Углеродистая сталь — свойства, марки, классификация и применение сталей

Классификация углеродистых сталей по степени раскисления

Спокойные

Такие сплавы обладают наиболее однородной структурой. Для раскисления используют алюминий, ферросилиций и ферромарганец, которые практически полностью удаляют находящие в расплаве газы. Сочетание практически полного отсутствия газов с мелкозернистой структурой, обусловленной наличием остаточного алюминия, обеспечивает хорошее качество металла. Эти марки подходят для изготовления деталей, изделий и конструкций ответственного назначения. Основной недостаток – высокая стоимость.

Кипящие

Это наиболее дешевая и наименее качественная группа. Из-за использования минимального количества добавок для раскисления в материале присутствуют растворенные газы, которые являются причиной неоднородности структуры, химического состава, а следовательно механических свойств. Такие металлы обладают плохой свариваемостью, поскольку из-за присутствия газов высока вероятность образования трещин на швах.

Полуспокойные

Группа занимает промежуточное положение по стоимости и характеристикам. В отливке образуется гораздо меньше газовых пузырьков, по сравнению с кипящими сталями. При прокатке внутренние дефекты в основной массе устраняются. Такие материалы часто применяются в качестве конструкционных сплавов.

Маркировка сплавов обыкновенного качества

Маркировка металлических изделий начинается с нанесения буквенного значения, обозначающего тип сплава. Применительно к конструкционным углеродистым сталям — это «Ст». Затем следуют символы, значение которых определяет состав сплава. Числовое значение указывает на марку стали.

В зависимости от типа раскисления маркировка может содержать «кп», «пс» и «сп», о чем говорилось выше. Также маркировка может содержать литеру «Г», что указывает на присутствие в сплаве марганца, который содержится в небольших пропорциях.

Химический состав.

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).
В свою очередь углеродистые стали могут быть:

• малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;
• среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%;
• высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%.

Легированные стали подразделяют на:

Таблица элементов MS Word, 40Kb

• низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%;
• среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
• высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

Легированные конструкционные стали

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550—680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность.

Легирующие элементы — химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %.

Маркировка

• Две цифры в начале маркировки указывают на конструкционные стали. Это содержание в стали углерода в сотых долях процента.
• Буква без цифры — определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %.(А — азот, Р — бор, Ф — ванадий, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Х — хром, П — фосфор, Ч — редкоземельные металлы, В — вольфрам, Т — титан, Ю — алюминий, Б — ниобий)
• Буква и цифра после неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).
• Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь.

Например 38Х2Н5МА — это среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь. Химический состав: углерод — около 0,38 %; хром — около 2 %; никель — около 5 %; молибден — около 1 %.

Виды нелегированных углеродистых сталей по содержанию углерода

Низкоуглеродистые с содержанием C не более 0,25%

Большая часть этой продукции выпускается в виде холоднокатаных или отожженных листов и полос. Свойства, а следовательно области ее применения, зависят от процентного соотношения компонентов:

• До 0,1% C, Mn менее 0,4%. Высокая способность к горячей деформации и холодному волочению. Материалы востребованы при производстве проволоки, очень тонкого листа, используемого при изготовлении тары, а также для изготовления корпусов автомобилей.
• C 0,1-0,25%. Способность к деформированию ниже, чем у вышеописанной группы, но твердость и прочность выше. Часто эти марки востребованы для производства деталей с цементуемым поверхностным слоем. Процесс цементации позволяет получить износостойкий поверхностный слой в сочетании с вязкой сердцевиной. Это актуально для валов и шестерен.
• C на уровне 0,25%, Mn и Al – до 1,5%. Обладают высокой вязкостью. В металлы, предназначенные для штамповки, ковки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов, алюминий не добавляют.
• C на уровне 0,15%, Mn – до 1,2%, Pb до 0,3% или без него, минимальное количество Si. Эту группу применяют в массовом производстве на автоматических линиях деталей, не предназначенных для восприятия серьезных механических и температурных нагрузок. Для изделий с высокими требованиями по пластичности, вязкости, коррозионной стойкости сплавы не применяются.

Среднеуглеродистые с C0,2-0,6%

Содержание марганца обычно находится в пределах 0,6-1,65%. Применяются при производстве продукции, запланированной для эксплуатации при высоких нагрузках. Обычно их производят спокойными. Упрочняются нагартовкой или термообработкой. Все стали этой группы могут подвергаться ковке. Данная металлопродукция широко применяется в машиностроении. Марки с высоким содержанием углерода (0,4-0,6%) востребованы при производстве железнодорожных рельсов, колес и осей вагонов.

