Сталь как пишется в химии

Сталь — ковкий сплав железа с углеродом и другими легирующими элементами. Ее используют для изготовления металлопроката, посуды, медицинских инструментов, механизмов и различных деталей для промышленности. Сплав почти на 99 % состоит из железа. Углерод занимает от 0,1 до 2,14 % общей массы металла. Углерод, марганец, кремний, магний, фосфор и сера изменяют физико-химические свойства стали. Количество примесей определяет способы обработки металла и сферы его применения. Производство стали занимает весомую долю черной металлургии.

Из чего делают сталь?

Сталь — одна из самых востребованных в промышленности. Железо и углерод — основные компоненты для изготовления стали. Железо отвечает за пластичность и вязкость, а углерод — за твердость и прочность.

Получают деформируемый сплав железа, который поддается механической, термической, токарной и фрезерной обработке. Литьем, прессованием, резкой, шлифовкой и сверловкой добиваются нужной формы. Стальные изделия получают с точно выверенными размерами.

Железо и углерод занимают львиную долю от общей массы, но кроме них сталь всегда содержит другие примеси. Чистота по неметаллическим включениям определяет качества стали. Оксиды, сульфиды и вредные примеси делают ее хрупкой и непластичной. Их содержание снижают очисткой или вводят дополнительные компоненты, чтобы добиться нужных физико-химических свойств.

Примеси бывают полезными и вредными. Разделение условное и означает то, что элементы улучшают химический состав стали или ухудшают его свойства. К полезным элементам относятся марганец и кремний. Сера, фосфор, кислород, азот, водород — вредные примеси в составе стали.

Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?

Эффект от различных элементов в сталях:

• Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует вредное воздействие серы.
• Кремний улучшает прочность и способствует раскислению сплава, удаляя оксиды и сульфиды.
• Сера ухудшает пластичность и вязкость. Ее большое содержание проявляется красноломкостью: во время горячей обработки металл трескается в области красного или желтого каления.
• Фосфор снижает пластичность и ударную вязкость сплава. Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости: при механической обработке металл трескается или разламывается на куски.
• Кислород и азот разрушают структуру стали, ухудшают вязкость и пластичность.
• Водород приводит к хрупкости металла.

Чтобы удалить вредные примеси и неметаллические включения, жидкую сталь рафинируют. Используют комбинированное рафинирование в печи и вне печи. К примеру, раскисление, десульфурацию, дегазацию и другое. За счет очистки структура металла становится однородной, а качество возрастает.

Почему сталь сравнивают с чугуном?

Металлы похожи составом и способом изготовления. Чугун и сталь — сплавы железа, отличающиеся по концетрации углерода. В чугуне его свыше 2,14 % от общей массы, а в стали — не больше 2,14 %. Кроме процентной доли углерода в сплаве, они различны по свойствам. Чугун жаростойкий, теплоемкий, легкий и устойчивый к коррозии. А сталь прочнее, тверже и легче поддается механической обработке.

Плюсы и минусы стали

Сталь классифицируется по химическому составу и физическим свойствам. Разным маркам металла характерны свои преимущества и недостатки.

По сравнению с другими сплавами сталь отличается:

• высокой прочностью;
• твердостью;
• устойчивостью к ударной, статической и динамической нагрузке;
• пригодностью к сварке, резке и гибке заготовок механическим или ручным способом;
• многолетней износостойкостью;
• доступной стоимостью.

К минусам стали относится нестойкость к коррозии, тяжелый вес и намагничивание. Чтобы изделия из стали не портились, изготавливают нержавеющие марки. Чтобы получить устойчивый к коррозии сплав, добавляют хром. Также в составе могут присутствовать никель, молибден, титан, сера, фосфор.

Способы производства

Используют три метода изготовления стали, у каждого из которых свои достоинства и недостатки.

Мартеновские печи

Применяемые печи выкладывают из хромо-магнезитового кирпича. В них плавят сырье, окисляют сплав и удаляют посторонние включения. Печи могут быть использованы для изготовления углеродистых и легированных сталей. Они нагреваются до температуры +2000оС, позволяют добавлять различные примеси.

Кислородно-конвертерный метод

Это способ, получивший звание универсального. Его используют в производстве ферромагнитных сплавов. Выплавляют сталь из жидкого чугуна и шихты. Задействуют конвертер, облицованный огнеупорными материалами. Чтобы ускорить процесс окисления, через него подают струю воздуха.

Электродуговой способ

Принцип производства заключается в выделении тепла при горении электрической дуги. Тепловой режим обеспечивает плавление сырья под температурой +6000оС. Благодаря нему получаются высококачественные сплавы. У этой группы больше остальных хорошо раскисленных сталей.

Как получают сталь?

Производство стали состоит из нескольких этапов. Нарушения технологии влияют на свойства металла.

Расплавление шихты железных руд и нагрев ванны жидкого металла

На первом этапе плавят сырье на низкой температуре. При постепенном повышении температуры окисляется железо, кремний, марганец, фосфор. Затем повышают содержание оксида кальция, чтобы удалить фосфор.

