Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей

       Как правило, легирующие элементы существенно  повышают стоимость стали, а некоторые  из них к тому же являются дефицитными  металлами, поэтому добавление их в  сталь должно быть строго обосновано.

       Существует  несколько классификаций, позволяющих  систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с  учетом ее свойств.

       Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в  отожженном или нормализованном  состоянии, по качеству и по назначению. 

                                1.3.Классификация сталей

       По  химическому составу прежде всего  все стали можно разделить  на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь  легированные стали в зависимости  от числа легирующих элементов различают  как  трехкомпонентные (содержат кроме  железа и углерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и  т.д. Более  распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д.

       По  степени легирования, т.е. по содержанию легирующих элементов, стали условно  подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5-5 % легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

       По  способу выплавки. Углеродистые стали  выплавляют главным  образом мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь  выплавляют в электрических дуговых  печах.

       В зависимости от степени раскисления  при выплавке стали  могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или  кипящими (кп), что и указывают  в марке. Спокойные, полуспокойные  и кипящие стали при одинаковом содержании углерода имеют практически  одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая  обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной  стали 0,15-0,35 %, в полуспокойной 0,05-0,15 %, в кипящей <0,05 %. Легированные  стали выплавляют только спокойными в мартеновских или электрических  печах.

       В результате уменьшения содержания кремния  в феррите кипящих сталей они  становятся мягкими, поэтому кипящая  сталь хорошо штампуется в холодном состоянии (например, для изготовления деталей глубокой вытяжкой). Но из-за большого содержания газов, особенно азота, кипящие стали склонны к деформационному  старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали  становятся хрупкими уже при -10 °С, в то время как спокойные  стали, содержащие одинаковое количество углерода, могут работать до -40 °С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их используют для изготовления неответственных деталей.

       По  структуре в отожженном состоянии  стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, например, хрома. К ледебуритному  классу относятся стали с большим  содержанием углерода и карбидообразующих  элементов, в результате чего в их структуре  имеются первичные  карбиды - легированный ледебурит.

       По  структуре после охлаждения на воздухе  легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный (рис.2) (структуру во всех случаях определяют по образцам небольшого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных температур при разном содержании легирующих элементов и углерода получаются различные структуры.

       В основе классификации стали по качеству лежит содержание  вредных примесей - серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь  качественную конструкционную и  сталь высококачественную.

       Углеродистые  стали общего назначения (ГОСТ 380-71) содержат повышенное количество S (до 0,05 %) и Р (до 0,04 %, Ст0 до 0,07 % Р). Эти стали  выплавляют преимущественно в больших  мартеновских печах скрап-рудным процессом  или в кислородных конвертерах. Обозначение марок стали - буквенно-цифровое: буквы Ст означают "сталь" цифры  от 0 до 6-условный номер марки, например, Ст0, Ст2...Ст6. Степень раскисленности стали обозначают буквами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали  марок Ст0-Ст4, полуспокойными и спокойными можно выплавлять все стали от Ст1 до Ст6.

       Сталь подразделяют на три группы: А, Б  и В в марках указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); БСт3кп (сталь 3, группы Б, кипящая); ВСт3пс (сталь 3, группы В, полуспокойная); ВСт4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и  т.п.

       Химический  состав стали группы А не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики  используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам s_в, s_т, и d. С увеличением номера стали прочность растет, а пластичность уменьшается:

       Сталь    Ст1пс    Ст3пс и Ст3сп Ст6сп

       s_в, Мпа   320-420      380-490          >600

       s_т, Мпа      -           210-250              300-320

       d, %   31-34     23-26              12-15

       Стали группы Б поставляют по химическому  составу, так как  эти стали  в дальнейшем обычно подвергают различной  обработке  (ковке, сварке, термической  обработке) с целью получения  нужного заказчику комплекса  механических свойств.

       Стали группы В поставляют по химическому  составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А  и Б.

       Углеродистая  сталь обыкновенного качества - дешевая  и во многих случаях удовлетворяет  требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей.