Высокоуглеродистые – 0,6-2,0%

Повышение количества углерода до 1% приводит к росту прочности и твердости при постепенном снижении предела текучести и пластичности. При росте процентного соотношения C выше 1% начинается формирование грубой сетки из вторичного мартенсита, приводящей к понижению прочности материала. Поэтому стали с содержанием C более 1,3% практически не изготавливают.

Высокоуглеродистые марки имеют высокую себестоимость изготовления, обладают низкой пластичностью, плохо свариваются. Область применения этой группы достаточно ограничена – производство режущего инструмента, в том числе предназначенного для землеройной и сельскохозяйственной техники, изготовление высокопрочной проволоки.

Классификация конструкционных углеродистых сталей по качеству, их маркировка и применение

Конструкционные стали обыкновенного качества

Их производят в соответствии с ГОСТом 380-2005, в продажу поставляют в виде листового, сортового и фасонного проката. ГОСТ подразумевает выпуск следующих марок:

• Ст0;
• Ст1пс, Ст1сп, Ст1кп;
• Ст2пс, Ст2сп, Ст2кп;
• Ст3пс, Ст3сп, Ст3кп, Ст3Гсп, Ст3Гпс;
• Ст4пс, Ст4сп, Ст4кп;
• Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс;
• Ст6пс, Ст6сп.

Буквенно-цифровая маркировка этой группы сплавов:

• Ст – сталь;
• цифры 0-6 обозначают номер марки;
• наличие в обозначении буквы «Г» указывает на присутствие марганца в количестве 0,8% и более;
• последние две буквы характеризуют степень раскисления, сп – спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая.

Молекулярная структура сплавов углеродистой стали обыкновенного качества

Уровень содержания углерода в стальных сплавах имеет первостепенное значение и регулируется ГОСТом. Количество углерода в конструктивной углеродистой стали зависит от марки и составляет:

• не более 0,23% для марки Ст0;
• от 0,06 до 0,12% углерода содержится в сплавах обыкновенного качества марки Ст1;
• от 0,09 до 0,15% углерода характерно для стали марки Ст2;
• от 0,14 до 0,22% углерода содержится в марке конструктивной углеродистой стали Ст3;
• от 0,18 до 0,27% согласно госту может присутствовать в марке Ст4;
• от 0,28 до 0,37% углерода может содержаться в марке Ст5;
• не менее 0,38 и не более 0,49% углерода допустимо для сплавов марки Ст6.

Марганец присутствует в сплавах в ограниченном количестве и регламентируется действующими нормативными документами:

• для марок конструктивной углеродистой стали Ст1 и Ст2 доля марганца может варьировать в пределах 0,25–0,5% от общей массы вещества;
• для полуспокойных и спокойных сплавов обыкновенного качества марки Ст3 доля марганца может составлять 0,4–0,65%. А для сплавов аналогичного типа раскисления с маркировкой Ст5 и Ст6 данный показатель составляет уже 0,5–0,8%;
• сплав кипящего типа раскисления марки Ст3 согласно установленным госнормативам содержит от 0,3 до 0,6%;
• стальной прокат обыкновенного качества с маркировкой Ст4 содержит от 0,4 до 0,7%;
• в марках СтГсп и Ст3Гпс марганец может присутствовать в пропорции от 0,8 до 1,1%;
• для марки сплава Ст5Гпс нижний предел содержания Mn установлен на уровне 0,8, верхний достигает 1,2% от общей массы вещества.

Уровень содержания азота в конструктивных углеродистых сплавах также регламентируется Госстандартом и составляет:

• не более 0,01% для сплавов, полученных путем плавления в мартеновской или конверторной печи;
• не более 0,012% для сплавов, полученных при помощи электропечей

Помимо указанных выше элементов, сплавы конструкционной углеродистой стали могут содержать в незначительных количествах и другие добавки. В том числе, и частицы произвольно попавших в сплав элементов, не оказывающих воздействия на характеристики сплава. Солгано нормативам ГОСТа, в стальном сплаве допускается содержание:

• не более 0,04% фосфора (P). Исключение составляет марка стали Ст0, в которой присутствие данного элемента не допустимо;
• не более 0,05% серы (S). При производстве сплава Ст0 допускается превышение нормы до 0,06–0,07%;
• не более до 0,3% хрома (Cr), никеля (Ni) и меди (Cu). Что касается марки Ст0, то ГОСТом, наличие в этом сплаве данных элементов не оговаривается.