Кипение ванны металла

Повышение температуры и интенсивное окисление железа путем введения руды, окалины и кислорода. Введение добавок позволяет получить оксид железа. С ним будет взаимодействовать углерод. Образующиеся пузырьки оксида углерода приводят сплав в кипящее состояние. К пузырькам прилипают сторонние примеси, тем самым очищая состав стали. Также удаляют сульфид железа, чтобы избавиться от серы.

Раскисление стали

В этом процессе восстанавливают оксид железа, который был растворен в жидком металле. Когда плавят шихту, кислород окисляет примеси, но в готовой стали он не нужен. Кислород понижает механические свойства стали, поэтому его нужно восстановить и удалить. Раскисляют стали ферромарганцем, ферросилицием, алюминием. Попадая в сплав, раскислители образуют оксиды низкой плотности, а затем отходят в шлак.

Как классифицируют сталь?

Физико-механические свойства и химический состав определяют виды металла. Сталь делят по составу, методу получения, структуре и примесям. Углеродистые и легированные стали различают по содержанию углерода и легирующим элементам. Сплавы обычного и высокого качества делят по содержанию примесей. Инструментальные, конструкционные и специальные стали делят в зависимости от назначения.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь содержит углерод от 0,1 до 2,14 %. Количество углерода определяет группы стали:

• Низкоуглеродистые содержат меньше 0,3 % углерода.
• Среднеуглеродистые — от 0,3 до 0,7 %.
• Высокоуглеродистые — более 0,7 до 2,14 %.

По процентному содержанию углерода определяют структуру сплава. Сталь с 0,8 % углерода сохраняет ферритно-перлитную структуру, с повышением меняет ее на перлит и цементит. Преобразования каждой фазы отражаются на прочностных характеристиках. Также углеродистые стали разделяют на группы А, Б, В, которые в свою очередь делятся на категории и марки.

Легированные

Сталь обогащают марганцем, хромом, никелем, молибденом и другими легирующими элементами. Количество примесей считают суммарно. В зависимости от их содержания различают:

• низколегированные — до 2,5 % примесей;
• среднелегированные — от 2,5 до 10 %;
• высоколегированные — более 10 %.

Марганцем повышают прочность и твердость материала, хромом — стойкость к ударам, жаропрочность и устойчивость к коррозии. Никель делает сталь упругим и стойким к высоким температурам.

Марки стали отличаются сложной структурой. Обязательно указывают их состав в порядке убывания. Начинают с доли углерода, а затем прописывают меньшие доли легирующих добавок.

Спокойные, полуспокойные и кипящие

Стали классифицируют по степени раскисления. Чем меньше в сплаве газов, тем равномернее его структура и чище состав. Спокойные стали содержат меньше закиси железа, а кипящие — большое количество оксидов. Пузырьки оксида углерода ухудшают прочностные и пластичные свойства металла. Спокойные стали стабильны, их используют в изделиях ответственного назначения. Полуспокойные марки — среднепрочные, их задействуют как конструкционный материал. Кипящие разрушаются, трескаются и плохо поддаются сварке, поэтому и стоят меньше. Они разрешены в простых конструкциях.

Строительные

Низколегированные сплавы обычного качества. Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, выдерживают статические и динамические нагрузки, пригодны к сварке.

Инструментальные

Высокоуглеродистые или высоколегированные сплавы. Их используют для изготовления штампов, режущего и измерительного инструмента. Разделяют соответственно на штамповые металлы, сплавы для режущего и измерительного инструмента. Названия группы зависит от назначения сталей. К примеру, штамповую сталь используют для изготовления инструментов, которыми будут обрабатывать металлы под давлением.

Конструкционные

Стали с низким содержанием марганца. Их делят на цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые и другие. Используют для изготовления узлов механизмов или конструкций.

Стали специального назначения

Эти сплавы относятся к конструкционным сталям. Они бывают жаропрочными, жаростойкими, кислотоупорными, криогенными, электротехническими, парамагнитными, немагнитными.

Любому специалисту, имеющему дело с металлом, знакомо понятие «марки стали». Расшифровка маркировки стальных сплавов дает возможность получить представление об их химическом составе и физических характеристиках. Разобраться в данной маркировке, несмотря на ее кажущуюся сложность, достаточно просто – важно только знать, по какому принципу она составляется.

Обозначают сплав буквами и цифрами, по которым можно точно определить, какие химические элементы в нем содержатся и в каком количестве. Зная это, а также то, как каждый из таких элементов может влиять на готовый сплав, можно с высокой степенью вероятности определить, какие именно технические характеристики свойственны определенной марке стали.

Виды сталей и особенности их маркировки

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, при этом содержание последнего в ней составляет не более 2,14%. Углерод придает сплаву твердость, но при его избытке металл становится слишком хрупким.

Одним из важнейших параметров, по которому стали делят на различные классы, является химический состав. Среди сталей по данному критерию выделяют легированные и углеродистые, последние подразделяются на мало- (углерода до 0,25%), средне- (0,25–0,6%) и высокоуглеродистые (в них содержится больше 0,6% углерода).

