Характеристика сталей их классификация. Классификация углеродистых сталей: марки, маркировка, свойства, применение

Стали классифицируют:

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

По химическому составу стали подразделяют:

• - на углеродистые (низкоуглеродистые до 0,2% С, среднеуглеродистые 0,2-0,45; высокоуглеродистые, содержащие более 0,5% С);
• - легированные (сумма легирующих элементов у низколегированных сталей до 2,5%; у среднелегированных 2,5-10,0%; у высоколегированных - более 10,0%).

При определении степени легирования содержание углерода во внимание не принимают, марганец и кремний считаются легирующими элементами при их содержании более 1 и 0,8% соответственно.

При обозначении марок стали используют следующие обозначения химических элементов: Г - марганец, М - молибден, Д - медь, Р - бор, С - кремний, В - вольфрам, Ю - алюминий, П - фосфор, Н - никель, Ф - ванадий, Б - ниобий, А - азот, X - хром, Т - титан, К - кобальт, Ц - цирконий.

Для маркировки стали в России пользуются определенным сочетанием цифр и букв, показывающих примерный химический состав стали.

Первые цифры в марке стали указывают содержание углерода в сотых долях процента. Если в начале маркировки перед буквами стоит одна цифра, то она выражает содержание углерода в десятых долях процента; при содержании углерода свыше 1% цифру перед буквами не ставят.

Далее в маркировке следуют буквы, показывающие наличие соответствующих легирующих элементов в составе стали. Цифры за буквами показывают среднее (округленное до 1) процентное содержание легирующего элемента. При этом если содержание элемента до 1,5%, цифра не ставится. В отдельных случаях может быть указано более точно содержание легирующего элемента. Например, сталь 32Х06Л - содержит в среднем 0,32% С и 0,6% Сг. Последняя буква «Л» указывает, что сталь литейная.

Для обозначения высококачественной легированной стали в конце маркировки добавляют букву «А». Высококачественная сталь содержит меньше серы и фосфора, чем качественная.

Некоторые стали специального назначения выделены в отдельные группы и имеют особую маркировку. Каждой группе присваивается своя буква и ставится впереди:

Ж - хромистая нержавеющая сталь;

Я - хромоникелевая нержавеющая сталь;

Р - быстрорежущая сталь;

Ш - шарикоподшипниковая сталь;

Е - электротехническая сталь.

Структура стали - менее устойчивый классификационный признак, так как зависит от скорости охлаждения (толщины стенки отливок) , степени легирования, режима термообработки и других изменяющихся факторов, но структура готового изделия позволяет объективно оценивать его качество.

Стали по структуре классифицируют в состояниях после отжига и нормализации.

В отожженном состоянии стали подразделяют:

• - на доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит;
• - эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;
• - заэвтектоидные, в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита;
• - ледебуритные, в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды;
• - аустенитные",
• - ферритные.

После нормализации стали подразделяют на следующие структурные классы:

• - перлитный;
• - аустенитный;
• - ферритный.

На формирование структуры стали в наибольшей степени влияет углерод. Структура стали без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита (структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит). Количество цементита в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшаются вязкость, относительное удлинение и сужение.

Для заэвтектоидных сталей на их механические свойства сильное влияние оказывает вторичный цементит, который образует хрупкую сетку вокруг зерен перлита. Эта сетка способствует преждевременному разрушению стального изделия под нагрузкой. Поэтому заэвтектоидные стали применяют после специального отжига, в результате которого получают в структуре зернистый перлит.

Уменьшение содержания углерода ниже 0,3% и увеличение сверх 0,4% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Дальнейшее увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при обработке давлением и ухудшает ее свариваемость - способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.

Кремний слабо влияет на структуру и механические свойства углеродистой стали, но как раскислитель он способствует улучшению литейных свойств. Кремний сильно повышает предел текучести стали, что снижает ее способность к вытяжке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.

Марганец является хорошим десульфуратором и раскислителем (уменьшает вредное влияние серы и кислорода); способствует повышению механических свойств стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). В отечественной практике содержание марганца выдерживают в пределах 0,35-0,65% в низкоуглеродистых сталях и 0,5-0,8% в средне- и высокоуглеродистых. Многие зарубежные фирмы предпочитают иметь в углеродистых сталях 0,9-1,1% марганца.

Сера является вредной примесью в стали, ее содержание не должно превышать 0,06%. С железом сера образует химическое соединение - сульфид железа (легкоплавкий эвтектический сплав), располагающийся обычно по границам зерен металлической матрицы. При нагревании стали до 1000-1300 °С эвтектика расплавляется и нарушается связь между зернами металла, т.е. происходит охрупчивание.

