Классификация сталей

Отличительные характеристики и основные категории

К углеродистым сталям, основу которых составляют железо и углерод, относят сплавы, содержащие минимум дополнительных примесей. Количественное содержание углерода является основанием для следующей классификации сталей:

• низкоуглеродистые (содержание углерода в пределах 0,2%);
• среднеуглеродистые (0,2–0,6%);
• высокоуглеродистые (до 2%).

Нормы содержания химических элементов в углеродистой стали

К наиболее значимым достоинствам углеродистых сталей различных марок можно отнести:

• высокую пластичность;
• хорошую обрабатываемость (вне зависимости от температуры нагрева металла);
• отличную свариваемость;
• сохранение высокой прочности даже при значительном нагреве (до 400°);
• хорошую переносимость динамических нагрузок.

Есть у углеродистых сталей и недостатки, среди которых стоит выделить:

• снижение пластичности сплава при увеличении в его составе содержания углерода;
• ухудшение режущей способности и снижение твердости при нагреве до температур, превышающих 200°;
• высокую склонность к образованию и развитию коррозионных процессов, что налагает дополнительные требования к изделиям из такой стали, на которые должно быть нанесено защитное покрытие;
• слабые электротехнические характеристики;
• склонность к тепловому расширению.

Отдельного внимания заслуживает классификация углеродистых сплавов по структуре. Основное влияние на превращения в них оказывает количественное содержание углерода. Так, стали, относящиеся к категории доэвтектоидных, имеют структуру, основу которой составляют зерна феррита и перлита. Содержание углерода в таких сплавах не превышает 0,8%. С увеличением количества углерода уменьшается количество феррита, а объем перлита, соответственно, увеличивается. Стали, в составе которых содержится 0,8% углерода, по данной классификации относят к эвтектоидным, основу их структуры преимущественно составляет перлит. При дальнейшем увеличении количества углерода начинает формироваться вторичный цементит. Стали с такой структурой относятся к заэвтектоидной группе.

Микроструктура сталей формируется в процессе кристаллизации и зависит от содержания в сплаве углерода

Увеличение в составе стали количества углерода до 1% приводит к тому, что такие свойства металла, как прочность и твердость, значительно улучшаются, а предел текучести и пластичность, напротив, ухудшаются. Если количество углерода в стали будет превышать 1%, это может привести к тому, что в ее структуре будет формироваться грубая сетка из вторичного мартенсита, что самым негативным образом сказывается на прочности материала. Именно поэтому в сталях, относящихся к категории высокоуглеродистых, количество углерода, как правило, не превышает 1,3%.

На свойства углеродистых сталей серьезное влияние оказывают и примеси, содержащиеся в их составе. Элементами, которые положительно воздействуют на характеристики сплава (улучшают раскисление металла), являются кремний и марганец, а фосфор и сера – это примеси, ухудшающие его свойства. Фосфор при повышенном содержании в составе углеродистой стали приводит к тому, что изделия из нее покрываются трещинами и даже ломаются при воздействии низких температур. Такое явление носит название хладноломкости. Что характерно, стали с повышенным содержанием фосфора, если они находятся в нагретом состоянии, хорошо поддаются сварке и обработке при помощи ковки, штамповки и др.

Содержание химических элементов в углеродистой стали различных марок

В изделиях из тех углеродистых сталей, в составе которых в значительном количестве содержится сера, может возникать такое явление, как красноломкость. Суть этого феномена заключается в том, что металл при воздействии высокой температуры начинает плохо поддаваться обработке. Структура углеродистых сталей, в составе которых содержится значительное количество серы, представляет собой зерна с легкоплавкими образованиями на границах. Такие образования при повышении температуры начинают плавиться, что приводит к нарушению связи между зернами и, как следствие, к образованию многочисленных трещин в структуре металла. Между тем параметры сернистых углеродистых сплавов можно улучшить, если выполнить их микролегирование при помощи циркония, титана и бора.

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.

Стадии и методики

Процесс раскисления имеет несколько стадий. Первая – растворение в жидкообразном металле, вторая – запуск взаимодействия кислорода с раскислителем, третья – формирование зародышей стали, выделение продуктов переработки.

Раскисление в зависимости от поставленной задачи может производится следующими способами:

Проводится за счет применения специальных элементов, отличительных повышенным сродством с кислородом. Как правило, это вещества отличны от ферума. Роль основного действующего компонента может играть большое количество элементов, включая марганецство элементов, включая марганец. Нередко задействуют раскислители комплексного воздействия.

