Принципы классификации и маркировки сталей.

Раздел 4. Железоуглеродистые сплавы. Диаграммы состояния железо-цементит, железо-графит. Классификация, маркировка и применение сталей

Лекция 8

Принципы классификации и маркировки сталей.

Применение сталей.

Структура, свойства и применение чугунов.

Принципы классификации и маркировки сталей.

Стали классифицируют по химическому coставу, способу выплавки или степени раскисления, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

По химическому составу прежде всего все железоуглеродистые сплавы можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. По концентрации углерода в сталях они подразделяются на низко- (менее 0,3 %), средне- (0,3 - 0,7 %) и высокоуглеродистые (более 0,7 %). Углеродистые сплавы не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество должно определяться пределами, регламентируемыми для примесей соответствующими нормативами и ГОСтами.

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов в общем составляет 2,5 - 5,0 %; до 10 % и более 10 % соответственно.

Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки.

Углеродистые сплавы производят главным образом мартеновским и кислородно-конверторным способами. Наиболее качественную сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

В зависимости от степени раскисления и характеру затвердевания при производстве, сплавы могут быть спокойными (сп.), полуспокойными (пс.) и кипящими (кп.), что и указывают в марке. Раскисление – это процесс удаления кислорода из жидкого металла. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием или алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали получаются при раскислении только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при раскислении окислов железа взаимодействуя с углеродом, образует угарный газ – СО. Выделение пузырей этого газа создает впечатление кипения стали.. Данные стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми, с малым содержанием кремния (менее 0,007 %). Полуспокойные сплавы занимают промежуточное состояние между двумя первыми. Легированные стали бывают только спокойными, а углеродистые всех трех типов. Все эти виды сплавов при равном содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их отличие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Количество его в спокойной стали составляет 0,15 - 0,35 %, в полуспокойной - 0,05 -0,15 % и в кипящей менее 0,05 %.

В результате снижения концентрации кремния в феррите кипящих сплавов они становятся мягкими. Из-за большого содержания газов, особенно азота, они склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода повышает их порог хладноломкости. Кипящие стали становятся хрупкими уже при -10 °С, тогда как спокойные могут работать до –40 °С.

По структуре в отожженном (равновесном) состоянии железоуглеродистые сплавы бывают: доэвтектоидные, имеющие в своем строении избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; заэвтектоидные, содержащие вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита; ледебуритные, в которых структурносоставляющими являются первичные (эвтектические) карбиды; ферритные – это стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, а именно свыше 13 % хрома или более 2,5 % кремния; аустенитные с большой концентрацией марганца и никеля и мартенситные (среднелегированные).

По структуре после охлаждения на воздухе (нормализация) легированные стали подразделяют на: перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные. Углеродистые сплавы бывают только трех первых классов, легированные всех пяти.

Стали мартенситного типа отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита; при охлаждении они закаливаются на мартенсит. К данному классу относятся средне- и высоколегированные сплавы. Аустенитные стали – это в основном высоколегированные никелевые или марганцовистые (+ хромистые).

По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.

Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность химсостава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.

Обозначение марок - буквенно-цифровое.

Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.

Группа А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.

Стали типа Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.

Сплавы группы В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.

Степень раскисленности, обозначают буквами кп - кипящие, пс - полуспокойные и сп - спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 - Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.

При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.

В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.

Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности - буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.

Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента - 0,7 - 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву А. например У7А, У13А, У10А.

В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром - X, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан – Т, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - К, бор – Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах, округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0 %.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.

У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17ATI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.

Нестандартные сплавы обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э), исследовательская (буква И) или пробная (буква П), например ЭИ395, ЭП398 и т. п.

Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.

Применение сталей.

1) Конструкционные углеродистые стали. На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема производства стали. Эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Недостатки: менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает деформацию и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями, их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность. Главный недостаток: небольшая прокаливаемость (т.е. способность закаливаться на определенную глубину). Поэтому крупные детали изготавливают без термического упрочнения – в горячекатанном или нормализованном состоянии. По статической прочности они относятся к сталям нормальной прочности.

Углеродистые стали обыкновенного качества (общего назначения) всех трех групп (А,Б,В) предназначены для изготовления различных строительных металлоконструкций (сварные фермы, рамы), а так же слабонагруженных деталей машин и приборов (валы, оси, зубчатые колеса). Это горячекатанная сталь, поступающая с металлургических заводов в виде проката (прутки, балки, листы, трубы, ленты и т.д.). Наиболее распространенная сталь Ст3сп имеет следующие характеристики: σ_в = 380-490 МПа σ_0,2= 210-250 МПа, δ = 25-22%

Кипящие стали Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30-40^оС выше, чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп и др.):

Ст3кп – порог хладноломкости t₅₀= -10^оС

Ст3сп - ------- -50^оС

Поэтому для ответственных сварных конструкций, а так же для суровых климатических условий применяются спокойные стали.