При наличии в стали марганца исключается образование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости.

Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механические свойства стали, в особенности пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали.

Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений - оксидов и нитридов. Концентрируясь по границам зерен, они повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Например, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.

Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород - являются постоянными примесями в стали. Кроме них в стали могут быть случайные примеси , попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из стального лома (скрапа) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах и не оказывают существенного влияния.

По назначению стали делятся на три группы:

конструкционные, предназначенные для изготовления деталей машин и элементов строительных конструкций. Подразделяются на детали:

• - обыкновенного качества;
• - улучшаемые;
• - цементуемые;
• - автоматные;
• - высокопрочные;
• - рессорно-пружинные;

инструментальные", подразделяют на подгруппы по изготовлению:

Режущего инструмента; измерительного инструмента; штам- пово-прессовой оснастки;

стали специального назначения с особыми физическими и механическими свойствами:

• - нержавеющие (коррозионно-стойкие);
• - жаростойкие;
• - жаропрочные;
• - износостойкие и др.

По качеству стали классифицируются на:

обыкновенного качества, содержат до 0,06% S и 0,07% Р;

качественные, содержащие до 0,035% S и 0,035% Р;

высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р;

особо высококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.

Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов.

По степени раскисления стали классифицируют:

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

Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали.

Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины.

Дендритная ликвация вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки) сечении значительно ниже, чем в продольном.

Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней - уменьшается. Это приводит к значительному ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.

Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей окиси углерода, создавая впечатление «кипения» стали.

Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Эти стали выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (менее 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листовой прокат из такой стали предназначен для изготовления деталей кузовов автомобилей вытяжкой, имеет хорошую штампуемость в холодном состоянии.

Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в плавильной печи и в ковше, а окончательно - в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.

Стали, используемые в сварных металлоконстукциях, различаются по ряду признаков, отражающих их изготовление, служебные свойства и область применения. Важнейшими из этих признаков являются:

· способ выплавки и разливки стали;

· степень раскисленности;

· химический состав;

· состояние поставки;

· уровень (класс) прочности;

По способу выплавки применяемую в сварных металлоконструкциях сталь можно разделить на мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь.

До 1960 г. для металлоконструкций использовали почти исключительно сталь, выплавленную в мартеновских печах. В последующие периоды во всем мире получил большое распространение наиболее производительный способ выплавки в кислородных конверторах с использованием для продувки через расплавленный металл кислорода высокой чистоты не менее 99,5% О 2 . Качество кислородно-конверторной стали не уступает качеству мартеновской, и с 1971 г. эти виды стали не разделяются.

С пуском крупных электродуговых печей, имеющих массу плавки 100-250 т и более, увеличилась выплавка стали в электропечах. Эта сталь отличается повышенной чистотой по содержанию вредных примесей - серы и фосфора.

В процессе электрошлакового переплава исходные заготовки (слябы) из стали мартеновской, кислородно-конвертерной или электростали переплавляются с нагревом электрическим током под слоем расплавленной шлаковой смеси специального химического состава. При этом содержание серы и кислорода уменьшается в 2-3 раза. Неметаллические включения, еще остающиеся в слитке, имеют малые размеры и равномерно распределены по объему.

По степени раскисленности сталь разделяется:

·кипящая (кп);

·полуспокойная (пс);

·спокойная (сп).

При выплавке стали в мартене или конвертере из передельного чугуна, содержащего 3-4 % углерода, окисление углерода (до содержания 0,06-0,25%С в стали) связано с образованием газообразных продуктов СО и СО 2 , вызывающих кипение металлической ванны. Если не проводить раскисления, то кипение продолжается после выпуска плавки в ковш и после разливки ее в изложницы до затвердевания слитка. Такая сталь называется кипящей .

Выделение газообразных продуктов при кристаллизации слитка кипящей стали приводит к резкому усилению его неоднородности по содержанию С, S и P, называемой ликвацией. Головная (верхняя) часть и сердцевина слитка обогащены примесями. Зона максимального содержания ликвирующих элементов в слитке кипящей стали расположена на расстоянии 5-15 % высоты слитка от его верха, ликвация по углероду достигает 400 % и по сере 900% среднего содержания этих элементов в плавке.

Идущая в отход при прокатке головная часть слитка (обрезь) кипящей стали составляет 4-10 % его массы. Но и в оставшейся части слитка после его прокатки имеются обширные зоны ликвации с содержанием С до 0,3-0,4% и серы до 0,15% при среднеплавочном содержании С = 0,12-0,22 % и S <= 0,05%. В результате разные листы и профили, входящие в одну партию (плавку) кипящей стали, но изготовленные из разных частей слитка (головной, средней или донной), неодинаковы по содержанию C, S и P.

Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате, а также в ковше при выпуске из печи. При этом в жидкий металл вводятся энергичные раскислители: марганец, кремний. алюминий, иногда кальций или титан. Эти элементы обладают значительно большим сродством к кислороду, чем углерод, поэтому окисление углерода прекращается, и сталь перестает кипеть. Благодаря этому слитки спокойной стали гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящей. Ликвация по углероду лишь на 60%, а по сере на 110% превышает среднеплавочное содержание этих элементов.

Вместе с тем затвердевание слитка спокойной стали связано с образованием большой усадочной раковины. Для получения бездефектного тела слитка сталь разливают в изложницы с теплоизолирующими прибыльными надставками. Усадочная раковина образуется в верхней утепленной части слитка, которую перед прокаткой удаляют. Обрезь составляет 12-16% массы слитка. Поэтому выход годного проката из слитков спокойной стали меньше, чем из слитков кипящей. Вследствие этого, а также из-за большей продолжительности плавки за счет операции раскисления, дополнительного расхода ферросплавов и алюминия спокойная сталь дороже кипящей.

Низкое качество кипящей стали и небольшая технико-экономическая эффективность спокойной стали послужили стимулом к разработке варианта с промежуточной степенью раскисления – полуспокойной стали. Она выплавляется, как кипящая, но в ковше или при разливке в изложницы обрабатывается небольшим количеством раскислителей, гораздо меньшим, чем при выплавке спокойных сталей. Обычно применяют комплексное раскисление ферросилицием и алюминием. Быстрое прекращение кипения и затвердевание головной части слитка предотвращает развитие большой химической неоднородности. При этом для ликвации в слитках полуспокойной стали характерно превышение среднеплавочного содержания углерода на 80% и серы на 150%. Расстояние осевой ликвационной зоны от верха слитка составляет 15-30% его высоты; головная обрезь - 3-5% массы слитка.

Производство полуспокойных сталей характеризуется высокой технико-экономической эффективностью. В сравнении с производством спокойной стали выход годного проката из слитков выше на 8-10%, расход ферросилиция на раскисление снижен в 2-5 раз, алюминия в 5 раз, существенно уменьшается количество изложниц. Себестоимость и цена проката из полуспокойной стали на 2-9% ниже, чем из спокойной. Вместе с тем по качеству в части однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, сопротивления хрупкому разрушению и показателям прочности прокат полуспокойной стали уступает прокату спокойной стали, занимая промежуточное положение.

Химический состав стали - главная ее характеристика. Он определяет ее марку. При этом содержание химических элементов для данной марки стали задается не дискретно, а некоторым интервалом, в пределах которого изменение хим. состава не должно сопровождаться выведением свойств за границы гарантируемых уровней. Ширина интервала связана с возможностью сталеплавильного производства соблюдать заданную композицию.

Стали, в которых отсутствуют специальные добавки легирующих элементов или имеется лишь небольшое их количество, обусловленное технологией выплавки, называются углеродистыми.

- низкоуглеродистые (до 0,25 % С);

- среднеуглеродистые (0,3-0,6 % С);

- высокоуглеродистые (свыше 0,6 % С).

Для сварных металлоконструкций используются преимущественно стали с низким содержанием углерода. Они поставляются по ГОСТ 380-88, ГОСТ 14637-89 и ГОСТ 27772-88, а также сталь по ГОСТ 1050-88 главным образом в виде труб.

Стали, в которые специально вводятся добавки легирующих элементов для обеспечения требуемых свойств, называются легированными . Они могут содержать один, два, три и более легирующих элемента. Так, различают марганцовистую, хромистую, кремнемарганцовистую, хромоникелевую, хромоникельмолибденовую и другие легированные стали.

Легированные стали с небольшим содержанием легирующих элементов, обычно в сумме не превышающем 2-3 % по массе, и с низким содержанием углерода, используемые в строительстве, машиностроении, судостроении для изготовления сварных металлоконструкций, выделены в особую группу, их называют низколегированными . Прокат низколегированных сталей для металлоконструкций поставляется по ГОСТ 19281-89 (сортовой и фасонный), ГОСТ 19282-73 (листы и широкие полосы), ГОСТ 6713-91, ГОСТ 27772-88 и другим ТУ.

Стали с общим содержанием легирующих элементов от 3 до 10% - среднелегированные .

Марки стали

Маркировка всех легированных сталей однотипная: первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента; буквы - условное обозначение легирующих элементов; цифра после буквы - примерное содержание легирующего элемента (единица и меньшее значение не ставятся); буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная и имеет пониженное содержание серы и фосфора.