Сталь: определение, классификация, химический состав и применение

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.