Сталь: основные характеристики и свойства, классификация и марки

Основные параметры

Сталь отличается от других материалов своими параметрами: плотностью, удельной теплоемкостью, температурой плавления, линейным тепловым расширением и другими. Среди важнейших свойств стали следует выделить:

1. Плотность: от 7,6 до 7,8 г/см³.
2. Удельная теплоемкость при 20 °С: 462 Дж.
3. Температура плавления стали: 1400-1500°С.
4. Собственный вес: 75500-77500 Н/м³.
5. Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг.
6. Индекс линейного теплового расширения (нержавеющая сталь): 11,0 * 10 — 6 / °C.
7. Коэффициент теплопроводности при t = 100° Цельсия (хром-никель-вольфрам: 15,5; дюраль: 56,3 Вт/(м·К).
8. Предел прочности и сопротивления растяжению (для конструкций: 373–412 МПа; кремний-хром-марганец: 1,52 ГПа).
9. Модуль упругости стали (или модуль Юнга): 200 тыс. (Е, МПа). В таблице упругости для некоторых веществ также приводится значение, равное 2 039 400 (Е, кгс/см²).
10. Коэффициент Пуассона: 0,3 ед.

Качества стали изменяют с помощью различных видов обработки: термической, термомеханической, химико-термической. При обработке для достижения требуемой структуры используют свойство полиморфности — способность кристаллической решетки изменять свою структуру при нагревании и охлаждении. Путем закалки с дальнейшим нагревом (отпуском) можно добиться оптимальной формулы, сочетающей в себе пластичность, твердость и плотность стали.

Технология производства

Производство сплава связано с обработкой чугуна. При этом ненужные компоненты отжигают, заменяя их лигатурными элементами.

Процесс осуществляется на металлургическом заводе по следующим технологиям:

• Метод Мартина. В печь с открытым огнем загружают смесь чугуна и руды. Для отжига избыточного углерода расплавляют при 2050°С и вводят лигатуры. Продукт (сталь) разливается в тару и отправляется на прокатку. Метод считается устаревшим.
• Кислородный преобразователь. Поток воздуха или воздушно-кислородной смеси пропускают через ряд чугунов. Цель состоит в том, чтобы записать контент быстрее и полнее.
• Электрическая плавка. Сырье плавится при 2210°С. Печь закрытая, поэтому исключается «загрязнение» сплава газами. Метод дорогой, его используют для получения элитного продукта.
• Прямой. Для продувки железорудных окатышей печь нагревают до 1060°С. Используется аммиачно-кислородная смесь плюс угарный газ, образующийся при сгорании природного газа.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, область стали отмечена синим цветом

Для получения материала с улучшенными свойствами термическая обработка продолжается. Способ производства включает закалку, науглероживание, азотирование (накопление углерода или азота на поверхности для повышения износостойкости), цианирование («накачивание» наружного слоя азотом для ускорения процесса) и другие операции.

Классификация стали по содержанию примесей

Помимо классификации по содержанию углерода и по степени раскисления используется классификация по качеству, определяемая способом производства и содержанием вредных примесей, прежде всего серы и фосфора. Классификация стали по качеству:

Группа	Сера, %	Фосфор, %
Обычный (обычный)	< 0,06	< 0,07
Качественный	< 0,04	< 0,035
Высокого качества	< 0,025	< 0,025
Особо высокое качество	< 0,015	< 0,025

В некоторых классификациях к высокому качеству относят особо качественные.

Обыкновенного качества

Большинство распространенных сталей представляют собой углеродистые сплавы (C < 0,6%). Они производятся методом открытого огня или конвертером с использованием кислорода. Эти марки стали предназначены для наиболее распространенных применений, недороги в производстве, пригодны для механической обработки, но не обладают особой прочностью и износостойкостью.

Качественные

Качество включает в себя как углерод, так и сплав. Их также производят мартеновским или конвертерным способом с кислородной продувкой, но к составу сырья предъявляются гораздо более жесткие требования, чем при традиционных способах. Кроме того, ужесточаются требования к соблюдению параметров плавки и выпуска. Такие группы стали более дорогие и используются для более ответственных деталей, работающих под большими нагрузками.

Классификация стали по качеству

Высококачественные

Эта группа производится с использованием более технологичных методов, таких как плавка 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 их стоимость в разы выше обычных.