Включая в состав стали легирующие элементы, ей можно придать требуемые характеристики. Именно таким образом, комбинируя вид и количественное содержание добавок, получают марки, обладающие улучшенными механическими свойствами, коррозионной устойчивостью, магнитными и электрическими характеристиками. Конечно, улучшать характеристики сталей можно и при помощи термообработки, но легирующие добавки позволяют делать это более эффективно.

По количественному составу легирующих элементов различают низко-, средне- и высоколегированные сплавы. В первых легирующих элементов не более 2,5%, в среднелегированных – 2,5–10%, в высоколегированных – более 10%.

Классификация сталей осуществляется и по их назначению. Так, выделяют инструментальные и конструкционные виды, марки, отличающиеся особыми физическими свойствами. Инструментальные виды используются для производства штамповых, мерительных, а также режущих инструментов, конструкционные – для выпуска продукции, применяемой в строительстве и сфере машиностроения. Из сплавов, отличающихся особыми физическими свойствами (также называемых прецизионными), изготавливают изделия, которые должны обладать особыми характеристиками (магнитными, прочностными и др.).

Стали противопоставляются друг другу и по особым химическим свойствам. К сплавам данной группы относятся нержавеющие, окалиностойкие, жаропрочные и др. Что характерно, нержавеющие стали могут быть коррозионностойкими и нержавеющими пищевыми – это разные категории.

Кроме полезных элементов, сталь включает и вредные примеси, к основным из которых относятся сера и фосфор. В ней также находятся газы в несвязанном состоянии (кислород и азот), что негативно отражается на ее характеристиках.

Если рассматривать основные вредные примеси, то фосфор увеличивает хрупкость сплава, особенно сильно проявляющуюся при низких температурах (так называемая хладноломкость), а сера вызывает появление трещин в металле, нагретом до высокой температуры (красноломкость). Фосфор, ко всему прочему, значительно уменьшает пластичность нагретого металла. По количественному содержанию этих двух элементов выделяют стали обыкновенного качества (не более 0,06–0,07% серы и фосфора), качественные (до 0,035%), высококачественные (до 0,025%) и особовысококачественные (сера – до 0,015%, фосфор – до 0,02%).

Маркировка сталей также указывает на то, в какой степени из их состава удален кислород. По уровню раскисления выделяют стали:

• спокойного типа, обозначаемые буквосочетанием «СП»;
• полуспокойные – «ПС»;
• кипящие – «КП».

О чем говорит маркировка сталей

Расшифровать марку стали довольно просто, необходимо только владеть определенными сведениями. Конструкционные стали, обладающие обыкновенным качеством и не содержащие легирующих элементов, маркируют буквосочетанием «Ст». По цифре, идущей после букв в названии марки, можно определить, сколько в таком сплаве углерода (исчисляется в десятых долях процента). За цифрами могут идти буквы «КП»: по ним становится ясно, что данный сплав не до конца прошел процесс раскисления в печи, соответственно, он относится к категории кипящего. Если название марки не содержит таких букв, то сталь соответствует категории спокойной.

Конструкционная нелегированная сталь, относящаяся к категории качественных, имеет в своем обозначении две цифры, по ним определяют среднее содержание в ней углерода (исчисляется в сотых долях процента).

Прежде чем приступить к рассмотрению марок тех сталей, которые включают легирующие добавки, следует разобраться в том, как данные добавки обозначаются. Маркировка легированных сталей может включать такие буквенные обозначения:

Обозначение сталей с легирующими элементами

Как сказано выше, классификация сталей с легирующими элементами включает несколько категорий. Маркировка легированных сталей составляется по определенным правилам, знание которых позволяет достаточно просто определить категорию конкретного сплава и основную область его применения. В начальной части названий таких марок находятся цифры (две или одна), показывающие содержание углерода. Две цифры указывают на его среднее содержание в сплаве в сотых долях процента, а одна – в десятых. Есть и стали, не имеющие в начале названия марки цифр. Это означает, что углерод в этих сплавах содержится в пределах 1%.

Буквы, которые можно увидеть за первыми цифрами названия марки, указывают на то, из чего состоит данный сплав. За буквами, дающими информацию о том или ином элементе в его составе, могут стоять или не стоять цифры. Если цифра есть, то по ней определяется (в целых процентах) среднее содержание указанного буквой элемента в составе сплава, а если цифры нет, значит, данный элемент содержится в пределах от 1 до 1,5%.

В конце маркировки отдельных видов сталей может стоять буква «А». Это говорит о том, что перед нами высококачественная сталь. К таким маркам могут относиться и углеродистые стали, и сплавы с легирующими добавками в своем составе. Согласно классификации, к данной категории сталей причисляются те, в которых сера и фосфор составляют не более 0,03%.

Примеры маркировки сталей различных видов

Определение марки стали и причисление сплава к определенному виду – это задача, которая не должна вызывать никаких проблем у специалиста. Не всегда под рукой есть таблица, в которой дается расшифровка названий марок, но разобраться с этим помогут примеры, которые приведены ниже.