Отдельного внимания заслуживают некоторые марки конструкционной углеродистой стали с индивидуальными стандартами:

• для Ст5Гпс доля углерода должна составлять не меньше 0,2 и не больше 0,3% от общей массы вещества;
• стальные сплавы обыкновенного качества, кипящего типа, марок с маркировкой 2, 3 и 4, используемые для изготовления стального проката могут содержать до 0,07% кремния (Si);
• сплавы марки Ст3 (не зависимо от типа раскисления) не имеют нижнего предела доли углерода, находящегося в составе сплава.

Для получения качественного сырья важно контролировать соответствие физических свойств нормативам, указанным в госстандартах. При этом нужно учитывать некоторые особенности производства отдельных категорий проката:

• Если из сплавов обычного качества марок Ст3, Ст4 и Ст5 со степенью раскисления кп, пс и сп изготавливается сортовой прокат, и толщина изделия при этом не превышает 1 см, согласно Госстандарту, нормативы которого актуальны на сегодняшний день, содержание марганца (Mn) может отклонятся от установленной нормы в меньшую сторону на 0,1%.
• Если из конструкционной углеродистой стали марки Ст3пс изготавливается швеллер с применением способа горячей катки, доля марганца в составе сплава должна находится в пределах 0,4–0,65%.

Для получения качественного сплава конструкционной углеродистой стали с полуспокойной степенью раскисления норма содержания кремния (Si) может быть уменьшена, но только в том случае, если сплав получен посредством введения в состав титана (Ti), алюминия (Al) или смеси обеих эллементов с добавлением феррита кремния.

Если сплав обыкновенного качества получают способом скраб-методики в составе могут присутствовать такие элементы, как никель (Ni), хром (Cr), содержание которых достигает 0,35%, а также до 0,4% меди (Cu). При производстве таким способом конструкционной углеродистой стали марки Ст3, уровень содержания углерода в сплаве не должен превышать 0,2%.

В готовых сплавах допускается содержание примесей со следующей погрешностью:

• для серы и фосфоры допустимо отклонение на +0,005% в сплавах с полуспокойным или спокойным раскислением и на +0,006%, если сплав получем с помощью кипящего типа раскисления;
• доля углерода может отклонятся в интервале от –0,02 до +0,03% (для типов раскисления сп и пс) или ±0,03% (для типа раскисления кп);
• погрешность в содержании кремния может составлять от –0,02 до 0,03% (для типов раскисления сп и пс). Сталь, полученная с применением кипящего метода раскисления, не может иметь погрешностей в содержании кремния;
• погрешность в содержании азота может составить до +0,02% для любого типа раскисления;
• для марганца допускается отклонение от –0,03% до +0,05% (для типов раскисления сп и пс) и от –0,04 до +0,05% (для кипящего типа раскисления).

Марки и характеристики машиностроительных конструкционных сплавов

Машиностроительные стали специального назначения могут иметь никелевую или железоникелевую основу. Кроме того, их подразделяют на следующие категории:

• используемые для производства изделий методом литья;
• так называемые автоматные;
• отличающиеся повышенной износостойкостью;
• с повышенной коррозионной устойчивостью;
• шарикоподшипниковые;
• пружинные;
• отличающиеся повышенной жаростойкостью;
• криогенные, не теряющие своих качественных характеристик при воздействии низких температур;
• жаропрочные.

Марки автоматных сталей

Жаростойкие стальные сплавы, в химическом составе которых содержится незначительное количество кремния, могут успешно эксплуатироваться при температурах, достигающих 5500 Цельсия. Такие углеродистые стали, кроме своей жаростойкости, отличаются целым рядом значимых характеристик: они успешно эксплуатируются в окислительных и науглероживающих средах, не подвергаются газовой коррозии. Есть у них и серьезный недостаток, проявляющийся в том, что под воздействием значительных нагрузок они начинают проявлять ползучесть.

К наиболее популярным маркам таких сталей относятся 12Х17, 15Х28, 15Х6СМ, 20Х20Н14С2 и др. Они используются преимущественно для производства:

• емкостей, в которых выполняется цементация стальных деталей;
• деталей двигателей поршневого типа;
• трубных изделий различного назначения.