Высокопрочная сталь

Особовысококачественные

Они завершают классификацию стали по качеству. Их производят путем переплавки электрошоковым методом, что позволяет в несколько раз снизить содержание примесей. Некоторые марки близки по цене к драгоценным металлам, и такие легированные стали применяются в уникальных случаях – в деталях ядерных реакторов, криогенных установках, оборонной и аэрокосмической промышленности и некоторых других.

Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?

Влияние различных элементов в стали:

• Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует вредное воздействие серы.
• Кремний повышает прочность и способствует раскислению сплава за счет удаления оксидов и сульфидов.
• Сера ухудшает пластичность и ударную вязкость. Высокое содержание проявляется красным охрупчиванием: при горячих работах металл растрескивается в области красного или желтого каления.
• Фосфор снижает пластичность и ударную вязкость сплава. Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости: при обработке металл трескается или распадается на куски.
• Кислород и азот разрушают структуру стали, ухудшают ударную вязкость и пластичность.
• Водород делает металл хрупким.

Для удаления вредных примесей и неметаллических включений жидкую сталь подвергают рафинированию. Используйте комбинированное внутрипечное и внепечное рафинирование. Например, раскисление, десульфурация, дегазация и многое другое. Благодаря очистке структура металла становится однородной, а качество повышается.

Примеры решения задач

Подготовка	Найдите химическую формулу вещества, содержащего 10 массовых частей кальция, 7 массовых частей азота и 24 массовые части кислорода.
Решение	Чтобы узнать, в каком соотношении находятся химические элементы в составе молекулы, необходимо найти их массу. Известно, что для нахождения количества вещества следует использовать формулу:

Найдем молярные массы кальция, азота и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из периодической таблицы Д. И. Менделеева, округлим до целых чисел). Известно, что M = Mr, что означает M(Ca) = 40 г/моль, M(N) = 14 г/моль и M(O) = 16 г/моль.

Тогда количество вещества этих элементов равно:

n(Ca):n(N):n(O)=0,25:0,5:1,5=1:2:6,

формула соединения кальция азота и кислорода имеет вид CaN2O6 или Ca(NO3)2. Это нитрат кальция.

Подготовка	Фосфид кальция массой 3,62 г содержит 2,4 г кальция. Определите формулу этого соединения.
Решение	Чтобы узнать, в каком соотношении находятся химические элементы в составе молекулы, необходимо найти их массу. Известно, что для нахождения количества вещества следует использовать формулу:

Найдем молярные массы кальция и фосфора (значения относительных атомных масс, взятые из периодической таблицы Д. И. Менделеева, округлим до целых чисел). Известно, что M = Mr, поэтому M(Ca) = 40 г/моль, а M(P) = 31 г/моль.

Определить массу фосфора в составе фосфида кальция:

Тогда количество вещества этих элементов равно:

n(Ca):n(P)=0,06:0,04=1,5:1=3:2,

формула фосфида кальция Ca3P2.

Химический состав

Существует два способа разделения стали по химическому составу. Определение, данное современными учебниками, позволяет различать углеродный и легированный материал.

Первый символ определяет сталь как низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую, а второй – низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. Низкоуглеродистым называют металл, который может включать, согласно ГОСТ 3080-2005, кроме железа, следующие компоненты:

• Углерод — до 0,2%. Способствует термическому упрочнению, благодаря чему прочность на растяжение и твердость увеличиваются в два раза.
• Марганец в количестве до 0,8% активно вступает в химическую связь с кислородом и не допускает образования оксида железа. Металл лучше выдерживает динамические нагрузки и более подвержен термическому упрочнению.
• Кремний — до 0,35%. С его помощью улучшаются такие механические свойства, как ударная вязкость, прочность, свариваемость.

По ГОСТ определение стали как низкоуглеродистой дается металлу, содержащему, помимо полезных, ряд вредных примесей в следующем количестве. Это:

• Фосфор – до 0,08% отвечает за появление хладноломкости, ухудшает выносливость и силу. Снижает ударопрочность металла.
• Сера — до 0,06%. Это затрудняет обработку металла давлением, повышает отпускную хрупкость.
• Азот. Снижает технологические и прочностные свойства сплава.
• Кислород. Снижает прочность и мешает обращению с инструментами при резке.

