор, пружин, подвергающихся большим нагрузкам и ответственные элементы в рессорах.
Сталь для подшипников (подшипниковая) востребована для изготовления подшипников и их элементов для работы станков, железнодорожного транспорта, авиадвигателей, в точном приборостроении, на прокатных станах.

Конструкционные стали

Это, пожалуй, самый простой и понятный для обывателя признак. Различают конструкционные, инструментальные и специального назначения стали. Конструкционные принято разделять на:

1. Строительные – это углеродистые стали обыкновенного качества и представители низколегированного ряда. К ним предъявляется несколько требований, основное из которых – свариваемость на достаточно высоком уровне. Примером служат СтС255, СтС345Т, СтС390К, СтС440Д.
2. Из цементируемых делают изделия, которые работают в условиях поверхностного износа и параллельно испытывают динамические нагрузки. К ним относят малоуглеродистые стали Ст15, Ст20, Ст25 и некоторые легированные: Ст15Х, Ст20Х, Ст15ХФ, Ст20ХН, Ст12ХНЗА, Ст18Х2Н4ВА, Ст18Х2Н4МА, Ст18ХГТ, Ст20ХГР, Ст30ХГТ.
3. Для холодной штамповки используют прокат листвой из качественных низкоуглеродистых образцов. Таких как Ст08Ю, Ст08пс, Ст08кп.
4. Улучшаемые стали, которые подвергаются улучшению в процессе закалки и высокого отпуска. Это среднеуглеродистые (Ст35, Ст40, Ст45, Ст50), хромистые (Ст40Х, Ст45Х, Ст50Х, Ст30ХРА, Ст40ХР) стали, а также хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые и хромоникелевые.
5. Рессорно-пружинные имеют упругие свойства и сохраняют их длительное время, так как имеют высокую степень сопротивляемости к усталости и разрушению. Это углеродистые представители Ст65, Ст70 и стали легированные (Ст60С2, Ст50ХГС, Ст60С2ХФА, Ст55ХГР).
6. Высокопрочные образцы – те, которые имеют прочность в два раза большую, чем иные конструкционные стали, достигаемую термической обработкой и химическим составом. В основной массе это легированные среднеуглеродистые стали, например, Ст30ХГСН2А, Ст40ХН2МА, Ст30ХГСА, Ст38ХН3МА, СтОЗН18К9М5Т, Ст04ХИН9М2Д2ТЮ.
7. Шарикоподшипниковые стали отличаются особой выносливостью, высокой степенью износоустойчивости и прочности. К ним обязательно предъявляются требования по отсутствию разного рода включений. К этим образцам относятся высокоуглеродистые стали с содержанием хрома в составе (СтШХ9, СтШХ15).
8. Автоматные стали определение имеют следующее. Это образцы для использования при изготовлении неответственных изделий, таких как болты, гайки, винты. Такие запасные части обычно обрабатываются резанием. Поэтому основной задачей является повышение обрабатываемости деталей, чего добиваются введением в материал теллура, селена, серы и свинца. Такие добавки способствуют образованию при обработке ломкой и короткой стружки и уменьшению трения. Основные представители автоматных сталей обозначаются так: СтА12, СтА20, СтА30, СтАС11, СтАС40.
9. К коррозионностойким относят легированные стали с содержанием хрома около 12 %, поскольку он образует оксидную пленку на поверхности, препятствующую возникновению коррозии. Представителями этих сплавов являются Ст12Х13, Ст20Х17Н2, Ст20Х13, Ст30Х13, Ст95Х18, Ст15Х28, Ст12Х18НЮТ,
10. Износостойкие образцы применяют в изделиях, которые работают при абразивном трении, ударах и сильном давлении. Примером могут служить детали железнодорожных путей, дробильных и гусеничных машин, такая как Ст110Г13Л.
11. Жаропрочные стали могут работать при высоком нагреве. Их используют при изготовлении труб, газо- и паротурбинных запчастей. Это в основном высоколегированные малоуглеродистые образцы, имеющие обязательно в составе никель, которые могут содержать добавки в виде молибдена, нобия, титана, вольфрама, бора. Примером могут являться Ст15ХМ, Ст25Х2М1Ф, Ст20ХЗМВФ, Ст40ХЮС2М, Ст12Х18Н9Т, СтХН62МВКЮ.
12. Жаростойкие отличаются особой стойкостью против химических разрушений в воздухе, газовых и печных, окислительных и науглероживающих средах, но проявляют ползучесть при серьезных нагрузках. Представителями этого типа являются Ст15Х5, Ст15Х6СМ, Ст40Х9С2, Ст20Х20Н14С2.

Общие принципы классификации марок сталей

Основные классификационные признаки сталей: химический состав, назначение, качество, степень раскисления, структура.

Стали по химическому составу подразделяют на углеродистые и легированные. По массовой доле углерода и первая, и вторая группы сталей делят на: низкоуглеродистые (менее 0,3% С), среднеуглеродистые (концентрация С находится в пределах 0,3-07%), высокоуглеродистые – с концентрацией углерода более 0,7%.

Легированными называются стали, содержащие, помимо постоянных примесей, добавки, вводимые для повышения механических свойств этого материала.

В качестве легирующих добавок используют хром, марганец, никель, кремний, молибден, вольфрам, титан, ванадий и многие другие, а также сочетание этих элементов в различных процентных соотношениях. По количеству добавок стали делят на низколегированные (легирующих элементов менее 5%), среднелегированные (5-10%), высоколегированные (содержат более 10% добавок).