Конструкционные стали, не содержащие легирующих элементов, обозначаются буквосочетанием «Ст». Цифры, стоящие следом, – это содержание углерода, исчисляемое в сотых долях процента. Несколько иначе маркируются низколегированные конструкционные стали. К примеру, в стали марки 09Г2С 0,09% углерода, а легирующие добавки (марганец, кремний и др.) содержатся в ней в пределах 2,5%. Очень похожие по своей маркировке 10ХСНД и 15ХСНД отличаются разным количеством углерода, а доля каждого легирующего элемента в них составляет не больше 1%. Именно поэтому после букв, обозначающих каждый легирующий элемент в таком сплаве, не стоит никаких цифр.

20Х, 30Х, 40Х и др. – так маркируются конструкционные легированные стали, преобладающим легирующим элементом в них является хром. Цифра в начале такой марки – это содержание углерода в рассматриваемом сплаве, исчисляемое в сотых долях процента. За буквенным обозначением каждого легирующего элемента может быть проставлена цифра, по которой и определяют его количественное содержание в сплаве. Если ее нет, то указанного элемента в стали содержится не больше 1,5%.

Можно рассмотреть пример обозначения хромокремнемарганцевой стали 30ХГСА. Она, согласно маркировке, состоит из углерода (0,3%), марганца, кремния, а также хрома. Каждого из данных элементов в ней содержится в границах 0,8–1,1%.

Как расшифровать маркировку сталей?

Чтобы расшифровка обозначения различных видов сталей не вызывала затруднений, следует хорошо знать, какими они бывают. Отдельные категории сталей имеют особенную маркировку. Их принято обозначать определенными буквами, что позволяет сразу понять и назначение рассматриваемого металла, и его ориентировочный состав. Рассмотрим некоторые из таких марок и разберемся в их обозначении.

Конструкционные стали, специально предназначенные для изготовления подшипников, можно узнать по букве «Ш», данная литера ставится в самом начале их маркировки. После нее в названии марки идет буквенное обозначение соответствующих легирующих добавок, а также цифры, по которым узнают количественное содержание этих добавок. Так, в сталях марок ШХ4 и ШХ15, кроме железа с углеродом, содержится хром в количестве 0,4 и 1,5%, соответственно.

Буквой «К», которая стоит после первых цифр в названии марки, сообщающих о количественном содержании углерода, обозначают конструкционные нелегированные стали, используемые для производства сосудов и паровых котлов, работающих под высоким давлением (20К, 22К и др.).

Качественные легированные стали, которые обладают улучшенными литейными свойствами, можно узнать по букве «Л», стоящей в самом конце маркировки (35ХМЛ, 40ХЛ и др.).

Некоторую сложность, если не знать особенностей маркировки, может вызвать расшифровка марок строительной стали. Сплавы данной категории обозначают буквой «С», которую ставят в самом начале. Цифры, следующие за ней, указывают на минимальный предел текучести. В таких марках также используются дополнительные буквенные обозначения:

• литера Т – термоупрочненный прокат;
• буква К – сталь, отличающаяся повышенной коррозионной устойчивостью;
• литера Д – сплав, характеризующийся повышенным содержанием меди (С345Т, С390К и др.).

Нелегированные стали, относящиеся к категории инструментальных, обозначают буквой «У», она проставляется в начале их маркировки. Цифра, идущая за данной буквой, выражает количественное содержание углерода в рассматриваемом сплаве. Стали данной категории могут быть качественными и высококачественными (их можно определить по букве «А», она проставляется в конце названия марки). В их маркировке может содержаться буква «Г», что означает повышенное содержание марганца (У7, У8, У8А, У8ГА и др.).

Инструментальные стали, содержащие легирующие элементы в своем составе, маркируются аналогично с легированными конструкционными (ХВГ, 9ХВГ и др.).

Маркировка тех сталей, которые входят в категорию быстрорежущих, начинается с буквы «Р», за которой идут цифры, указывающие на количественное содержание вольфрама. В остальном марки таких сплавов называются по стандартному принципу: буквы, обозначающие элемент, и, соответственно, цифры, отражающие его количественное содержание. В обозначении таких сталей не указывается хром, так как его стандартное содержание в них составляет около 4%, а также углерод, количество которого пропорционально содержанию ванадия. Если количество ванадия превышает 2,5%, то его буквенное обозначение и количественное содержание проставляют в самом конце маркировки (З9, Р18, Р6М5Ф3 и др.).

По-особому маркируются нелегированные стали, относящиеся к категории электротехнических (их еще часто называют чистым техническим железом). Невысокое электрическое сопротивление таких металлов обеспечивается за счет того, что их состав характеризуется минимальным содержанием углерода – менее 0,04%. В обозначении марок таких сталей нет букв, только цифры: 10880, 20880 и др. Первая цифра указывает на классификацию по типу обработки: горячекатаная или кованная – 1, калиброванная – 2. Вторая цифра связана с категорией коэффициента старения: 0 – ненормируемый, 1 – нормируемый. Третья цифра указывает на группу, к которой данная сталь относится по нормируемой характеристике, принятой за основную. По четвертой и пятой цифрам определяется само значение нормируемой характеристики.