Следует отметить, что низкоуглеродистая или малоуглеродистая сталь отличается особой мягкостью и ковкостью. Они хорошо деформируются как в горячем, так и в холодном состоянии.

Определение среднеуглеродистой стали, а также ее состав, конечно, отличается от описанного выше материала. И самая большая разница заключается в количестве углерода, которое варьируется от 0,2 до 0,45%. Такой металл имеет низкую ударную вязкость и пластичность наряду с отличными прочностными свойствами. Среднеуглеродистая сталь обычно используется для изготовления деталей, которые используются при нормальных силовых нагрузках.

При содержании углерода более 0,5% такую ​​сталь называют высокоуглеродистой. Обладает повышенной твердостью, пониженной вязкостью, пластичностью, применяется для штамповки инструментов и деталей при горячем и холодном деформировании.

Читайте также: Стоит ли делать пеноблоки своими руками в домашних условиях

Помимо выявления углерода, присутствующего в стали, можно определить свойства материала по дополнительным примесям в нем. Если, кроме обычных элементов, в металл целенаправленно вводят хром, никель, медь, ванадий, титан, азот в химически связанном состоянии, то это называется легированием. Такие добавки снижают риск хрупкого разрушения, повышают коррозионную стойкость и прочность. Их количество указывает на степень легирования стали:

• низколегированная – имеет до 2,5% легирующих добавок;
• среднелегированные – от 2,5 до 10 %;
• высоколегированные — до 50 %.

Что это значит? Например, увеличение всех свойств стало даваться следующим образом:

1. Добавляет хром. Положительно влияет на механические свойства уже в количестве 2% от общего объема.
2. Введение никеля от 1 до 5% увеличивает температурный запас по вязкости. И снижает хладноломкость.
3. Марганец работает так же, как никель, но намного дешевле. Однако он способствует повышению чувствительности металла к перегреву.
4. Вольфрам — карбидообразующая добавка, обеспечивающая высокую твердость. Потому что он предотвращает рост зерна при нагревании.
5. Молибден — дорогая добавка. То, что увеличивает жаропрочность быстрорежущей стали.
6. Кремний. Повышает кислотостойкость, эластичность, стойкость к накипи.
7. Титан. Может способствовать образованию мелкозернистой структуры в сочетании с хромом и марганцем.
8. Медь. Повышает антикоррозионные свойства.
9. Алюминий. Повышает термостойкость, солеотложение, ударную вязкость.

Преимущества и недостатки

Сталь сочетает в себе высокую жесткость с высокой прочностью. На эти свойства можно влиять в широких пределах, варьируя концентрацию углерода, легирующие добавки и технологические процессы (химико-термическую и термическую обработку).

К основным преимуществам стали относятся следующие свойства:

• высокая твердость и прочность;
• множество различных свойств, которые обусловлены разным составом и способами обработки;
• эластичность и вязкость;
• очень высокая износостойкость;
• большое распространение сырья и экономически выгодный способ изготовления, что обуславливает низкие цены на сплавы.

Сталь и изделия из нее также имеют недостатки. Их меньше, чем достоинств, но знать о них все же нужно:

• отсутствие временной устойчивости к коррозии (за исключением нержавеющей стали);
• способность запасать электрическую энергию;
• большой вес;
• многоступенчатое производство обычных продуктов.

Следует помнить, что сталь – довольно сложный в обработке материал, поэтому для производства изделий из нее необходимы дорогостоящие машины и оборудование.

Твердость

Эта концепция относится к способности материала сопротивляться проникновению более твердого предмета. Определение твердости стало возможным с помощью трех методов: Л. Бринелля, М. Роквелла, О. Виккерса.

По методу Бринелля на образец вдавливают в грунт закаленный стальной шарик. Определите твердость, изучив диаметр отпечатка.

Метод определения твердости стали по Роквеллу. Он основан на расчете глубины проникновения 120-градусного алмазного конуса.

По Виккерсу в испытуемый образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида. С углом 136 градусов на противоположных сторонах.