По своему назначению стали бывают конструкционными, инструментальными и материалами специального назначения, обладающими особыми свойствами.

Наиболее обширным классом являются конструкционные стали, которые предназначаются для изготовления строительных конструкций, деталей приборов и машин. В свою очередь, конструкционные стали подразделяют на рессорно-пружинные, улучшаемые, цементуемые и высокопрочные.

Инструментальные стали различают в зависимости от назначения произведенного из них инструмента: мерительного, режущего, штампов горячей и холодной деформации.

Стали специального назначения разделяют на несколько групп: коррозионностойкие (или нержавеющие), жаростойкие, жаропрочные, электротехнические.

По качеству стали бывают обыкновенного качества, качественными, высококачественными и особо качественными.

Под качеством стали понимают сочетание свойств, обусловленных процессом её изготовления. К таким характеристикам относятся: однородность строения, химического состава, механических свойств, технологичность. Качество стали зависит от содержания в материале газов – кислорода, азота, водорода, а также вредных примесей – фосфора и серы.

По степени раскисления и характеру процесса затвердевания стали бывают спокойными, полуспокойными и кипящими.

Раскислением называют операцию удаления из жидкой стали кислорода, который провоцирует хрупкое разрушение материала при горячих деформациях. Спокойные стали раскисляют с помощью кремния, марганца и алюминия.

По структуре разделяют стали в отожженном (равновесном) состоянии и нормализованном. Структурные формы сталей – феррит, перлит, цементит, аустенит, мартенсит, ледебурит и другие.

Взаимодействие кислот с металлами

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

Взаимодействие концентрированной серной кислоты H2SO4 с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Сильно разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Легирование

Основная статья: Легирование (металлургия)

Легирование — это введение в расплав дополнительных элементов, модифицирующих механические, физические и химические свойства основного материала.

Виды инструментальных сталей

Все марки сталей для производства инструментов подразделяют на 5 основных групп.

Теплостойкие и вязкие

Как правило, это за- и доэвтектоидные стали, которые содержат в своем составе молибден, вольфрам и хром. Содержание углерода в таких легированных инструментальных сталях соответствует средним и низким значениям.

Высокотвердые и вязкие, нетеплостойкие

Такие сплавы отличает низкое содержание легированных элементов и среднее — углерода. Они также характеризуются невысокой прокаливаемостью.

Высокотвердые, теплостойкие и износостойкие

К таким маркам относятся быстрорежущие легированные стали (содержание легирующих элементов в них очень велико), а также сплавы с ледебуритной структурой, содержащие в своем составе более 3% углерода.

Износостойкие, высокотвердые и средней теплостойкости

Это стали с заэвтектоидной и ледебуритной структурой, в состав которых входит 2-3% углерода и от 5 до 12% хрома.

Высокотвердые и нетеплостойкие

Состав таких инструментальных сталей с заэвтектоидной структурой либо вообще не содержит легированных элементов, либо содержит их в незначительных количествах. Уровень твердости таких сплавов обеспечивается большим количеством углерода в их составе.

Классификация инструментальной стали в виде схемы

Важным параметром инструментальных сталей является уровень их твердости. Как правило, высокотвердые стали нежелательно применять для производства инструмента, который в процессе эксплуатации подвергается ударным нагрузкам. Объясняется это тем, что такие сплавы обладают невысокой вязкостью и значительной хрупкостью, что может привести к поломке инструмента, который из них изготовлен.

По уровню твердости можно выделить две категории инструментальных сталей:

• с высоким уровнем вязкости (содержание углерода в пределах 0,4-0,7%);
• с высокой износостойкостью и твердостью (углерода в них содержится больше: 0,7-1,5%).

Деталь гидромолота из высокотвердой стали

Классифицируют марки сталей и по степени их прокаливаемости. По данному критерию различают легированные стали с повышенной (возможный диаметр прокаливания 80-100 мм), высокой (50-80 мм) и низкой (10-25 мм) прокаливаемостью.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Достоинства стали:

1. Прочность, твердость.
2. Вязкость, упругость.
3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
4. Износостойкость, долговечность.
5. Распространенность сырья.
6. Простота, рентабельность производства.
7. Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Недостатки материала:

1. Массивность.
2. Беззащитность перед коррозией.
3. Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

О серебре и золоте

Еще с эпохи каменного века люди знакомы с таким металлом, как золото. Можно с уверенностью сказать о том, что это самый главный драгметалл во всем мире. В природе чаще всего встречается в качестве самородков с небольшим количеством примесей или в сплаве с серебром. К исключительным особенностям стоит отнести теплопроводность и очень низкое сопротивление. Конечно, нельзя не отметить ковкость золота, из-за чего оно является крайне популярным материалом для изготовления ювелирных изделий. Интересный факт: самый большой золотой самородок нашли в Австралии. Весил он порядка 90 килограммов.

Если рассматривать основные виды драгоценных металлов, то нельзя не сказать о серебре. В природе данный материал встречается в самородном виде (серебряная руда). Но стоит отметить, что основная добыча осуществляется из комплексных руд, где серебра относительно немного, но залежи таких ископаемых встречаются чаще. Это очень мягкий и пластичный металл, который обладает исключительной электро- и теплопроводностью.