Углеродистые качественные стали . Эти стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным хим. составом и механическими свойствами.

- Низкоуглеродистые стали подразделяют на 2 группы

1) 05, 08, 10 – малопрочные, высокопластичные σ_в = 280-330 МПа δ = 33-45%

Они способны к глубокой вытяжке, поэтому их применяют для холодной штамповки различных изделий. Если углерода более 0,1% возможны только незначительная вытяжка или гибка. Чаще всего для глубокой вытяжки используют сталь 08кп (детали кузова автомобилей, корпус приборов и др.). Кипящие легче штампуются, т.к. в них почти нет кремния, который сильно упрочняет феррит и затрудняет его деформируемость.

2)Цементуемые стали 15, 20, 25 – предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и др.), от которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхность после цементации (насыщения поверхности углеродом) упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Эти стали применяют так же горячекатанными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются. Характеристики: σ_в = 380-460 МПа δ = 27-23%.

Среднеуглеродистые стали (улучшаемые) – 30, 35, 40, 45, 50, 55. Они более прочные, но менее пластичны. После улучшения (т.е. закалка + высокий отпуск на сорбит) достигается высокая прочность, вязкость и пластичность:

σ_в = 500-600 МПа σ_0,2 =300-360 МПа δ = 21-16% (в нормализованном состоянии)

σ_в = 600-700 МПа σ_0,2 =400-600 МПа δ = 19-20% (после улучшения).

Стали этой группы применяют для изготовления деталей небольшого размера (зубчатые колеса, маховики, оси)

Высокоуглеродистые – стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 применяют в качестве рессорно-пружинных. Термообработка: закалка + средний отпуск на троостит для получения высокой прочности и упругости σ_в>800 МПа.

2) Легированные конструкционные стали.Легированные стали производят качественными, высококачественными или особовысококачественными. Их применяют после закалки и отпуска, так как в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых.

Низкоуглеродистые низколегированные стали содержат до 0,2%С и до 2-3% недефицитных легирующих элементов. Их упрочнение основано на легировании феррита марганцем и кремнием. К этой группе относятся:

Марганцовистые: 14Г, 19Г, 09Г и др.

Марганцовокремнистые : 12ГС, 09ГС, 10Г2С1 и др.

Стали применяют в строительстве для сварных конструкций, в качестве арматурных сталей и машиностроении σ_в≈ 400 МПа.

Цементуемые стали применяют для небольших деталей, работающих при средних нагрузках σ_в≈ 700 - 750 МПа.

Хромистые – 15Х, 20Х

Хромованадиевые – 15ХФ

Комплексно-легированные повышенной прочности:

Хромоникелевые – 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХН, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А применяют для крупных деталей ответственного назначения (σ_в≈ 1000-1300 Мпа)

Хромоникельмолибденовые, хромоникельвольфрамовые – 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА имеют высокие механические свойства (σ_в≈ 1150 МПа). Применяют для крупных деталей особо ответственного назначения.

Среднеуглеродистые легированные –улучшаемые - содержат углерода 0,3-0,5%

Приобретают высокие механические свойства после термического улучшения (закалки и высокого отпуска)

Хромистые 40Х, 50Х –дешевые, изготавливают детали небольшого сечения (15-25мм), без динамических нагрузок.

Хромомарганцовокремнистые – хромансиль 30ХГСА

Хромоникелевые – 40ХН прокаливается на глубину 40-50 мм

Хромоникельмолибденовые – 40ХНМА, 38ХН3МА – глубокопрокаливающиеся стали, практически в любом сечении. Закаливаются на воздухе, обладают малой склонностью к хрупкому разрушению, хорошо работают при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур. Изготавливают: ответственные детали – валы и роторы турбин, детали компрессорных машин. Недостатки: высокая стоимость, пониженная обрабатываемость резанием.

Легированные высокопрочные стали. К наиболее распространенным высокопрочным сталям относятся:

30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 40ХН2СМА и др. σ_в=1850 – 2000 МПа

Используют в самолотеостроении (шасси, оболочка космических летат. аппаратов), для силовых сварных конструкций.

Сюда же относятся улучшаемые легированные среднеуглеродистые стали (30ХГСА, 40ХНМА и др.), упрочненные термомеханической обработкой (ТМО – т.е. нагрев – пластическая деформация – закалка – отпуск) σ_в= 2000 –2800 МПа при достаточной пластичности и вязкости.

Мартенситно-стареющие стали – это безуглеродистые ( углерода не более 0,03%) сплавы железа с никелем (8-25%), легированные Co, Mo, Ti, Al, Cr и др. Закалка фиксирует пересыщенный железоникелевый мартенсит. При 480- 520 ^оС происходит старение, когда из мартенсита выделяются частицы мелкодисперсных фаз, получается прочность σ_в=2100-2500 Мпа., при этом оставаясь вязкими и надежными. Применение: в авиации, ракетной технике, судостроении и приборостроении:

Инструментальные стали.