Можно ли определить качество стали без химического анализа? Специалисты-металлурги умеют распознавать качество стали по искре. Определение составляющих металла возможно во время обработки. Например:

• Сталь CVG имеет темно-красные искры с желто-красными пятнами и клочьями. На концах разветвленных нитей появляются ярко-красные звездочки с желтыми зернами посередине.
• Сталь Р18 также идентифицируется по темно-красным искрам с желтыми и красными пучками в начале, но нити прямые и не имеют разветвлений. На концах пучков имеются искры с одним или двумя светло-желтыми зернами.
• Стали марок ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 имеют желтые искры с яркими звездочками. И красные зерна на ветвях.
• Сталь У12Ф отличается яркими желтыми искрами с плотными и крупными звездочками. С несколькими красно-желтыми хохолками.
• Стали 15 и 20 имеют светло-желтые искры, много развилок и звездочек. Но мало свай.

Определение стали искрой – достаточно точный метод для специалистов. Но обычные люди не могут охарактеризовать металл, исследуя только цвет искры.

История

Документально подтвержденная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:

• В Турции были обнаружены образцы возрастом почти 4000 лет.
• Материал был доступен европейцам с древних времен.
• Самыми известными предметами Средневековья были булатные мечи. С той эпохи он был основным материалом для холодного оружия.

На протяжении веков секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей держался в секрете.

• Расцвет сталелитейного производства пришелся на войны XIX века. В 20 веке ассортимент расширился за счет танковой брони, планеров и шлемов.

В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций материалам нового поколения.

Способы изготовления стали и технологии

Структура этого сплава, его состав и свойства зависят от технологии производства стали. Обычные стали производятся в открытых печах или конвертерах. Как правило, они насыщены значительным количеством неметаллических примесей.

Сплавы высокого качества производятся с использованием электропечей. В процессе электрошлаковой выплавки производится особо качественная легированная сталь, содержащая минимум вредных примесей.

При производстве стали используется процесс раскисления для удаления кислорода из структуры сплава. Количество удаленного кислорода зависит от того, какая сталь получена: слабораскисленная, полностью раскисленная или полураскисленная. Они подразделяются на кипящие, неподвижные и полунеподвижные.

Качество

Определение типов стало возможным качественно четырьмя способами. Это:

1. Рядовой сорт – это сталь с содержанием углерода до 0,6 %, которую выплавляют в печах с открытым огнем или в конвертерах с использованием кислорода. Они считаются самыми дешевыми и обладают худшими свойствами, чем металлы из других групп. Примером таких сталей являются Ст0, Ст3сп, Ст5кп.
2. Качественный. Яркими представителями этого типа являются стали Ст08кп, Ст10пс, Ст20. Их плавят в тех же печах, но с более высокими требованиями к загрузке и производственным процессам.
3. Качественная сталь выплавляется в электропечах, что гарантирует повышение чистоты материала от неметаллических включений, то есть улучшение механических свойств. К таким материалам относятся Ст20А, Ст15Х2МА.
4. Особо высокого качества — изготовлен по методу специальной металлургии. Их подвергают электрошлаковой плавке, обеспечивающей очистку от сульфидов и оксидов. К сталям этого типа относятся Ст18ХГ-Ш, Ст20ХГНТР-Ш.

Конструкционные металлы

Сталь обыкновенного качества выпускается в виде балок, прутков, листового материала, швеллеров, труб, уголков и другого проката и подразделяется на категории А, С, Б. В наименовании присутствуют буквы Ст и цифра, обозначающая номер марки, с увеличением значения числа показатель увеличивает содержание углерода. Для материалов категорий С и В, но не А, необходимая буква ставится перед St для обозначения принадлежности.

Группу раскисления обозначают СП, ПС, КП — спокойная, полуспокойная и кипящая соответственно. Категория А используется для производства деталей, полученных методом холодной обработки давлением, категория В используется для элементов, изготовленных сваркой, ковкой, по методу термической обработки. Сталь Б дороже предыдущих категорий и используется для производства ответственных конструкций и сварочных элементов.

Из всех трех категорий распространенных углеродистых сталей изготавливают металлоконструкции и детали в малонапряженном приборостроении и машиностроении, в тех случаях, когда эксплуатационные характеристики обусловлены требуемой жесткостью. Металлы в виде арматуры вкладывают в железобетонные конструкции. Из категорий С и В изготавливают сварные фермы, каркасы и металлоконструкции, которые затем заливают цементным раствором.

Средние углеродистые группы с большим запасом прочности применяют для рельсов, колес железнодорожных вагонов, шкивов, осей и шестерен механических агрегатов и машин. Некоторые материалы из этой группы допускаются к термической обработке.

