Виды стали, классификация, применение

Сталь является одним из важнейших конструкционных материалов, используемых в различных отраслях промышленности. Это сплав железа с углеродом и другими элементами. В зависимости от состава и способа производства сталь обладает разными физико-механическими свойствами.

Существует множество видов и марок стали, классифицируемых по различным признакам. В данной статье мы подробно рассмотрим основные характеристики и особенности разных сталей, чтобы помочь разобраться в их многообразии и правильно выбрать нужную марку для конкретных целей.

Химический состав стали

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. Основными компонентами являются железо (Fe) и углерод (C). Содержание углерода в стали обычно не превышает 2,14%, на практике - не более 1,5%.

• Кроме железа и углерода, в составе стали присутствуют постоянные примеси - марганец, кремний, сера, фосфор.
• Также в сталь могут вводиться легирующие элементы - хром, никель, молибден и др. Они придают стали особые свойства.

В зависимости от содержания углерода сталь делят на низкоуглеродистую (до 0,3%), среднеуглеродистую (0,3-0,6%) и высокоуглеродистую (0,6-1,5%). Чем выше содержание C, тем выше прочность и твердость, но ниже пластичность стали.

Таким образом, химический состав определяет основные свойства стали и области ее применения.

Классификация стали по качеству

По качеству сталь делят на обыкновенного, качественного и высококачественного исполнения. Качество определяется особенностями производства, химическим составом, наличием специальных технологических операций.

1. Сталь обыкновенного качества изготавливается из передельного чугуна в мартеновских печах. Такую сталь отличает невысокая стоимость, однако она уступает более качественным маркам по многим показателям.
2. Качественная сталь производится с использованием лома в конвертерах или электропечах, отличается более низким содержанием вредных примесей (серы и фосфора).
3. Высококачественная сталь получают методом электрошлакового переплава, что обеспечивает особо низкое содержание примесей и высокую чистоту.

Также виды стали классифицируют по степени раскисления - на кипящую, полуспокойную и спокойную. Это влияет на свариваемость и другие технологические свойства.

Наивысшие механические характеристики имеет сталь, произведенная по специальным режимам с контролируемой прокаткой и термообработкой. Такая сталь называется конструкционной качественной.

Структура и свойства различных сталей

Структура стали определяет ее свойства и зависит от химического состава, технологии производства, термической обработки. Различают следующие структурные состояния стали:

• Ферритная структура характерна для низкоуглеродистых сталей, отличается высокой пластичностью и хорошей свариваемостью.
• Перлитная структура свойственна среднеуглеродистым сталям, обеспечивает более высокую прочность по сравнению с ферритной.
• Мартенситная структура образуется в результате закалки. Такая сталь обладает очень высокой твердостью и прочностью.

Легированные виды стали могут также иметь аустенитную и бейнитную структуру. Аустенитные хромоникелевые стали отличаются высокой коррозионной стойкостью. Бейнитные стали применяются для ответственных деталей, работающих в условиях ударных нагрузок.

Специальная термическая обработка позволяет получить многофазную структуру с оптимальным сочетанием разных свойств. Так, после отпуска закаленной стали снижается хрупкость при сохранении достаточно высокой твердости.

Маркировка и стандарты стали

Для идентификации разных видов стали используется буквенно-цифровая маркировка. В России принята следующая система:

• Углеродистые стали маркируются буквой Ст с последующим номером (Ст3, Ст20 и т.д.). Цифра обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента.
• Для легированной стали применяется комбинация цифр и букв, обозначающих легирующие элементы (09Г2С, 20Х13 и т.п.).

Также используются обозначения категорий и классов качества стали:</p::2

• Категория 1-3 для стали обыкновенного качества.
• Класс прочности от К38 до К70 для качественной конструкционной стали.

Существуют международные стандарты, устанавливающие требования к химическому составу и механическим свойствам для различных марок. Наиболее известная зарубежная система маркировки стали - AISI/SAE.

Применение

Различные виды стали используются в зависимости от требований к изделиям:

• Конструкционные углеродистые стали применяются для сварных конструкций, фасонных профилей, строительных металлоконструкций.
• Инструментальные легированные стали используются для изготовления режущего и мерительного инструмента.
• Нержавеющие и жаростойкие стали находят применение в агрессивных средах и при высоких температурах.

Из низкоуглеродистых сталей делают детали, подвергающиеся пластической деформации. Среднеуглеродистые стали применяются для неответственных деталей машин. Высокоуглеродистые стали используются для изготовления инструментов и пружин.