Принципы, по которым осуществляется обозначение стальных сплавов, были разработаны еще в советский период, но и по сей день успешно используются не только в России, но также в странах СНГ. Обладая сведениями о той или иной марке стали, можно не только определять ее химический состав, но и эффективно подбирать металлы с требуемыми характеристиками.

Разбираться в данном вопросе важно как специалистам, разрабатывающим и проектирующим различные конструкции из металла, так и тем, кто часто работает с различными сталями и занимается изготовлением из них деталей разного назначения.

Как часто мы слышим слово «сталь». И произносят его не только профессионалы в области металлургического производства, но и обыватели. Без стали не обходится ни одна прочная конструкция. По сути, когда мы говорим о чем-то металлическом, то подразумеваем изделие из стали. Узнаем, из чего она состоит, и как ее классифицируют.

Определение

Сталь – это самый, пожалуй, популярный сплав, основой которого являются железо и углерод. Причем доля последнего колеблется от 0,1 до 2,14 %, а первый не может быть ниже 45 %. Простота производства и доступность сырья имеют определяющее значение при распространении этого металла на все сферы деятельности человека.

Основные характеристики материала меняются в зависимости от его химического состава. Определение стали, как сплава, состоящего из двух компонентов, железа и углерода, нельзя назвать полным. В него может входить, например, хром — для придания жаропрочности, а никель, чтобы обеспечить устойчивость к коррозии.

Обязательные компоненты материала способствуют появлению дополнительных преимуществ. Так, железо делает сплав ковким и легко деформируемым при определенных условиях, а углерод – прочность и твердость одновременно с хрупкостью. Именно поэтому его доля так мала в общей массе стали. Определение способа производства сплава привело к содержанию в нем марганца в количестве 1 % и кремния – 0,4 %. Существует целый ряд примесей, которые появляются при плавлении металла и от которых пытаются избавиться. Наряду с фосфором и серой, кислород и азот также ухудшают свойства материала, делая его менее прочным и изменяя пластичность.

Классификация

Определение стали как металла с определенным набором характеристик, конечно, не вызывает сомнений. Однако именно ее состав позволяет классифицировать материал по нескольким направлениям. Так, например, различают металлы по следующим признакам:

• по химическому;
• по структурному;
• по качеству;
• по назначению;
• по степени раскисления;
• по твердости;
• по свариваемости стали.

Определение стали, маркировка и все ее характеристики будут описаны далее.

Маркировка

К сожалению, не существует мирового обозначения сталей, что значительно затрудняет торговые операции между странами. В России определена буквенно-цифровая система. Буквами обозначают название элементов и способ раскисления, а цифрами – их количество.

Химический состав

Существует два способа деления стали по химическому составу. Определение, которое дают современные учебники, позволяет различать углеродистый и легированный материал.

Первый признак определяет сталь как малоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую, а второй – низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. Малоуглеродистым называют металл, который может включать согласно ГОСТу 3080-2005, помимо железа, следующие составляющие:

• Углерод – до 0,2 %. Он способствует термическому упрочнению, за счет которого временное сопротивление и твердость повышается в два раза.
• Марганец в количестве до 0,8 % активно вступает с кислородом в химическую связь и не допускает образование оксида железа. Металл лучше выдерживает динамические нагрузки и более податлив термическому упрочнению.
• Кремний – до 0,35 %. С помощью него становятся лучше механические характеристики, такие как вязкость, прочность, свариваемость.

По ГОСТу определение стали в качестве малоуглеродистой дают металлу, который содержит, кроме полезных, целый ряд вредных примесей в следующем количестве. Это:

• Фосфор – до 0,08 % отвечает за появление хладноломкости, ухудшает выносливость и прочность. Снижает ударную вязкость металла.
• Сера – до 0,06 %. Она усложняет обработку металла давлением, увеличивает отпускную хрупкость.
• Азот. Снижает технологические и прочностные свойства сплава.
• Кислород. Снижает прочность и препятствует обработке инструментов при резке.

Следует отметить, что низко- или малоуглеродистые стали отличаются особой мягкостью и пластичностью. Они хорошо деформируются как в горячем, так и в холодном состоянии.

Определение стали среднеуглеродистой так же, как и ее состав, конечно, отличаются от материала, описанного выше. И самым большим различием является количество углерода, которое колеблется от 0,2 до 0,45 %. Такой металл имеет небольшую вязкость и пластичность наряду с отличными свойствами по прочности. Из среднеуглеродистой стали обычно изготавливают детали, применяемые при обычных силовых нагрузках.

Если же содержание углерода составляет свыше 0,5 %, то такая сталь называется высокоуглеродистой. Она имеет повышенную твердость, сниженную вязкость, пластичность, используется при штамповке инструмента и деталей методом горячего и холодного деформирования.

Помимо выявления имеющегося в стали углерода, определение характеристик материала возможно через находящиеся в ней дополнительные примеси. Если в металл, кроме обычных элементов, целенаправленно вводят хром, никель, медь, ванадий, титан, азот в химически связанном состоянии, то его называют легированным. Такие добавки снижают риск хрупкого разрушения, увеличивают коррозионную стойкость и прочность. Их количество и обозначает степень легирования стали:

• низколегированная – имеет до 2,5 % легирующих добавок;
• среднелегированная – от 2,5 до 10 %;
• высоколегированная – до 50 %.