Низкоуглеродистые сплавы отличаются хорошей пластичностью при наклепе, но имеют небольшой запас прочности. Выпускаются в виде листов, материал мягкий, легко штампуется, тянется, сюда относится жесть и металл для эмалированных предметов быта. При цементировании стали в производстве увеличивается показатель поверхностной прочности, что позволяет изготавливать малонагруженные шестерни, камеры и т.п.

Среднеуглеродистые металлы и подобные составы с повышенным процентным содержанием марганца отличаются средними прочностными показателями, но снижены пластичность и ударная вязкость. По условиям работы запчастей определяется способ упрочнения стали в виде нормализации, низкого отпуска и высокочастотной закалки и др. из них изготавливают высокопрочную проволоку, пружины, рессоры и повышенные требования к износу сопротивление.

Автоматные виды

Эти материалы маркируются буквой А и цифрами, указывающими концентрацию углерода в сотых долях процента. Легирование свинцом добавляет букву С после А. Введение селена, марганца, теллура позволяет сократить использование режущих инструментов при обработке. На степень удобоукладываемости также влияет добавка фосфора, серы и кальция, последний вводится в виде силикацита в жидкий сплав.

Легированные типы

• высокая твердость материала на поверхности;
• снижение прочности промежуточных слоев и повышение ударной вязкости.

Сталь применяют для изготовления деталей машин и устройств, предназначенных для работы с ударами и переменными нагрузками в условиях повышенного износа.

Цементируемые материалы

Для повышения твердости, контактного сопротивления, износостойкости, прокаливаемости применяют хром, магний, никель, последний элемент повышает вязкость и снижает предел хладноломкости. Цементные составы делятся на две группы:

• средней прочности с пределом текучести менее 700 МПа;
• повышенной прочности при аналогичном показателе в пределах 700-1100 МПа.

По содержанию добавок различают:

• 
  соединения хрома и хром-ванадия, цементируемые на глубину менее 1,5 мм;
• хромомарганцевые композиции включают титан по 0,06 %, марганец и хром по 1 %, они склонны к внутреннему окислению при газовом науглероживании, что приводит к снижению прочностных характеристик;
• хромоникелевомолибденовые сплавы являются представителями мартенситного класса и характеризуются пониженной крутизной, что обусловлено закалкой на воздухе, легированием редкоземельными металлами, повышающими прокаливаемость, статическую прочность и ударопрочность.

Пружинно-рессорные сплавы

Детали работают в условиях упругого деформирования и подвергаются циклическим нагрузкам, поэтому от стали требуются высокие эксплуатационные характеристики, пластичность и сопротивление разрушению. В состав входят:

• марганец — менее 1,2%;
• кремний — менее 2,7%;
• ванадий — до 0,26%;
• хром – до 1,25%;
• никель — менее 1,75%;
• вольфрам — менее 1,2%.

В процессе обработки размеры зерен уменьшаются, стойкость металла увеличивается. Кремниевые сплавы особенно ценны для транспортного производства, если технология не позволяет обезуглероживать их в производстве, стойкость материала остается на уровне заданных параметров. Введение ванадия, хрома, ванадия, никеля способствует замедлению чрезмерного роста зерен при нагреве и повышению прокаливаемости. Пружины и другие упругие элементы также изготавливаются из высокоуглеродистой холоднотянутой проволоки, аустенитной нержавеющей стали и высокохромистой мартенситной стали.

Структура

определение состава стали было бы неполным без изучения ее структуры. Однако этот знак не является постоянным и может зависеть от ряда факторов, например: режима термообработки, скорости охлаждения, степени сплавления. По правилам структуру стали необходимо определять после отжига или нормализации. После отжига металл разделяется на:

• доэвтектоидная структура — с избытком феррита;
• эвтектоидный, состоящий из перлита;
• заэвтектоидный — со вторичными карбидами;
• ледебурит — с первичными карбидами;
• аустенитные — с гранецентрированной кристаллической решеткой;
• ферритные — с кубической объемно-центрированной решеткой.

Определение класса стали возможно после нормализации. Под ним понимается вид термической обработки, включающий нагрев, выдержку и последующее охлаждение. Здесь различают перлитный, аустенитный и ферритный классы.

Классификация и виды

Стали классифицируют по химическому составу, по содержанию добавок, по способу изготовления, по степени раскисления и по другим группам.