       Качественные  стали. В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04 % серы и 0,04 % фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее  содержание растворенных газов. В случае примерно одинакового содержания углерода качественные стали имеют более  высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного  качества особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Марки сталей обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0,07-0,08 % для одной марки), степень раскисленности - буквами пс, кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10кп (0,10 % С, кипящая), сталь 30пс (0,30 % С, полуспокойная), сталь 45 (0,45 % С, спокойная) и т.д. Качественные углеродистые стали поставляются заказчику в различном состоянии: без термической обработки, после нормализации, различной степени пластической деформации и т.д.

       В высококачественных сталях стремятся  получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S£0,035 % и Р£ 0,035 %). Поскольку при этом стоимость стали существенно возрастает, конструкционные углеродистые стали редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, например, сталь У10А. Легированные стали выплавляют только качественными, а чаще - высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в нашей стране принята буквенно-цифровая система.

       Легирующие  элементы обозначают следующими буквами: хром - Х, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан - Т, азот - А, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - Ю, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц.

       Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок  стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых  долях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1 %, ставят после соответствующей буквы  в целых единицах. Например, сталь  марки 18ХГТ содержит около 0,18 % С; 1 % Сг; 1 % Мn и около 0,1 % Тi; марки 12ХН3 -0,12 % С; 1 % Сг и 3 % Мn.

       Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение  буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая  маркировка показывает, что сталь  выплавлена на заводе "Электросталь" (буква  Э), сталь исследовательская (буква  И) или пробная (буква П). Состав таких сталей приведен в справочниках.

       Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они  содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей.

       По  назначению стали подразделяют на три  основные группы:  конструкционные, инструментальные и с особыми  свойствами. В основу классификации  первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0,25 % С, используют как котельные, строительные и  для  деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в котельных  и строительных сталях обусловлено  тем, что детали котлов и строительных  конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.

       Для деталей машин, испытывающих ударные  нагрузки, применяют стали, содержащие 0,36-0,50 % С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т.д.). Эти  стали подвергают термической обработке-закалке с  последующим высокотемпературным  отпуском (улучшению).

       Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50-0,70 % С. Эти стали также применяют  только после соответствующей термической  обработки.

       Из  стали с 0,7-1,5 % С изготавливают  ударный и режущий инструмент.

       Углеродистые  стали маркируют У7, У8..., У13, где  буква У означает углеродистую сталь, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, т.е. сталь У10 содержит 1 % С. Эти стали  иногда выплавляют высококачественными  и тогда их маркируют 10А или  УЗА и т.п. Химический состав и  механические свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в ГОСТ 1435-74.

       У инструментальных легированных сталей содержание углерода также обозначают в десятых долях процента, например, сталь 9ХС содержит 0,9 % С; 1 % Сг и 1,4 % Si. Если углерода больше 1 %, то цифры не указывают, например, стали ХВГ, ХГ и т.д.

       Стали и сплавы с особыми свойствами.

       К ним относят коррозионностойкие и кислотоупорные; жаропрочные и  жаростойкие стали и сплавы: с  особыми магнитными свойствами и  т. д. 

                                    1.4.Дефекты легированных сталей

       Кроме дефектов, характерных для углеродистых сталей, в легированных сталях проявляются  и специфические дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная  хрупкость II рода.

       Дендритная  ликвация. Наличие легирующих элементов увеличивает температурный интервал кристаллизации. Кроме того, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Устраняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.

       Флокены. Как уже отмечалось, газы оказывают различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их нежелательное присутствие, так как свойства сталей ухудшаются, например, возникает один из дефектов легированных сталей–флокены (трещины, которые можно выявить при макротравлении). На изломах флокены имеют вид блестящих круглых или овальных пятен, являющихся поверхностью трещин. Установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200 °С после ковки или прокатки вследствие присутствия в металле водорода, растворившегося в жидком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали  из твердого раствора, он вызывает сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в конструкционных сталях, содержащих хром и никель. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл в области 250–200 °С охлаждают медленно или подвергают выдержке при этих температурах. 

       Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают  из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10–0,30 % С, подвергая их затем цементации.