Что это значит? Например, повышение каких-либо свойств стали обеспечиваться следующим образом:

1. Добавление хрома. Позитивно действует на механические характеристики уже в количестве 2 % от общего объема.
2. Введение никеля от 1 до 5 % увеличивает температурный запас вязкости. И снижает хладноломкость.
3. Марганец работает так же, как и никель, хотя значительно дешевле. Однако способствует повышению чувствительности металла к перегреву.
4. Вольфрам — карбидобразующая добавка, обеспечивающая высокую твердость. Поскольку препятствует росту зерна при нагреве.
5. Молибден – дорогостоящая добавка. Которая повышает теплостойкость быстрорежущих сталей.
6. Кремний. Увеличивает кислотостойкость, упругость, окалиностойкость.
7. Титан. Может способствовать образованию мелкозернистой структуру, если сочетается с хромом и марганцем.
8. Медь. Повышает антикоррозионные свойства.
9. Алюминий. Увеличивает жаростойкость, окалийность, ударную вязкость.

Структура

Определение состава стали было бы неполным без изучения ее структуры. Однако этот признак непостоянен, и может зависеть от целого ряда факторов, таких как: режим термообработки, скорость охлаждения, степень легирования. Согласно правилам структуру стали следует определять после отжига или нормализации. После отжига металл разделяют на:

• доэвтектоидную структуру – с избыточным ферритом;
• эвтектоидную, которая состоит из перлита;
• заэвтектоидную – со вторичными карбидами;
• ледебуритную – с первичными карбидами;
• аустенитную – с гранецентрированной кристаллической решеткой;
• ферритную – с кубической объемоцентрированной решеткой.

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

Качество

Определение типов стало по качеству возможным по четырем направлениям. Это:

1. Обыкновенного качества – это стали с содержанием углерода до 0,6 %, которые выплавляют в мартеновских печах или в конвертерах с использованием кислорода. Они считаются наиболее дешевыми и уступают по характеристикам металлам других групп. Примером таких сталей являются Ст0, Ст3сп, Ст5кп.
2. Качественные. Яркими представителями этого типа являются стали Ст08кп, Ст10пс, Ст20. Выплавляются они с применением тех же печей, но с более высокими требованиями к шихте и процессам производства.
3. Высококачественные стали плавят в электропечах, что гарантирует увеличение чистоты материала по неметаллическим включениям, то есть улучшение механических свойств. К таким материалам относят Ст20А, Ст15Х2МА.
4. Особовысококачественные — изготавливают по методу специальной металлургии. Их подвергают электрошлаковому переплаву, который обеспечивает очистку от сульфидов и оксидов. К сталям этого типа относят Ст18ХГ-Ш, Ст20ХГНТР-Ш.

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.

Стали инструментального назначения

В этой группе сплавы делят на штамповые, для режущих и измерительных инструментов. Стали для штампов бывают двух видов.

• Материал для холодного деформирования должен иметь высокую степень твердости, прочности, износостойкости, теплостойкости. Но иметь достаточную вязкость (СтХ12Ф1, СтХ12М, СтХ6ВФ, Ст6Х5ВМФС).
• Материал для горячего деформирования отличается хорошей прочностью и вязкостью. Наряду с износостойкостью и окалиностойкостью (Ст5ХНМ, Ст5ХНВ, Ст4ХЗВМФ, Ст4Х5В2ФС).

Стали для измерительных инструментов, кроме износостойкости и твердости, должны отличаться постоянством размеров и легко шлифоваться. Из этих сплавов изготавливаются калибры, скобы, шаблоны, линейки, шкалы, плитки. Примером могут быть сплавы СтУ8, Ст12Х1, СтХВГ, СтХ12Ф1.

Определение групп сталей для режущих инструментов осуществляется достаточно легко. Такие сплавы должны обладать режущей способностью и высокой твердостью продолжительное время, даже если подвергаются нагреву. К ним относят углеродистые и легированные инструментальные, а также быстрорежущие стали. Здесь можно назвать следующих ярких представителей: СтУ7, СтУ13А, Ст9ХС, СтХВГ, СтР6М5, СтРЮК5Ф5.

Раскисление сплава

Определение стали по степени раскисления подразумевает три ее вида: спокойная, полуспокойная и кипящая. Само же понятие обозначает удаление кислорода из жидкого сплава.

У спокойной стали при затвердевании газы почти не выделяются. Так происходит из-за полного удаления кислорода и образования сверху слитка усадочной раковины, которую затем обрезают.

У полуспокойной стали газы выделяются частично, то есть больше, чем в спокойных, но меньше, чем в кипящих. Здесь отсутствует раковина, как в предыдущем случае, но вверху образуются пузыри.

Кипящие сплавы выделяют большое количество газа при затвердевании, а в поперечном сечении достаточно просто заметить разницу химического состава между верхним и нижним слоями.