По своему химическому составу он бывает углеродистым и легированным. Углерод содержит, кроме углерода и железа, кремний (до 0,3%) и марганец (до 1,1%).

Для придания особых качеств в сплав вводят легирующие добавки (обычно металлы): хром, алюминий, титан, азот, фосфор, кремний, углерод, бор и др.

Низкоуглеродистая высококачественная конструкционная сталь по определению имеет низкую прочность и высокую пластичность.

Высококачественный средний углерод (St 30-55) используется после поверхностной закалки и нормализации для изготовления деталей с высокой прочностью сердцевины. Ст 60 — Ст 85 обладают большей прочностью, износостойкостью, эластичностью.

Высокое качество характеризуется сложным химическим составом с пониженным содержанием фосфора и серы. Сталь обыкновенного качества (доля углерода менее 0,6%) обозначается Ст 1-6. Символы «Ст» обозначают материал обыкновенного качества, а цифры обозначают номера марок по свойствам.

В качественной стали доля углерода дается в сотых долях процента, дополнительно может быть указан вид закалки и степень раскисления. Он характеризуется высокой свариваемостью и высокой пластичностью.

По степени раскисления его делят на следующие виды:

1. Штиль (Ст3сп) – подвергается полному раскислению с минимумом содержащихся в нем примесей и шлаков.
2. Полуспокойная (Ст3пс) — получается при раскислении жидкого металла, менее полная, чем при плавке спокойно, но более, чем при создании кипящего металла.
3. Кипящий (08кп) — неокисленный с высоким содержанием неметаллических включений.

По области использования сталь бывает конструкционной, инструментальной, конструкционной и легированной.

Конструкция имеет отличную свариваемость. На рисунке указан условный номер состава по ГОСТу. Чем он выше, тем прочнее сплав (например, чугун) и ниже его пластичность.

Сплав – универсальный, содержащий специальные примеси. Он содержит более 0,6% кремния, 0,9% марганца. Если содержание легирующего компонента выше 1,5 %, то его записывают цифрой после определенной буквы:

1. Низколегированные – легирующие компоненты до 2,4% (09Г2С, 18ХГТ, 10ХСНД). Отличается высокой прочностью за счет повышенного предела вязкости, что крайне необходимо для конструкций с повышенной ответственностью.
2. Среднелегированные (от 2,4 до 10%).
3. Высоколегированный (от 10 до 50%).

Сталь 09Г2С применяется для парового оборудования, работающего при температурах от -70 до +450°С и давлении, а также для ответственных сварных толстолистовых конструкций в нефтяном и химическом машиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД применяется для сварных конструкций в химическом машиностроении, профилей в автомобилестроении и судостроении. 18HGT используется для элементов, которые работают при высоких скоростях, нагрузках и давлениях.

Спецсталь – это сплав с особыми физическими свойствами. Используется в электротехнической промышленности и точном судостроении.

По нормируемым параметрам он делится на категории: от 1 до 5. В них указывается химический состав, предельная вязкость, механические свойства при растяжении. Например, категория 1 — химический состав не нормируется, категория 3 — имеет нормированную максимальную вязкость при t = +20°С. Для St0 ни химический состав, ни ударная жидкость не нормируются.

Марки стали

Конструкционные сплавы, характеризующиеся обычным качеством и не содержащие легирующих добавок, маркируются символами «Ст». По цифре после букв в названии марки устанавливается объем в данном углеродном сплаве (указывается в десятых долях). За цифрами могут следовать символы «КП»: они определяют, что процесс раскисления в печи над определенным сплавом был проведен не полностью, и поэтому сталь относится к кипящей. Если в названии марки таких букв нет, стальной сплав относится к тихоходным.

Качественная конструкционная нелегированная сталь содержит в наименовании 2 цифры, которые определяют среднее содержание в ней углерода (исчисляется в сотых долях).

В маркировке легированных сплавов допускается указывать следующие символы в виде букв: Х, С, Т, Д, В, Г, Ф, Р и другие.

В начале названия таких марок указываются цифры (один или два), определяющие объем углерода в сплаве. Если цифры отсутствуют, содержание углерода в таких сплавах не превышает 1%.