· дифузионной (экстракционной) технологией ;

Суть метода заключается в понижении кислорода путем раскисления шлака. Главней целью является удаление оксида ферумаудаление оксида ферума, что способствует образованию дифузионного процесса.

· раскисление при помощи вакуума, снижение кислородной насыщаемости синтетическими шлаками;

Первый предполагает раскисление в специально подготовленной среде. Последняя усиливает реакцию обезуглероживание. Второй предусматривает обработку синтетических шлаков электрической переплавкой или расплава железа.

Влияние раскисления

Знание технологии, по которой изготовлен тот или иной металл, позволяет определить, на что влияет раскисление. С повышением этого показателя в металле увеличивается содержание кислорода, который снижает временное сопротивление и ударную вязкость. Влияние кислорода зависит от его количества, а также состава и расположения включений в железе.

Источник

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.

Другие классификационные признаки

По способу раскисления

Различают три вида сталей: кипящие, полуспокойные, спокойные. При равном содержании углерода эти сплавы имеют одинаковые характеристики прочности и разные – пластичности.

• Для раскисления кипящих сталей (кп) применяют марганец. Для них характерны: значительная химическая и структурная неоднородность слитка. Благодаря малому содержанию кремния, стали поддаются холодной штамповке. Не применяются для создания изделий для эксплуатации в холодных климатических условиях.
• Полуспокойные (пс). Раскисляются марганцем, в ковше – алюминием.
• Спокойные (сп). Для раскисления применяются кремний, марганец, алюминий. Выход годного составляет примерно 85%. Для слитка характерна плотная однородная структура.

По качеству

• Углеродистые стали обыкновенного качества – их маркировка осуществляется по ГОСТу 380-2005. Они обозначаются индексом Ст и цифрой – номером марки. Чем больше номер, тем выше содержание углерода, больше твердость и меньше пластичность. В конце ставится обозначение способа раскисления: кп, пс, сп. Используются в изготовлении неответственных строительных конструкций, крепежных элементов, труб, листов, фланцев.
• Качественные углеродистые конструкционные стали обозначают двузначными числами, равными количеству углерода в сотых долях процента. В конце указывается индекс раскисления (кроме спокойных сталей).

По назначению

В зависимости от того, какие функции будут выполнять углеродистые стали, их разделяют на конструкционные и инструментальные. Инструментальные сплавы используются в производстве режущего и ударного инструмента. По качеству их разделяют на качественные (У8, У10, У12, У13) и высококачественные (У8А, У10А, У12А), где буква «У» означает углеродистая, число – сотые доли процента.

Виды сталей и особенности их маркировки

Различные области применения сталей требуют наличие у нее строго определенных свойств – физических, химических

В одном случае требуется максимально высокая износоустойчивость, в других – повышенная устойчивость против коррозии, в третьих внимание уделяется магнитным свойствам

Видов стали много. Основная масса выплавляемого металла идет в производство конструкционной стали, в которую входят такие виды:

• Строительная. Низколегированная сталь с хорошей свариваемостью. Основное назначение – производство строительных конструкций.
• Пружинная. Имеют высокую упругость, усталостную прочность, сопротивление разрушению. Идет на производство пружин, рессор.
• Подшипниковая. Основной критерий – высокая износоустойчивость, прочность, низкая текучесть. Применяется для производства узлов и составляющих подшипников различного назначения.
• Коррозионностойкая (нержавеющая). Высоколегированная сталь с повышенной стойкостью к воздействию агрессивных веществ.
• Жаропрочная. Отличается способностью длительное время работать в нагруженном состоянии при повышенных температурах. Область применения – детали двигателей, в том числе газотурбинных.
• Инструментальная. Применяется для производства метало- и деревообрабатывающих, измерительных инструментов.
• Быстрорежущая. Для изготовления инструмента металлообрабатывающего оборудования.
• Цементируемая. Применяется при изготовлении деталей и узлов, работающих при больших динамических нагрузках в условиях поверхностного износа.

• Классификация сталей

При расшифровке обозначений нужно учитывать, что каждому из видов соответствует строго определенная буква в маркировке.