Свойства жаропрочных сталей

К группе криогенных сплавов, которые отличаются высокой вязкостью и пластичностью, могут относиться как низкоуглеродистые, так и высоколегированные стали. Что характерно, ползучесть таких сталей повышается не только при понижении температуры их эксплуатации, но и при выполнении термической обработки, которая заключается в нормализации и последующем отпуске. Маркировка конструкционных сплавов данного типа регламентируется требованиями соответствующего ГОСТа (5632).

Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории жаропрочных, обладают повышенной ползучестью. Их отличает и такое качество, как высокая сопротивляемость химической коррозии. Эти углеродистые стали оптимально подходят для производства труб, деталей газовых и паровых турбин, работающих при температурах в интервале 400–6500 Цельсия. Наиболее востребованными марками являются 15ХМ, 15Х5М, 12Х18Н9Т, ХН70Ю и др.
Цельнокованый ротор турбины, произведенный из стали 25Х1М1ФА

Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории коррозионностойких, отличаются тем, что в их составе содержится более 12,5% хрома. Именно данный элемент дает возможность успешно использовать их для производства изделий, которые испытывают воздействие агрессивных сред (трубы различного назначения, карбюраторные валы, лопатки паровых турбин и др.). Такие стали могут быть нескольких типов:

• с мартенситной структурой (30Х13, 12Х13, 20Х17Н2, 95Х18);
• с мартенситно-стареющей (09Х15Н8Ю, 10Х17Н13М3Т);
• с аустенитной и ферритной (12Х18Н10Т, 15Х28 и др.).

Чтобы изделия из конструкционных углеродистых сталей всех указанных выше типов хорошо сваривались, их необходимо подвергнуть отпуску. Примечательно, что, несмотря на значительные различия в своих качественных характеристиках, жаропрочные, жаростойкие и криогенные стали принадлежат к коррозионностойким сплавам.

Особенности других типов конструкционных сталей

Конструкционные сплавы, относящиеся к категории износостойких, содержащие в своем составе значительное количество легирующих добавок, могут быть низко- и высокоуглеродистыми. Из таких сталей, отлично противостоящих не только механическому изнашиванию, но и кавитационной коррозии, производят элементы дробильного оборудования, траки, лопасти насосного оборудования и др. Наиболее популярными марками этих сплавов являются ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, 12Х18Н9Т, Г13.

Углеродистые стали, которые относятся к категории автоматных (А40Г, АЦ40Г2, АЦ45Х и др.), включают различные элементы: 0,6–1,5% марганца, 0,05–0,16% фосфора, 0,05–0,3% серы. Углерода в таких сплавах содержится до 0,45%. Значительно улучшить их качественные характеристики позволяет добавление таких элементов, как селен, свинец и кальций. Из этих конструкционных углеродистых сталей, не отличающихся высокой прочностью, изготавливают детали для автопрома: болты, шпильки, шайбы и др.

Сферы применения некоторых пружинистых сталей

Пружинистые стали (50ХФА, 55С2, 60С2ХФА, 65ГЮ, 70С2ХА и др.) в полном соответствии со своим названием отличаются хорошей вязкостью и пластичностью, также их характеризуют высокая прочность и упругость. Сюда относятся как низколегированные, так и среднеуглеродистые сплавы, в которых содержится 0,6–0,8% углерода. При их сваривании могут образовываться трещины. Такие стали используются для производства пружин и рессор различного назначения.

К категории улучшаемых относят конструкционные стали, внутреннюю структуру которых составляет мартенсит в форме мелких игл. В плотной структуре таких углеродистых сплавов отсутствуют неметаллические включения, а также карбидная ликвация и сетка. Главными достоинствами этих низколегированных и высокоуглеродистых сталей (содержание углерода – до 1,05%) являются повышенная твердость и износостойкость. Отличительной особенностью маркировки таких сплавов является то, что она всегда начинается с литеры «Ш» (ШХ4, ШХ15Ш, ШХ15СГ и др.).

Сталь марки ШХ15 применяется для производства изделий. от которых требуется износостойкость, высокая твердость и контактная прочность

Гост 380-2005 — действующий

Обозначение стали по ГОСТ 380-2005

• Ст: обозначение стали углеродистой обыкновенного качества
  3: условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава – 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
  Г: буква Г присутствует в обозначении, если массовая доля марганца в стали превышает 0,8 %
• сп: степень раскисления стали: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная

Устаревшие обозначения стали по ГОСТ 380

Часто, особенно в Сети,  встречаются устаревшие обозначения углеродистых сталей общего назначения, например, ВСт3пс. Встречаются ссылки на редакции ГОСТ 380 от 1971, 1988, 1994, 1960 и даже 1950 годов!