Твердость

Это понятие обозначает способность материала сопротивляться более твердому, проникающему в него. Определение твердости стало возможно с использованием трех методов: Л. Бринеля, М. Роквелла, О. Викерса.

Согласно способу Бринеля закаленный стальной шарик вдавливают в отшлифованную поверхность образца. Изучая диаметр отпечатка, определяют твердость.

Метод определения твердости стали по Роквеллу. Он основан на подсчете глубины проникновения наконечника в виде алмазного конуса с углом в 120 градусов.

По Викерсу в испытываемый образец вдавливается алмазная четырехгранная пирамида. С углом 136 градусов у противоположных граней.

Можно ли определить марку стали без химического анализа? Специалисты в области металловедения способны узнать марку стали по искре. Определение составляющих металла возможно при его обработке. Так, например:

• Сталь ХВГ имеет темно-малиновые искры с желто-красными крапинками и пучками. На концах разветвленных нитей появляются ярко-красные звездочки с желтыми крупками в середине.
• Сталь Р18 также определяется по темно-малиновым искрам с желтыми и красными пучками в начале, однако нити прямые и не имеют разветвлений. На концах пучков имеются искры с одной или двумя светло-желтыми крупинками.
• Стали марок ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 имеют желтые искры со светлыми звездочками. И красными крупинками на разветвлениях.
• Сталь У12Ф отличается светло-желтыми искрами с густыми и крупными звездами. С несколькими красно-желтыми пучками.
• Стали 15 и 20 имеют светлые желтые искры, много разветвлений и звезд. Но мало пучков.

Определение стали по искре является достаточно точным методом для специалистов. Однако обыватели не могут дать характеристику металлу, изучив только цвет искры.

Свариваемость

Свойство металлов образовывать соединение при определенном воздействии называется свариваемостью сталей. Определение данного показателя возможно после того, как будет выявлено содержание железа и углерода.

Считается, что хорошо соединяются посредством сварки низкоуглеродистые стали. Когда содержание углерода превышает 0,45 %, свариваемость ухудшается и становится наиболее плохой при большом содержании углерода. Это происходит и потому, что повышается неоднородность материала, а на границах зерен выделяются сульфидные включения, которые приводят к образованию трещин и увеличению внутреннего напряжения.

Также действуют и легирующие компоненты, ухудшая соединение. Самыми неблагоприятными для сварки называют такие химические элементы как хром, молибден, марганец, кремний, ванадий, фосфор.

Однако соблюдение технологии при работе с низколегированными сталями обеспечивает хороший процент свариваемости без применения специальных мероприятий. Определение свариваемости возможно после оценки ряда важных качеств материала, в числе которых:

• Скорость охлаждения.
• Химический состав.
• Вид первичной кристаллизации и структурных изменений при сварке.
• Возможность металла образовывать трещины.
• Склонность материала к возникновению закалочных формирований.

Долговечность и надежность механизмов зависят от материала, из которого они были изготовлены, то есть от совокупности всех его свойств и особенностей, которые и определяют эксплуатационные характеристики. На сегодняшний день большинство узлов и деталей машин производят из различных марок сталей. Рассмотрим этот материал более подробно.

Что такое сталь

Сталь – это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.

Но сталь – это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу – повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.

Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.

Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.

Получение стали. Металловедение

Сталь – это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.

Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.

Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.

Классификация сталей по качеству

Все стали по качеству подразделяют на:

— сталь обыкновенного качества;

— качественная;

— сталь повышенного качества;

— высококачественная.

Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества – для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные – в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.

Стали по ГОСТ: классификация

1. ГОСТ 380-88. Углеродистая обыкновенного качества – Ст.1, Ст.2, Ст3пс и т. д. Цифры от 0 до 6 обозначают марку, с увеличением номера увеличивается содержание углерода. Буквы пс, кп; сп – индексы степени раскисления материала: полуспокойная, кипящая, спокойная соответственно.
2. ГОСТ1050-74. Углеродистая качественная сталь – 05; 08; 10; 20пс; 08 кп. Цифры до 60 — это среднее содержание С в сотых долях процента, буквы пс, кп; сп – аналогично п.1.
3. ГОСТ 5632-72. Высоколегированные стали и сплавы, коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие – 30ХГСА, ГН2; 50Х; 20ХН3А. Первые цифры — это содержание углерода: 30 – 0,3%; 40 — 0,4%; 45 – 0,45%, буквы – соответствующий легирующий элемент (Х-хром; Г – марганец; Т – титан; А-азот и т. д.), цифра за буквой – процентное содержание легирующего элемента. Если цифры нет, то доля вещества составляет 1,5%, буква А в конце означает, что это высококачественная сталь. Это применимо и для инструментальных, и для легированных сталей.