Основы классификации сталей

Для классификации сталей используют несколько параметров:

• Одним из основных считается химический состав, потому что он напрямую влияет на свойства материала. По этому признаку стали делятся на углеродистые и легированные. У первых свойства регулируют с помощью содержания в них углерода. Этот показатель влияет на хладноломкость, ударную прочность, пластичность, вязкость, свариваемость и обрабатываемость давлением. В легированные стали для придания им определенных свойств вводят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам, алюминий и другие. С их помощью меняют механические, магнитные, электрические и другие характеристики материалов.
• Назначение – второй по значимости параметр для классификации сталей. По нему различают инструментальные, конструкционные и специальные стали. Первые применяют для изготовления режущего, измерительного или штампового инструмента. Конструкционные стали востребованы в строительстве и машиностроении для изготовления элементов строительных конструкций и деталей машин. Специальные стали нужны для изделий, обладающих особыми свойствами: жаропрочностью, коррозионной стойкостью, магнитными характеристиками и прочим.
• Качество – еще одна важная характеристика сталей. Они могут быть обыкновенного качества, качественными, высококачественными и особо высококачественными. Деление выполняют на основании содержания в стали вредных примесей: серы и фосфора. Сера является причиной появления трещин при нагреве, а фосфор снижает пластичность стали и повышает ее хладноломкость.
• Еще один показатель, заслуживающий внимания, – степень раскисления стали. Под этой операцией подразумевают удаление из металла кислорода, который считается вредной примесью, ухудшающей механические свойства материала. По степени раксисления стали могут быть кипящими, спокойными и полуспокойными. В кипящих сталях наибольшее содержание кислорода и вредных примесей, поэтому они отличаются хрупкостью, низкой коррозионной стойкостью, плохой свариваемостью и неоднородностью механических свойств. Спокойные стали – их противоположность. В них мало кислорода и вредных примесей, поэтому они качественнее и дороже. Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными.

Физические и механические свойства

Сталь Ст3 это самая используемая марка металла, применяемая в строительстве и в машиностроении. Низкая цена в сочетании с физико-механическими показателями, которые определили популярность этого материала.

Перечислим механические показатели Ст3:

• предел текучести 205-255 МПа;
• временное сопротивление разрыву 370-490 МПа;
• относительное удлинение 22-26%;
• ударная вязкость при температуре:
• 20 0С составляет 108 Дж/см2;
• 20 0С равняется 49 Дж/см2;
• твёрдость HB 10-1: 131 МПа.

Прочностные показатели предел текучести и относительное удлинение – зависят от толщины и формы проката. Чем больше толщина металлопроката, тем ниже значение показателя, самые низкие показатели у труб, высокие показатели у листов, толщиной 5-10 мм.

Плотность Ст3 составляет 7850 кг/м3. Сплав относится к хорошо свариваемым материалам.

Степень раскисления стали на что влияет?

На рисунке ниже показаны восемь типичных состояний промышленных стальных слитков, которые были отлиты в идентичные, сужающиеся к верху изложницы. Они распложены и пронумерованы по степени подавления выделения газов при затвердевании. Штриховыми линиями показан уровень, до которого сталь первоначально разливалась в каждой изложнице. В зависимости от содержания углерода, а еще более – от содержания кислорода, структура слитков различается. Под номером 1 идет полностью успокоенная сталь, спокойная сталь

, а под номером 8 – сталь, к которой не применяли операции раскисления, сильнокипящая сталь .

Рисунок – Восемь типичных состояний промышленных стальных слитков с различной степенью раскисления

Стали при разливке в слитки классифицируют по трем основным типам в зависимости от степени раскисления или, что тоже самое, по количеству газов, выделяющихся в ходе затвердевания слитка.

К этим четырем типам относятся: – спокойная сталь; – полуспокойная сталь

СПОКОЙНАЯ СТАЛЬ

По-английски спокойную сталь называют слегка «устрашающе» — killedsteel. Cпокойная сталь – это сталь, у которой практически не происходит выделения газов при затвердевании слитка после его разливки. Это обеспечивается полным раскислением стали — полным удалением из нее кислорода  и образованием усадочной раковины в верхней части слитка. Эта часть слитка затем отрезается и отправляется в лом.

Все легированные стали, большинство низколегированных сталей и многие углеродистые стали обычно применяют в виде спокойных сталей. При непрерывной разливке сталь также «успокаивают» полностью. Спокойная сталь характеризуется гомогенной структурой и равномерным распределением химического состава и свойств.

Для получения спокойной стали ее раскисляют алюминием, а также марганцевыми или кремнистыми ферросплавами. Кроме того, иногда применяют силицид кальция и другие специальные раскислители.