Инструментальные стали предназначены для изготовления инструментов 4-х типов:

режущих, измерительных, штампов холодного деформирования и штампов горячего деформирования.

Важнейшее условие работоспособности инструментов – высокая износостойкость, а так же высокая твердость (в 2-3 раза большей, чем у обрабатываемого материала), прочностью и теплостойкостью (т.е. способностью сохранять высокую твердость при повышенных температурах, т.к. происходит нагрев режущей кромки). Для сталей теплостойкость определяется сопротивлением разупрочнению при отпуске (т.е. максимальная температура, до которой сохраняется мартенситная структура). Для штампов важна ударная вязкость.

Стали для режущего инструмента.

Углеродистые стали – стали У7, У8, У9. Теплостойкость до 200^оС. Твердость после закалки в воде HRC= 60-62. Обладают достаточной вязкостью, поэтому их применяют для инструментов, подвергающихся ударам: зубила, ножницы и ножи по металлу, столярные инструменты и др.

Из сталей У10, У11, У12, У13 изготавливают сверла, напильники, пилы, метчики, фрезы и др.

У12, У13 – для инструментов с максимальной износостойкостью – зубила для насечки напильников, граверный инструмент (HRC= 62-64).

Низколегированные стали– содержат до 5% легирующих элементов. Хром – постоянный легирующий элемент. Для улучшения свойств вводят марганец, кремний, вольфрам. HRC= 62-69. Эти стали, так же как и углеродистые, обладают теплостойкостью до 200^оС, поэтому их применяют для небольших скоростей резания. Из них изготавливают инструменты более крупных размеров и более сложной формы.

ХВ4- алмазная сталь – для чистовой обработки твердых материалов. Стали Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ – применяют для фрез, сверл, резьбонарезных и других инструментов с поперечным сечением 35-100 мм.

Быстрорежущие стали – высоколегированные стали, теплостойкость до 560-640 ^оС, для высоких скоростей резания. Р18, Р9 (цифра указывает содержание вольфрама – основного легирующего элемента).

Стали для измерительного инструмента

Основные свойства: высокая износостойкость, постоянство размеров и формы в течение длительного времени. Наиболее широко применяют стали Х, ХГ, ХВГ, 9ХС и др.

Стали для инструментов холодной обработки давлением.

Инструменты, работающие при небольших ударных нагрузках : У10, У11, У12, низколегированные Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ

Для крупных инструментов сложной формы Х12, Х12М, Х12Ф1.

Стали для инструментов горячей обработки давлением.

Используют низколегированные стали с повышенной ударной вязкостью и теплостойкостью. 5ХНМ , 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ.

Специальные стали (с особыми свойствами).

1)Автоматные стали – стали с улучшенной обрабатываемостью резанием с повышенным содержанием серы. свинца, фосфора и др. элементов. Обозначение : А11, А12, А20, А30, А30, А35. Они содержат серы до 0,3%, а фосфора – до 0,15%.

2) Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали. Эти стали обладают высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах. В них добавляют хром (12-27%), в некоторых случаях и никель (2,8 – 11%). Наибольшую коррозионную стойкость сталь приобретает после термической обработки: закалка с 1000-1100^оС в масле с отпуском при 700-750^оС.

Хромистые стали – 12Х13, 40Х13, 12Х17 – применяют для слабо агрессивных сред.

Хромоникелевые стали – 12Х18Н9, 17Х18Н9, 12Х18Н9Т – для окислительных сред

3) Жаропрочные стали – способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах (450-700^оС) в течение определенного времени. Они используются для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудования. Для температур 500 – 580^оС : 16М, 15М, 12Х1МФ

Для более высоких температур применяют сложнолегированные: 18Х12ВМБФР.

4) Жаростойкие (окалиностойкие) способны сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах. (550-900^оС). Жаростойкие стали содержат алюминий, хром, кремний.

40Х9С2 – применяют для изготовления теплообменников, работающих при 850^оС

08Х17Т – для деталей, работающих в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (до 900^оС)

36Х18Н25С2- для клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности (до 1100^оС).

5) Хладостойкие стали:

Углеродистые: обыкновенного качества от –20 до –50^оС

Качественная и низколегированная от –30 до –60 (09Г2С)

Легированные: никелевая с 6% никеля от –100 до –150^оС

С 9% никеля от –150 до –196 ^оС

Хромоникелевая 12Х18Н10Т от –253 до –269

.

автоматные стали – с улучшенной обрабатываемостью резанием с повышенным содержанием серы (0,08 – 0,3%) и фосфора (0,06%). Марки: А12, А20, А30 и др. Цифра указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Изготавливают винты, болты, гайки и др.

Стали с высокой технологической пластичностью. У этих сталей невысокий предел текучести σ_т и большие значения относит. удлинения δ. Марки: стали 05, 08, 10 всех видов раскисления.