Дело в том, что ГОСТ 380-1971 (давно замененный) предусматривал поставку сталей трех групп:
группа А – с гарантируемыми механическими свойствами (сталь не подвергалась термической обработке);
группа Б – с гарантируемым химическим составом (сталь подвергалась термической обработке);

группа В – с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом (для сварных конструкций).

Стали группы А обозначались также как и по действующему ГОСТ 380-2005 (см. выше), например, Ст3кп.

Стали группы Б применялись только в самых неответственных случаях.

Действующий ГОСТ 380-2005 в отличие от ГОСТ 380-71 определяет только химический состав сталей. Механические и другие свойства определяют стандарты на конкретные виды стального проката, например, ГОСТ 535-88 на сортовой и фасонный прокат, а ГОСТ 14637-89 – на толстолистовой прокат.

Цветная маркировка проката из стали по ГОСТ 380-2005

Ст0 – красный и зеленый
Ст1 – желтый и черный
Ст2 – желтый
Ст3 – красный
Ст3Гпс – красный и коричневый
Ст3Гсп – синий и коричневый
Ст4 – черный
Ст5 – зеленый
Ст5Гпс – зеленый и коричневый

Ст6 — синий

Листовой прокат из конструкционных углеродистых сталей

Из конструкционной углеродистой стали изготавливают листовой прокат, который имеет 4 класса точности:

• ОК300В;
• ОК360В;
• ОК370В;
• ОК400В.

Расшифровываются данные коды следующим образом:

• ОК – аббревиатура указывает на то, что прокат был произведен из стального сплава обыкновенного качества;
• числовое значение (300, 360 и т.п) говорит об уровне прочности и оказывает на его минимальный предел;
• литера В – параметр прочности.

Исходя из способа изготовления проката различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. В первом случае сплав сильно нагревают, а затем нормализуют. Во втором случае, продукт также проходит тепловую обработку, которую разрешается не производить, в том случае, если завод изготавливает продукцию на поточных линиях.

При любом способе изготовления листы из углеродистой стали ровные, имеют гладкую поверхность и не содержат следы дефектов, такие как: отслоения, пузырения, разрывы, трещины или вкрапления в виде инородных предметов.

В зависимости от степени обработки поверхности стального проката, выделяют I, II, III и IV тип качества. Если листовую сталь планируется использовать для изготовления изделий, которые в процессе эксплуатации будут подвергаться воздействию высоких температур, то выбирают продукцию 2 и 3 групп (Б, В) с числовым значением 5 или 6. Данный вид проката из конструктивной углеродистой стали проходит дополнительную закалку и отпускание при высоких температурах.

Конструкционные стали в машиностроительной отрасли

Особенности химического состава позволяют выделить в конструкционных сталях, используемых для производства машиностроительной продукции, две большие группы:

• мало- и среднеуглеродистые;
• низко- и среднелегированные.

Состав и свойства углеродистых машиностроительных сталей

Углеродистые стали, используемые для производства различной продукции в машиностроительной отрасли, должны соответствовать целому ряду качественных и механических характеристик, к самым значимым из которых относятся:

• ударная вязкость;
• пластичность;
• прочность.

Структура большей части конструкционных углеродистых сталей, используемых для производства машиностроительной продукции, относится к доэвтектоидному перлитному типу. Наиболее популярными марками таких сталей являются 30Х2ГСН2ВМ, 30ХГСН2А, 40ХН2СМА, 25Х2ГНТРА и др. Чтобы увеличить вязкость углеродистых сплавов данного типа, в их состав вводят молибден и никель.

Сталь марки 25Х2ГНТА используется для изготовления болтов, балок и сосудов

На различные типы машиностроительные конструкционные стали подразделяют еще и в зависимости от того, подвергнуты ли упрочнению изделия, которые из них изготовлены. Так, различают изделия:

• не подвергавшиеся упрочнению;
• у которых упрочнению подвергнут только поверхностный слой;
• у которых упрочнению подвергнут весь объем металла.