Символы после первых цифр названия марки показывают состав того или иного сплава. Буквы, содержащие информацию о том или ином компоненте в составе сплава, могут сопровождаться цифрами. При наличии цифры устанавливается среднее содержание компонента, обозначенного буквой (в целых процентах), а при ее отсутствии содержание такого элемента находится в пределах от 1 до 1,5%.

В конце маркировки некоторых марок стали может стоять буква «А». Это свидетельствует о высоком качестве сплава. К таким маркам относятся стали с легирующими включениями и углеродистые стали. К этой категории относятся стали, в которых содержание фосфора и серы не превышает 0,03%.

Понравилась статья? Поделись

Какова ваша оценка этой статьи?

12345 2.1 из 5

Доска почета

Чтобы попасть сюда — пройди тест

Особенности материала

Свойства стали определяются не природой, а человеком.

Он решает, какой состав должен быть у материала, как его получить, как обработать:

• Железо придает сплаву пластическую вязкость, легко поддается обработке.
• Углерод придает твердость, но ее не бывает более 3,39% (иначе материал становится хрупким).
• Для придания нужных свойств основу обогащают легирующими добавками. Зачастую это цветные металлы. Например, хром делает его жаростойким, никель – прочным и устойчивым к коррозии.

Доля легирующих добавок измеряется десятыми долями или несколькими процентами, но резко меняются физико-химические свойства конечного продукта.

Фосфор, сера, свободный кислород, азот снижают порог пластичности и прочности. Они удаляются в процессе плавления.

Свойства сплава также определяются методом плавки – термическая обработка (закалка), горячая/холодная прокатка, другие.

Сталь часто путают с чугуном. Это фактически наиболее близкие сплавы металлов по свойствам и составу.

Процентное содержание углерода в составе позволяет различать сплавы: до 2,14 — стали, больше — чугуна.

Характеристики стали

• Плотность: 7700-7900 кг/м³ (7,7-7,9 г/см³).
• Собственный вес: 75500–77500 Н/м³ (7700–7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
• Удельная теплоемкость при 20 ° C: 462 Дж / (кг ° C) (110 кал / (кг ° C)).
• Температура плавления: 1450-1520 °С.
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Втч/кг).
• Коэффициент теплопроводности при 100 °C:

Хромоникелевая вольфрамовая сталь	15,5 Вт/(м·К)
Хромированная сталь	22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь	41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30)	50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15)	54,4 Вт/(м·К)
Дюралюминиевая сталь	56,3 Вт/(м·К)

• Коэффициент линейного теплового расширения примерно при 20 °C:

сталь Ст3 (класс 20)	{ displaystyle 11 {,} 9 cdot 10 ^ {- 6}} 1/°С
нержавеющая сталь	{ Displaystyle 11 {,} 0 cdot 10 ^ {- 6}} 1/°С

• Предел прочности стали:

конструкционная сталь	373-412 МПа
кремний-хром-марганцевая сталь	1,52 ГПа
инженерная сталь (углеродистая)	314—785 МПа
рельсовая сталь	690-785 МПа

Как расшифровать маркировку: что относится к стали

Это требует, во-первых, хорошего понимания того, какие типы вообще бывают. Это избавит вас от трудностей, например, когда ожидаемая буква имени не будет найдена. Во-вторых, нужно запомнить аббревиатуры химических элементов, которые можно легировать, а также их русское написание, которое представлено в таблице выше. Кроме того, существуют специальные буквы, относящиеся к их прямому назначению. Вот некоторые примеры:

• Ш. Указывает материал для изготовления подшипников. Указал в самом начале. Например, ШХ4 и ШХ15.
• К. Используется для литья паровых котлов. Это конструкционный низколегированный стальной сплав. Буква пишется по цифровому обозначению углерода (20К, 22К).
• L. Может стоять в самом конце и указывать на улучшенные свойства, предназначенные для отливки.
• C. Выгравировано в начале. Указывает на конструкционный металлический сплав. Затем введите лимит потока — цифрами. Плюс после этого используются аббревиатуры «Т», «К» или «Д», обозначающие термоупрочнение, коррозионную стойкость или высокое содержание меди соответственно.

В статье мы рассказали вам все о стали, сколько различают видов и форм, на какие группы они делятся, а также как правильно маркировать продукцию. Смотрите также видео об этом:

Стали инструментального назначения

В этой группе сплавы делятся на штампы, для режущего и измерительного инструмента. Штамповая сталь бывает двух видов.