   

4. ГОСТ1435-74. Углеродистая инструментальная – У7, У8, У10А. Расшифровка: У7 – 0,7%С; У8 – 0,8%С; У – углеродистая; А – высококачественная.
5. ГОСТ5950-73. Легированная инструментальная – 5ХГН; Х12; 8Х3 и т.д. Расшифровка марки аналогично п.3, но содержание С указано в десятых долях процента. Если углерода менее 0,1%, то цифры не указываются – ХВ4; ХГС; ХВГ и т. д
6. ГОСТ801-78. Подшипниковая – ШХ4; ШХ15; ШХ15СГ. ШХ – подшипниковая, цифра – содержание хрома: ШХ4 – 0,4% хрома, ШХ15 – 1,5% хрома, другие буквы и цифры – содержание дополнительных легирующих элементов.
7. ГОСТ 1414-75. Конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резанием – А12, А20, А30, А40Г. Расшифровка содержания углерода: А20 – 0,2%С, А12 – 0,12%С, А30- 0,3%С.

Сталь. Свойства: таблицы для самых распространенных марок с основными механическими и технологическими характеристиками

Н — низкая;

У- удовлетворительная;

В – высокая;

σт – физический предел текучести, МПа;

σв – предел прочности при растяжении, МПа;

δ – относительное удлинение, %.

Сталь – это сплав двух элементов железа, углерода, легирующих примесей, которые добавляют в металл для придания ему нужных свойств. Ст3 – это конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества, широко распространена во всех сферах промышленного производства. Является самым распатроненным металлом для несущих строительных конструкций. Из этого сплава делают лист, профиль, трубу, двутавры и другой металлопрокат.

Химический состав

Марки стали различаются по составу, который определяет механические характеристики, область применения и свариваемость материала.

Небольшое количество легирующих элементов и высокая пластичность Ст3 делает её самым распространённым сплавом, применяемым в строительстве. Ни одна стройка не может обойтись без проката из Ст3.

Химический состав материала включает следующие элементы:

• железо – 97%;
• углерод – 0,14-0,22%;
• никель, медь, хром – каждый не больше 0,3%;
• марганец — 0,4-0,65%;
• кремний — 0,05-0,17%;
• мышьяк менее 0,08%;
• серы не более 0,05;
• фосфор менее 0,04%.

Углерод определяет твёрдость, прочность, пластичность, показатели свариваемости, физико-механические свойства стали. Сера и фосфор – вредные примеси.

Легирующие элементы в структуре этого сплава, которые влияют на его характеристики – это марганец, хром, медь и никель.

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.

Маркировка Ст3

Классифицируются низкоуглеродистые стали по составу степени расселения. Раскисление – это процесс удаления из расплава кислорода, являющегося вредной примесью. Он ухудшает механические и другие свойства материала.

По степени раскисления сплав бывает трёх видов:

• спокойная обозначается «сп»;
• полуспокойная – маркировка «пс»;
• кипящая – «кп».

Проведём расшифровку материала Ст3Гпс. Буквы «Ст» обозначают сталь. Цифра «3» – это процентное содержание углерода, чем больше цифра, тем больший процент углерода содержится в металле. Буква Г — пишется, если процент содержания марганца в 0,8% и более. ПС – полуспокойная.

Разновидности сплава Ст3

Спокойная сталь раскисляется с использованием марганца, кремния и алюминия. Это дорогой и высококачественный материал. За счёт однородной структуры спокойный металл пластичнее и коррозионно устойчивее. Применяется для изготовления несущих ответственных конструкций, узлов машин, механизмов, которые работают при отрицательных температурах и динамических нагрузках.

Полуспокойная сталь раскисляется марганцем и алюминием. Показатели прочности и пластичности у этого материала близки к спокойной стали, но уступают ей. Применяется при возведении несущих металлоконструкций, где требования к прочностным показателям ниже, чем у конструкций из спокойного металла. Преимуществом этого сплава – его стоимость дешевле.

Кипящая сталь самая дешёвая, раскисляется только марганцем. При заливке этого расплава в слябы происходит активное кипение – выделяются содержащиеся в сплаве газы. В разных частях слитка может иметь неоднородные свойства. Кипящая металл хрупкий, плохо сваривается и подвержена коррозии. Применяется для изготовления конструкций, к которым не предъявляются высокие требования.

Применение Ст3

Из спокойной стали производят: лист, уголок, швеллер, арматуру, двутавровую балку и другой металлопрокат, который используют для изготовления:

• трубопроводной арматуры, труб, фасонных изделий;
• мостовых кранов, несущих железнодорожных металлоконструкций, каркасов зданий, внутрицеховых металлоконструкций, железнодорожных и автомобильных мостов;
• ёмкостей для хранения воды и нефтепродуктов, железнодорожных вагонов, цистерн для перевозки нефтепродуктов;
• кузовов автомобилей, корпусов судов;
• других ответственные конструкции, применяемых во всех отраслях промышленности, работающих при низких температурах окружающего воздуха, в условиях динамических знакопеременных нагрузок.

Полуспокойная сталь используется для тех же металлоконструкций и деталей, что и спокойная, но при условии, что эти изделия не будут работать при температурах ниже -10 0С.

Кипящая сталь. Применяется для малонагруженных, второстепенных, ненагруженных металлоконструкций, которые работают при постоянных нагрузках. Из неё изготавливают заборы, заземление, кронштейны, листовую обшивку, другие элементы зданий и металлоконструкций.