Отдельные марки машиностроительных конструкционных сплавов (08кп, 15кп, Ст3 и др.), из которых изготавливается преимущественно листовой металл, не подвергаются никакой термической обработке. Поскольку такой листовой металл используется для производства различных изделий методом деформирования в холодном состоянии, к его пластичности предъявляются повышенные требования. Такую пластичность обеспечивает минимальное количество кремния и углерода. Кроме способности хорошо деформироваться в холодном состоянии, стали данных марок характеризуются и отличной свариваемостью.

Химический состав штамповых сталей

Конструкционные стальные сплавы, относящиеся к категории качественных, в обязательном порядке подвергаются термической обработке:

• закалке поверхностного слоя, после которой может быть проведен отпуск металла;
• закалке, выполняемой по стандартной технологии, после которой в обязательном порядке проводится процедура отпуска (сочетание данных типов термообработки металла дает хорошую свариваемость изделий из него);
• нормализации металла.

Стали по ГОСТ, классификация, свойства

Классификация стали

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Это важнейший материал, который применяется в большинстве отраслей промышленности.

Существует большое число марок сталей, различающихся по структуре, химическому составу, механическим и физическим свойствам.

Посмотреть основные виды продукции металлопроката и ознакомиться с ценами можно здесь.

Основные характеристики стали:

• плотность
• модуль упругости и модуль сдвига
• коэффициент линейного расширения
• и другие

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (0,1-1,0%), кремний (до 0,4%).

Сталь содержит также вредные примеси (фосфор, серу, газы — несвязанный азот и кислород). Фосфор при низких температурах придает ей хрупкость (хладноломкость), а при нагревании уменьшает пластичность. Сера приводит к образованию мелких трещин при высоких температурах (красноломкость).

Чтобы придать стали какие-либо специальные свойста (коррозионной устойчивости, электрические, механические, , магнитные, и т.д.), в нее вводят легирующие элементы. Обычно это металлы: алюминий, никель, хром, молибден, и др. Такие стали называют легированными.

Свойства стали можно изменять путем применения различных видов обработки: термической (закалка, отжиг), химико-термической (цементизация, азотирование), термо-механической (прокатка, ковка).

При обработке для получения необходимой структуры используют свойство полиморфизма, присущее стали так же, как и их основе – железу. Полиморфизм – способность кристаллической решетки менять свое строение при нагреве и охлаждении.

Взаимодействие углерода с двумя модификациями (видоизменениями) железа — α и γ – приводит к образованию твердых растворов. Избыточный углерод, не растворяющийся в α-железе, образует с ним химическое соединение — цементит Fe3C.

При закалке стали образуется метастабильная фаза — мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Сталь при этом теряет пластичность и приобретает высокую твердость. Сочетая закалку с последующим нагревом (отпуском), можно добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов. Инструментальные стали служат для изготовления резцов, штампов и других режущих, ударно-штамповых и измерительных инструментов. К сталям с особыми свойствами относятся электротехнические, нержавеющие, кислотостойкие и др.

По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (кипящей, спокойной и полуспокойной). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы, она содержит значительное количество растворенных газов.

Спокойная сталь — это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, марганец, алюминий), которые соединяясь с растворенным кислородом, превращаются в оксиды и выплывают на поверхность массы стали.

Такая сталь имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10-15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.

В современной металлургии сталь выплавляют в основном из чугуна и стального лома. Основные виды агрегатов для ее выплавки: мартеновская печь, кислородный конвертер, электропечи. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конвертерный способ производства стали.

В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т.д. При выплавке стали в сталеплавильную печь загружают чугун, добавляя к нему металлические отходы и железный лом, содержащий оксиды железа, которые служат источником кислорода.

Выплавку ведут при возможно более высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов. При этом железо, содержащееся в чугуне, частично окисляется:

• 2Fe + O2 = 2FeO + Q
• Образующийся оксид железа (II) FeO, перемешиваясь с расплавом, окисляет, кремний, марганец, фосфор и углерод, входящие в состав чугуна:
• Si +2FeO = SiO2 + 2 Fe + Q
• Mn + FeO = MnO + Fe + Q
• 2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe + Q
• C + FeO = CO + Fe – Q
• Чтобы довести до конца окислительные реакции в расплаве, добавляют так называемые раскислители – ферромарганец, ферросилиций, алюминий.
• Марки стали
• Марки стали углеродистой
• Углеродистая сталь обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

• группа А — поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б — поставляемая по химическому составу;
• группа В — поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей стали группы А подразделяются на три категории: А1, А2, А3; стали группы Б на две категории: Б1 и Б2; стали группы В на шесть категорий: В1, В2, В3, В4, В5, В6.

Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б марки БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способом.

Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. С повышением номера стали возрастают пределы прочности (σв) и текучести (σт) и уменьшается относительное удлинение (δ5).

Марку стали Ст0 присваивают стали, отбракованной по каким-либо признакам. Эту сталь используют в неответственных конструкциях.

1. В ответственных конструкциях применяют сталь Ст3сп.
2. Буквы Б и В указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается.
3. Если сталь относится к кипящей, ставится индекс «кп», если к полустойкой — «пс», к спокойной — «сп».

Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций. Качественные стали по ГОСТ 1050-74 маркируются двузначными цифрами, обзначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т.д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10%, 0,15%, 0,2% углерода.

Сталь по ГОСТ 1050-74 изготовляют двух групп: группа I — с нормальным содержанием марганца (0,25-0,8%), группа II — с повышенным содержанием марганца (0,7-1,2%). При повышенном содержании марганца в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание марганца.

Марки стали легированной

Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются лигирующими. Лигированные стали подразделяются в зависимости от содержания лигирующих элементов на низколегированные (2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10% и высоколегированные (свыше 10%).

Лигирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.

Легированные стали маркируются цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали.

Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали (Г — марганец, С — кремний, Х -хром, Н — никель, Д — медь, А — азот, Ф — ванадий), а стоящие за ней цифры — среднее содержание элемента в процентах.

Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Нержавеющая сталь. Свойства. Химический состав

Нержавеющая сталь — легированная сталь, устойчивая к коррозии на воздухе, в воде, а также в некоторых агрессивных средах. Наиболее распространены хромоникелевая (18% Cr b 9%Ni) и хромистая (13-27% Cr) нержавеющая сталь, часто с добавлением Mn, Ti и других элементов.

Добавка хрома повышает стойкость стали к окислению и коррозии. Такая сталь сохраняет прочность при высоких температурах. Хром входит также в состав износостойких сталей, из которых делают инструменты, шарикоподшипники, пружины.

Примерный химический состав нержавеющей стали ( в %)

Наименование стали	C	Si	Mn	P	S
Хромистая сталь (нержавеющая и кислотостойкая)	Не более0,35-0,45	Не более0,60	Не более0,60	Не более0,03	Не более0,035
Хромоникелевая сталь (нержавеющая и кислотостойкая)	0,06	0,50-1,0	1,0-2,0	0,030	0,020
Хромоникелевая сталь (окалиностойкая и жаропрочная)	0,20	1,50	2,00	0,035	0,030

Дамасская и булатная сталь.

Дамасская сталь — первоначально то же, что и булат; позднее — сталь, полученная кузнечной сваркой сплетенных в жгут стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода. Название получила от города Дамасск (Сирия), где производство этой стали было развито в средние века и, отчасти, в новое время.

Булатная сталь (булат) — литая углеродистая сталь со своеобразной структурой и узорчатой проверхностью, обладающая высокой твердостью и упругостью. Из булатной стали изготовляли холодное оружие исключительной стойкости и остроты. Булатная сталь упоминается еще Аристотелем.

Секрет изготовления булатной стали, утерянный в средние века, раскрыл в XIX веке П.П.Аносов. Опираясь на науку, он определил роль углерода как элемента, влияющего на качество стали, а также изучил значение ряда других элементов.

Выяснив важнейшие условия образования лучшего сорта углеродистой стали — булата, Аносов разработал технологию его выплавки и обработки (Аносов П.П. О булатах. Горный журнал, 1841, № 2, с.157-318).