• Материал для холодной штамповки должен обладать высокой степенью твердости, прочности, износостойкости и термостойкости. Но иметь достаточную вязкость (СтХ12Ф1, СтХ12М, СтХ6ВФ, Ст6Х5ВМФС).
• Термоформуемый материал обладает хорошей прочностью и ударной вязкостью. Наряду с износостойкостью и окалиностойкостью (Ст5ХНМ, Ст5ХНВ, Ст4ХЗВМФ, Ст4Х5В2ФС).

Помимо износостойкости и твердости, сталь для измерительных приборов должна быть стабильна в размерах и легко подтачиваться. Из этих сплавов изготавливают штангенциркули, скобы, шаблоны, линейки, шкалы, плитки. Примером могут служить сплавы СтУ8, Ст12Х1, СтХВГ, СтХ12Ф1.

Определение групп сталей для режущих инструментов достаточно простое. Такие сплавы должны обладать режущей способностью и высокой твердостью в течение длительного времени, даже при воздействии тепла. К ним относятся углеродистые и легированные инструментальные стали, а также быстрорежущие стали. Здесь можно упомянуть следующих ярких представителей: СтУ7, СтУ13А, Ст9ХС, СтХВГ, СтР6М5, СтрюК5Ф5.

Почему сталь сравнивают с чугуном?

Металлы схожи по составу и способу изготовления. Чугун и сталь — это сплавы железа, различающиеся содержанием углерода. В чугуне она составляет свыше 2,14 % от общей массы, а в стали — не более 2,14 %. Помимо процентного содержания углерода в сплаве, они различаются по свойствам. Чугун жаропрочен, теплолюбив, легок и устойчив к коррозии. А сталь прочнее, тверже и легче обрабатывается.

Обозначение с легирующими элементами

Кроме того, это сложнее, так как играет роль состав сплава. Ниже мы приводим таблицу — буквосочетание:

Буква в маркировке	Знак химического элемента	Имя
Икс	Кр	Хром
ИЗ	Сказать	Кремний
Т	10	Титан
Д	Cu	Медь
НА	Ух ты	Вольфрам
Грамм	Г-н	Марганец
Ф	Вт	Ванадий
ЧАС	Девять	Никель
К	Ко	Кобальт
М	Мо	Молибден

Покажем на примере конкретной марки: Первая цифра всегда обозначает количество сотых долей углерода. Затем перечислены буквенные обозначения, отвечающие за присадки. Если рядом с ним нет буквы, этот компонент меньше 1%. На обороте самая последняя буква (в примере не показана) может быть «А» или «Ш» — это соответственно качественная или особо качественная сталь.

Определение и формула стали

На свойства сталей большое влияние оказывает их термическая обработка, вызывающая изменение соотношения соединений и структуры сплавов. Так при медленном охлаждении (отпуске) сталь становится мягкой. При быстром охлаждении (закалке) сталь приобретает большую твердость и некоторую хрупкость.

Еще больше изменяются физико-химические свойства стали при введении легирующих компонентов, которыми являются хром, марганец, никель, кобальт, титан, вольфрам, молибден, медь, кремний, бор, ванадий, цирконий и другие химические элементы. В этом случае легирующие материалы взаимодействуют с железом и углеродом и их соединениями с образованием новых металлических и металлоподобных соединений. В результате происходит изменение всего комплекса механических и физико-химических свойств стали.

Плюсы и минусы

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

Преимущества стали:

1. Прочность, твердость.
2. Вязкость, эластичность.
3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко гнуть, сваривать, резать.
4. Износостойкость, долговечность.
5. Распределение сырья.
6. Простота, экономичность в производстве.
7. Выберите материал с нужными свойствами. Они обеспечиваются разнообразием состава и способов обработки.

Плюс доступность продуктов.

Недостатки материала:

1. Массивность.
2. Защита от коррозии.
3. Склонность к накоплению электрического потенциала.

Эти ошибки не критичны, есть способы их нейтрализовать.

Кислородно-конвертерный метод

Это метод, которому присвоено звание универсального. Используется в производстве ферромагнитных сплавов. Сталь расплавляется жидким чугуном и шихтой. Используется конвертер, футерованный огнеупорными материалами. Для ускорения процесса окисления через него пропускают поток воздуха.