Мостовые конструкции и опоры ЛЭП выполняют из термомеханически и термически упрочненных сталей. Это позволяет уменьшить вес при сохранении прочности.

Способы производства стали

Основные способы производства различных видов стали:

• В мартеновских печах из передельного чугуна производится сталь обыкновенного качества.
• В конверторах с использованием лома выплавляют качественную и высококачественную углеродистую сталь.
• В дуговых электропечах производят легированные марки стали высокого качества.

Метод электрошлакового переплава позволяет получать особо чистую сталь для ответственных деталей, подвергающихся высоким нагрузкам. Этот метод отличается низким содержанием газов и неметаллических включений в металле.

Различные производственные процессы и режимы обработки стали (прокатка, термическая обработка) позволяют получать материал с требуемой структурой и свойствами.

Углеродистые и легированные стали

Углеродистые стали состоят из железа с содержанием углерода до 2% и примесей. Они подразделяются на следующие основные группы:

• Низкоуглеродистые стали с содержанием C менее 0,25% отличаются хорошей свариваемостью.
• Среднеуглеродистые стали с содержанием С 0,25—0,6% обладают более высокой прочностью.
• Высокоуглеродистые стали с содержанием C свыше 0,6 % имеют высокие твердость и износостойкость.

Легированные виды стали дополнительно содержат различные химические элементы (Cr, Ni, Mn), которые обеспечивают особые эксплуатационные характеристики - улучшенную прочность и твердость, жаропрочность, коррозионную стойкость.

Также легированные стали делят на низколегированные (содержание легирующих элементов до 2,5%) и высоколегированные (более 2,5%).

Конструкционные стали

Конструкционные стали широко применяются в машиностроении для изготовления деталей машин, механизмов, сооружений. Они должны обладать высокими прочностными характеристиками. Конструкционные стали подразделяются на углеродистые и легированные.

• Углеродистые конструкционные стали содержат 0,12-0,65% углерода
• Легированные конструкционные стали дополнительно содержат легирующие элементы — хром, никель, молибден и др.

Из углеродистых конструкционных сталей производят различные крепежные изделия, оси, валы, шестерни. Легированные конструкционные стали применяются для ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях.

Конструкционные стали являются одним из основных видов промышленных сталей.

Инструментальные стали

Инструментальные стали используются для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов и пресс-форм. К ним предъявляются жесткие требования по износостойкости, прочности, упругости. Инструментальные стали подразделяют на углеродистые и легированные.

• Углеродистые инструментальные стали содержат 0,6-1,4% углерода (марки У7, У8 и др.)
• Легированные инструментальные стали дополнительно легированы хромом, вольфрамом, молибденом (марки Х12МФ, 4Х5МФС)

Из углеродистых инструментальных сталей изготавливают простые инструменты - молотки, зубила, напильники. Легированные стали применяют для более ответственных инструментов - сверл, фрез, ножей.

Таким образом, инструментальные стали имеют свои особенности и широко используются в промышленности для производства режущего инструмента.

Нержавеющие стали

Нержавеющие стали обладают высокой коррозионной стойкостью за счет содержания хрома (более 12%). Они подразделяются на хромистые, хромоникелевые, ферритные и аустенитные.

• Хромистые нержавеющие стали содержат 12-27% хрома (марки 20Х13, 30Х13 и др.)
• Хромоникелевые нержавеющие стали дополнительно легированы никелем (марки 12Х18Н10Т, 08Х17Н15М3Т)

Нержавеющие стали широко используются в химической и пищевой промышленности для оборудования, работающего в агрессивных средах. Из нержавеющей стали изготавливают емкости, трубопроводы, насосы, вентили.

Таким образом, благодаря высокой коррозионной стойкости, нержавеющие стали незаменимы во многих отраслях промышленности.

Выбор стали для конкретных задач

При выборе стали для изготовления деталей, узлов, конструкций необходимо учитывать условия их эксплуатации и требования к эксплуатационным свойствам.

• Для ответственных деталей машин, работающих при высоких нагрузках, выбирают легированные конструкционные стали повышенной прочности
• Для коррозионностойкого оборудования предпочтительны высоколегированные нержавеющие стали

Кроме того, при подборе марки стали анализируют технологичность ее обработки для конкретных деталей, возможность и рациональность применения определенных методов обработки поверхности, свариваемость.

Таким образом, выбор марки стали основывается на анализе условий работы и требований к изделию с учетом технологичности ее обработки.