• Плотность стали, удельный вес стали и другие характеристики стали
• Плотность стали — (7,7-7,9)*103 кг/м3;
• Удельный вес стали — (7,7-7,9) г/cм3;
• Удельная теплоемкость стали при 20°C — 0,11 кал/град;
• Температура плавления стали — 1300-1400°C ;
• Удельная теплоемкость плавления стали — 49 кал/град;
• Коэффициент теплопроводности стали — 39ккал/м*час*град;
• Коэффициент линейного расширения стали
• (при температуре около 20°C) :
•     сталь 3 (марка 20) — 11,9 (1/град);
•     сталь нержавеющая — 11,0 (1/град).
• Предел прочности стали при растяжении :
•     сталь для конструкций — 38-42 (кГ/мм2);
•     сталь кремнехромомарганцовистая — 155 (кГ/мм2);
•     сталь машиноподелочная (углеродистая) — 32-80 (кГ/мм2);
•     сталь рельсовая — 70-80 (кГ/мм2);
• Плотность стали, удельный вес стали
• Плотность стали — (7,7-7,9)*103 кг/м3 (приблизительно 7,8*103 кг/м3);
• Плотность вещества (в нашем случае стали) есть отношение массы тела к его объему (другими словами плотность равна массе единицы объема данного вещества):
• d=m/V, где m и V — масса и объем тела.
• За единицу плотности принимают плотность такого вещества, единица объема которого имеет массу, равную единице:в системе СИ это 1 кг/м3, в системе СГС — 1 г/см3, в системе МКСС — 1 тем/м3. Эти единицы связаны между собой соотношением:
• 1 кг/м3=0,001 г/см3=0,102 тем/м3.
• Удельный вес стали — (7,7-7,9) г/cм3 (приблизительно 7,8 г/cм3);
• Удельный вес вещества (в нашем случае стали) есть отношение силы тяжести Р однородного тела из данного вещества (в нашем случае стали) к объему тела. Если обозначить удельный вес буквой γ , то:
• γ=P/V .
• С другой стороны, удельный вес можно рассматривать, как силу тяжести единицы объема данного вещества (в нашем случае стали). Удельный вес и плотность связаны таким же соотношением, как вес и масса тела:
• γ/d=P/m=g.
• За единицу удельного веса принимают: в системе СИ — 1 н/м3, в системе СГС — 1 дн/см3, в системе МКСС — 1 кГ/м3. Эти единицы связаны между собой соотношением:
• 1 н/м3=0,0001 дн/см3=0,102 кГ/м3.
• Иногда используют внесистемную единицу 1 Г/см3.
• Так как масса вещества, выраженная в г, равна его весу, выраженному в Г, то удельный вес вещества (в нашем случае стали), выраженный в этих единицах, численно равен плотности этого вещества, выраженной в системе СГС.
• Аналогичное численное равенство существует и между плотностью в системе СИ и удельным весом в системе МКСС. Плотность стали

Наименование	Плотность
СИ, кг/м3	СГС, г/см3	МКСС, тем/м3
Сталь	7800	7,8	796

Модули упругости стали и коэффициент Пуассона

Наименование стали	Модуль Юнга, кГ/мм2	Модуль сдвига, кГ/мм2	Коэффициент Пуассона
Стали легированныеСтали углеродистые	2100020000-21000	81008100	0,25-0,300,24-0,28

Величины допускаемых напряжений стали (кГ/мм2)

Наименование стали	Допускаемое напряжение
на растяжение	на сжатие
Сталь легированная конструкционная в машиностроении	10-40 и выше	10-40 и выше
Сталь (ст. 3)	14	14
Сталь углеродистая конструкционная в машиностроении	16-25	16-25

Свойства некоторых электротехнических сталей

Марка стали	Начальная магнитная проницаемость, гс/эрсm	Максимальная магнитная проницаемость, гс/эрсm	Коэрцитивная сила, эрсm	Индукция при 25 эрсm , гс	Удельное электрическое сопротивление, ом*мм2/м
Э 31Э 41Э 42Э 45Э 310	2503004006001000	5500600075001000030000	0,550,450,40,250,12	1520014900149001460017800	0,520,60,60,620,5

Нормируемый химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Марка стали	Содержание элементов, %
C	Mn	Si	P	S
не более
Ст0	Не более 0,23	—	—	0,07	0,06
Ст2псСт2сп	0,09…0,15	0,25…0,50	0,05…0,070,12…0,30	0,04	0,05
Ст3кпСт3псСт3спСт3Гпс	0,14…0,22	0,30…0,600,40…0,650,40…0,650,80…1,10	не более 0,070,05…0,170,12…0,30не более 0,15	0,04	0,05
Ст4кпСт4псСт4сп	0,18…0,27	0,40…0,70	не более 0,070,05…0,170,12…0,30	0,04	0,05
Ст5псСт5сп	0,28…0,37	0,50…0,80	0,05…0,170,12…0,35	0,04	0,05
Ст5Гпс	0,22…0,30	0,80…1,20	не более 0,15	0,04	0,05

Нормируемые показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Марка стали	Предел прочности(временное сопротивление)σв, МПа	Предел текучести σт, МПа	Относительное удлинение коротких образцов δ5, %	Изгиб на 180° при диаметре оправки d
толщина образца s, мм
до 20