Сталь: кипящая, полуспокойная, спокойная. Основные отличия

Ранее мы рассматривали структуру стали (система железо-углерод), деформацию и разрушение металлов, влияние на ее свойства различных примесей и т.д.

В данной публикации будем рассматривать виды стали по степени раскисления.

Итак, сталь это сплав Fe + C, ( С – не более 2%)+ другие элементы. Сталь подразделяют на углеродистую и легированную учитывая хим.состав, и исходя из применения на-конструкционные и инструментальные. Изготавливают и специальные стали со специфическими характеристиками для использования в агрессивных средах, к таким сталям относят жаро-, коррозионно-, кислото-стойкую стали.

Качество стали определяется по способу производства и количеству плохих примесей и подразделяются на рядовые, качественные, повышенного и высокого качества.

Химический состав сталей обыкновенного качества

Существует типизация по характеру застывания в изложнице и геометрической форме слитка (форма изложницы). Выделяют спокойную, полуспокойную и кипящую.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь выплавляется без добавления каких-либо легирующих элементов и бывает обычной и качественной.

Стали обычного качества принято делить на следующие группы:

•  группа А — обеспечивается по механическим свойствам. Изделия из сталей этой группы применяются для последующей сварки, ковки и т.д. Причем, заявляемые мех. свойства могут изменяться. (Ст3, Ст5кп.).
•  группа Б – сталь обеспечивается по хим. составу. Применяется для изготовления деталей, при обработке которых, могут изменяться механические характеристики определяемые составом.

Сталь из группы Б подразделяется на 2 категории:

Подразделяется на шесть категорий.

Обозначается группа В следующим образом: марка стали, степень раскисления, номер категории. Имеют одинаковый состав со сталью 2 категории группы Б. 

Маркировка стали

Рассматривая, на примере, маркировку стали Ст5пс (конструкционная углеродистая сталь обычного качества).

Определяем, что:

1. 1.  эта сталь относится к группе А, (поскольку категория указывается перед буквами Ст (ВСт1, ВСт2), а не указывается только группа А).
   2.  цифра 5 — определяет условный номер марки исходя из хим. состава и мех.свойств.
   3.  пс- степень раскисления.

Если после цифры определяющей марку стали стоит буква Г- значит сталь содержит повешенное количество марганца.(Ст25Г2С)

Степени раскисления стали

Существует 3 степени раскисления стали.

Процесс раскисления позволяет восстановить окись железа и связать растворенный кислород, уменьшив, таким образом, его вредное влияние.

Классификация углеродистых сталей по степени раскисления

Спокойные

Такие сплавы обладают наиболее однородной структурой. Для раскисления используют алюминий, ферросилиций и ферромарганец, которые практически полностью удаляют находящие в расплаве газы. Сочетание практически полного отсутствия газов с мелкозернистой структурой, обусловленной наличием остаточного алюминия, обеспечивает хорошее качество металла. Эти марки подходят для изготовления деталей, изделий и конструкций ответственного назначения. Основной недостаток – высокая стоимость.

Кипящие

Это наиболее дешевая и наименее качественная группа. Из-за использования минимального количества добавок для раскисления в материале присутствуют растворенные газы, которые являются причиной неоднородности структуры, химического состава, а следовательно механических свойств. Такие металлы обладают плохой свариваемостью, поскольку из-за присутствия газов высока вероятность образования трещин на швах.

Полуспокойные

Группа занимает промежуточное положение по стоимости и характеристикам. В отливке образуется гораздо меньше газовых пузырьков, по сравнению с кипящими сталями. При прокатке внутренние дефекты в основной массе устраняются. Такие материалы часто применяются в качестве конструкционных сплавов.

Раскислители: виды и функции

В качестве раскислителей используют ферросилиций в количестве 0,12-0,3% по массе, ферромарганец, алюминий – до 0,1%, титан.

Негативное последствие раскисления – образование усадочной раковины больших размеров. Для ее удаления приходится отрезать от слитка спокойной стали до 16% по массе. Из-за такой потери металла, а также затрат на раскисляющие добавки стоимость спокойной стали существенно превышает цену кипящего металла.

Раскисляющие добавки, соединяясь со свободным кислородом, находящимся в сплаве, решают следующие задачи:

• снижают негативное влияние свободного кислорода на формирующуюся структуру слитка;
• поддерживают в течение длительного периода высокую температуру стали, что обеспечивает максимальное шлако- и газоудаление;
• способствуют получению металла мелкозернистой, однородной структуры, поскольку образующиеся силикаты и алюминаты повышают число центров кристаллизации. Это обуславливает измельчение зерен и улучшает качество и механические характеристики металла.

