Сталь является одним из важнейших конструкционных материалов, который активно используется в промышленности, строительстве, на транспорте и в быту. Знание особенностей различных марок стали позволяет правильно подобрать материал для конкретного случая применения. Давайте разберемся в многообразии сталей и сплавов, их свойствах и областях использования.
Классификация и маркировка сталей
Существует несколько систем классификации и маркировки сталей.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. Углеродистые содержат не более 2,14% углерода, остальные элементы присутствуют в виде примесей. Легированные стали дополнительно содержат различные легирующие элементы.
По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные, нержавеющие и специальные.
Конструкционные стали используются в машиностроении, строительстве, на транспорте для изготовления деталей, узлов и конструкций.
Инструментальные стали применяются для изготовления режущего и штампового инструмента, прокатных валков.
Нержавеющие стали устойчивы к коррозии за счет легирования хромом, никелем или другими элементами.
Специальными называют стали со специфическим комплексом свойств (жаропрочные, износостойкие, для работы при низких температурах и др.).
Системы легирования и классификации
Для удобства классификации стали подразделяют на классы и группы в зависимости от химического состава и свойств:
- Углеродистые стали обыкновенного качества
- Углеродистые качественные стали
- Легированные конструкционные стали
- Инструментальные стали
- Стали со специальными свойствами
Широко используется классификация сталей по стандартам AISI, DIN и другим.
Расшифровка марок стали
Марка стали обычно состоит из букв и цифр, несущих определенную информацию о ее составе и свойствах. Рассмотрим для примера марку 20Х13:
- Первая цифра (2) - среднее содержание углерода в сотых долях процента
- Вторая цифра (0) - последняя цифра года утверждения марки
- Буква Х - легированная хромом сталь
- Цифра 13 - среднее содержание хрома в процентах
Таким образом, сталь 20Х13 содержит 0,20% углерода и 13% хрома.
Марки углеродистых и легированных сталей
Наиболее распространены следующие марки:
| Углеродистые | Ст3, 20, 40, 5п, 8п |
| Легированные | 15ХСНД, 40ХН2МА, 50Г2ФБ |
Полный перечень марок стали можно найти в специальном справочнике - марочнике сталей и сплавов. Там же приводятся подробные характеристики каждой марки.
Конструкционные и инструментальные стали
Конструкционные стали по химическому составу подразделяют на углеродистые и легированные. К конструкционным относят также низколегированные, высокопрочные, нержавеющие стали.
Инструментальные стали должны обладать высокой износостойкостью, твердостью, прочностью. К ним относятся углеродистые и легированные инструментальные, штамповые, быстрорежущие стали.
Стали с особыми свойствами
К сталям со специальными свойствами относятся:
- Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали
- Жаростойкие и жаропрочные
- Износостойкие
- Криогенные стали для работы при низких температурах
Они находят применение в агрессивных средах, при высоких температурах, в условиях интенсивного износа и т.д.
Химический состав и легирующие элементы
Химический состав определяет структуру и свойства стали. Рассмотрим влияние отдельных элементов.
Влияние углерода и примесей
Основным элементом в стали является железо. Оно образует твердые растворы с углеродом и легирующими элементами.
Углерод оказывает основное влияние на механические свойства стали. С повышением содержания углерода прочность стали растет, пластичность снижается.
Марочник сталей и сплавов содержит данные о допустимом содержании примесей в различных марках стали. Их наличие может ухудшать эксплуатационные свойства.
Роль легирующих элементов
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mn, Si) вводят в сталь для придания нужных свойств. Например, хром улучшает коррозионную стойкость, никель - пластичность при отрицательных температурах.
Никель, хром, марганец и другие
Рассмотрим подробнее влияние некоторых легирующих элементов.
Никель повышает прочность, пластичность, ударную вязкость сталей. Улучшает свариваемость и обрабатываемость давлением.
Хром обеспечивает высокую коррозионную стойкость, твердость и износостойкость стали. Увеличивает ее прочность.
Марганец используется для раскисления, повышения прочности и износостойкости стали.
Микролегирование
Добавки таких элементов, как титан, ниобий, ванадий, бор в количестве долей процента, называют микролегированием. Оно обеспечивает высокую прочность стали при минимуме легирующих элементов.
Влияние на свойства сталей
Комплекс легирующих элементов в определенных концентрациях придает стали нужный набор физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств.
Например, для изготовления высоконагруженных деталей машин применяют легированные конструкционные стали, сочетающие прочность, пластичность, вязкость и свариваемость.
Механические и технологические свойства
Механические свойства определяют работоспособность деталей из стали, технологические - возможности их изготовления.
К основным прочностным характеристикам сталей относятся:
- Предел прочности - максимальное напряжение, которое выдерживает материал
- Предел текучести - напряжение, выше которого материал начинает необратимо деформироваться
- Относительное удлинение - характеризует пластичность
Эти показатели важны при расчете на прочность ответственных деталей и конструкций.
Твердость - способность материала сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Высокая твердость нужна для деталей, работающих на износ.
Пластичность - способность стали изменять форму и размеры под нагрузкой. Вязкость - сопротивление хрупкому разрушению. Эти свойства важны для сварных конструкций, чтобы избежать образования трещин.
Теплостойкость и коррозионная стойкость
Теплостойкость определяет работоспособность стали при высоких температурах. Коррозионная стойкость нужна для эксплуатации в агрессивных средах.
Для этого используют легированные хромом, никелем коррозионно-стойкие и жаропрочные стали.
Технологичность обработки
Технологичность стали характеризует ее пригодность для обработки давлением, резанием, сварки. Это комплекс показателей, зависящих от структуры и свойств.
Например, для холодной штамповки применяют пластичные низкоуглеродистые стали, для токарной обработки - стали, дающие сдираемую стружку.