Преимущества спокойной стали

Благодаря однородности и мелкозернистости структуры, для раскисленных сталей характерны следующие преимущества:

• хорошее сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, благодаря чему их применяют при изготовлении конструкций ответственного назначения, для которых планируются статические и динамические воздействия;
• сталь, для раскисления которой применялись присадки алюминия, не подвержена старению, которое подразумевает изменение свойств материала без заметного изменения микроструктуры. Снижаются пластичность, сопротивление хрупкому разрушению, порог хладоломкости, немного повышается прочность;
• равномерное распределение серы и фосфора;
• хорошая свариваемость.

Классификация по назначению

Выше уже были приведена классификация видов сталей по назначению. Маркировка конструкционных сталей включает в себя такие обозначения:

• Строительная – обозначается буквой С и цифрами, характеризующими предел текучести.
• Подшипниковая – обозначается буквой Ш. Далее идет обозначение и содержание легирующих добавок, в основном, хрома.
• Инструментальная нелегированная – обозначается буквой У и содержанием углерода в десятых долях процента.
• Быстрорежущая – обозначается буквой Р и символами легирующих компонентов.
• Нелегированная конструкционная сталь имеет в обозначении символы Сп и число, показывающее содержание углерода в десятых или сотых долях процента.

Классификация стали по назначению

Остальные разновидности, в том числе и инструментальные марки из легированных сталей, не имеют специальных обозначений, кроме химического состава, поэтому расшифровку и назначение отдельных видов можно определить только по справочной литературе.

Это интересно: Нержавеющая бытовая сталь 40х13 — характеристика и применение

Кипящая сталь

Кипящая сталь характеризуется:
– большой степенью выделения газов при затвердевании стали в изложнице;
– заметным различием химического состава по поперечному сечению слитка и между верхней и нижней частями слитка (см. рисунок).

Это приводит к образованию в наружной оболочке слитка относительно чистого железа и внутренней сердцевины слитка с высокой концентрацией легирующих и примесных элементов, особенно, углерода, азота, серы и фосфора, которые имеют низкую температуру плавления. Более чистую наружную часть слитка применяют при прокатке. Слитки из кипящей стали хорошо подходят для производства многих изделий, таких как плиты, листы, проволока, трубы, а также сортовой прокат с требованиями по чистоте поверхности и вязким свойствам.

Области применения спокойной стали

Высокая стоимость такой продукции обуславливает ее применение для производства сортового и фасонного проката, предназначенного для использования в ответственных конструкциях, узлах машин и механизмов. Это:

• железнодорожные и рудничные рельсы;
• заготовки деталей арматуры для трубопроводов;
• элементы для железнодорожных наземных и подвесных путей;
• детали клепаных конструкций, ручки, тяги, втулки, рычаги, упоры, фланцы и другие детали, эксплуатируемые в широком интервале температур;
• фасонный и листовой прокат толщиной до 25 мм для несущих сварных конструкций, эксплуатируемых при знакопеременных нагрузках в широком температурном интервале -40…+425°C, прокат толщиной 25-40 мм (при предоставлении гарантий свариваемости);
• поковки с диаметром сечения до 800 мм.

Низколегированные стали востребованы при строительстве объектов гражданского и промышленного назначения, эксплуатируемых в условиях высоких нагрузок и/или в регионах с суровыми климатическими условиями.

Общее понятие специальной стали.

Говоря об определении понятия специальная сталь, стоит отметить, что такими обычно называют определенные сплавы железа. Отличие таких специальных сплавов в том, что они имеют особые свойства, изготавливаются определенным способом с необходимым химическим составом. Заметим, что большинство видов специальных сталей обогащены легирующими элементами. К таким относят разные химические элементы, которые принудительно вводятся в состав стали для получение определенных свойств у металла. Чаще всего в качестве легирующих элементов применяют Cr, Mn, Si, Mo, Ni, V, W, Ti, Al, Co, Nb, Cu, Zr, а также – S, H, Te, Se, Pb, N, La и прочие. Отметим, что содержание таких легирующих элементов в разных видах стали может варьироваться от тысячных долей до десятков процентов.

Однако заметим, что примеси, которые были введены в качестве технологических добавок, могут содержаться в определенном количестве. Например, содержание Mn не должно превышать 0,8%, Cu и Cr – 0,3%, Si – 0,4% и пр.