Классификация, свойства и назначение стали

Стали можно классифицировать:

1. по химическому составу,
2. по микроструктуре,
3. по способу производства,
4. по применению.

По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую (конструкционную и инструментальную) и легированную (низколегированною и высоколегированную)

По микроструктуре различают:

Перлитный класс - сталь, имеющая после нормализации структуру перлит (сорбит или тростит), перлит (сорбит или тростит) + феррит, перлит (сорбит или тростит) + заэвтектоидные карбиды (строительные, конструкционные и инструментальные углеродистые и низколегированные стали).

Мартенситный класс - сталь со сниженной критической скоростью закалки, имеющая после охлаждения на воздухе мартенситную структуру ( высоколегированная конструкционная, инструментальная и некоторые марки нержавеющей стали).

Аустенитный класс - сталь, в которой под влиянием легирующих элементов точка полиморфного превращения твердого раствора на базе γ - железа в твердый раствор на базе α - железа находится ниже комнатной температуры; после нормализации структура такой стали состоит обычно из аустенита или аустенита и карбидов (высоколегированного нержавеющая, жаростойкая и жаропрочная стали).

Ферритный класс - сталь, легированная элементами, суживающими и замыкающими на диаграмме состояния область существования твердого раствора на базе α - модификации железа, при определенном содержании этих легирующих элементов сталь после нормализации будет иметь структуру феррита или феррита и карбидов ( высокохромистая, нержавеющая, жаропрочная, жароуплрная стали)

Карбидный класс - сталь с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов: в литом состоянии в структуре такой стали имеется карбидная эвтектика, в деформированном состоянии - первичные (эвтектические) вторичные карбиды. Типичным периметром стали карбидного класса может служит быстрорежущая сталью

По способу производства различают:

1. Сталь обыкновенного качества (или рядовая сталь) - углеродистая сталь с содержанием углерода не более 0,6%; она выплавляется чаще всего в больших мартеновских печах, а также в бессемеровских и томасовских конвертерах и разливается в сравнительно крупные слитки.

Способ изготовления во многом предопределяет состав, строение и свойства этой стали. Стали обыкновенного качества имеют чаще всего повышенное содержание серы и фосфора, достигающие в мартеновской стали 0,055-0,6% серы и 0,05-0,07% фосфора, а в бессемеровской и в томасовской 0,06-0,07% серы и 0,08-0,09% фосфора. Ликвидация в этой стали часто более значительна, чем в стали остальных классов. Сталь обыкновенного качества имеет также повышенное 9постравнению со сталью следующих классов) количество неметаллических включений. В катаном состоянии сталь характеризуется значительной полосаточностью вдоль направления течения металла. По механическим свойствам рядовая сталь несколько уступает стали следующих двух классов: стали качественной и стали высококачественной.

По ГОСТ 380-60 стали обыкновенного качества, поставляемые по механическим свойствам (группа А), обозначаются Ст.0, Ст.1, Ст.3, Ст.4, Ст.5, Ст.6, Ст.7: поставляемые по химическому составу (группа Б): а) мартеновская - МСт.0, МСт.1, МСТ.4, МСт.5, Мст.6, Мст.7 и б) бессемеровская - БСт.0, БСт.3, БСт.4, БСт.5, БСт,6; поставляемая по химическому составу и механическим свойствам (группа В): Вст.1, ВСт.2 и т.п.

2. Сталь качественная - углеродистая или легированная сталь, выплавляемая в основных мартеновских печах с соблюдением более строгих требований к составу, процессам плавки и разливки. Содержание серы и фосфора в качественной стали не должно превышать (в зависимости от марки) 0,04% каждого из этих элементов. Количество неметаллических включений меньше, чем в стали обыкновенного качества.

3. Сталь высококачественная - углеродистая или легированная, чаще всего усложненного химического состава. Такая сталь выплавляется в электрических или кислых мартеновских печах небольшого тоннажа. Для высококачественной стали установлены суженные пределы содержания элементов. Содержание серы и фосфора в высококачественной стали не должно превышать соответственно 0,030 и 0,035% (для некоторых марок стали установлено еще более низкое содержание этих элементов). Эта сталь обладает также повышенной чистотой по неметаллическим включениям. Высококачественная сталь обозначается буквой А, помещаемой после обозначения марок.

По применению различают:

Класс I - Сталь строительная, применяемая для строительных целей. По химическому составу - эта сталь главным образом углеродистая, а по способу производства - сталь обыкновенного качества (рядовая). Эта сталь, как правило, не подвергается термической обработке (закалке) и используется в состоянии, полученном обработкой давлением. Однако в последнее время показана возможность упрочнения этой стали в результате закалки с прокатного нагрева.

Класс II - сталь машиностроительная (конструкционная). По химическому составу - это сталь углеродистая или легированная, по способу производства - качественная или высококачественная. Большая часть стали этого класса подвергается термической обработке. Для менее ответственных или малонагруженных деталей болты, клинья, дышала, валы маломощных механизмов и т. п) применяются также более дешевая сталь обыкновенного качества марок Ст.4, Ст.5, Ст.6, и Ст.7. Кроме того применяют стали марок Ст.2 и Ст.3, используемые главным образом для строительных целей.

Класс III - сталь инструментальная. По химическому составу сталь углеродистая и легированная, а по способу производства - качественная и очень редко (для наименее ответственного, например, слесарного инструмента) рядовая сталь. Инструментальная сталь по содержанию и по структуре - главным образом заэвтектоидная сталь, этим она заметно отличается от строительной и конструкционной стали (доэвтектоидной стали). Лишь в особых случаях инструментальная сталь применяется в качестве конструкционной для деталей машин специализированного назначения 9шарикоподшипники, пружины). Для инструментов некоторых типов (например, для молотовых штампов) применяется также доэвтектоидная сталь.

Класс IV - сталь с особыми физическими свойствами. По химическому составу - это легированная сталь а по способу производства - высококачественная или качественная сталь, требующая в отдельных случаях соблюдения специальных условий выплавки (например, в вакууме, электрошлаковым переплавом или в атмосфере инертных газов) и последующей обработки.

Класс I. Сталь строительная

Углеродистая сталь

Строительная сталь - это обычно углеродистая обыкновенного качества. Строительная сталь большей частью поставляется металлургическими заводами по механическим свойствам (сталь группы А ГОСТ 380-60) и применяется в состоянии поставки (таблица 3)

В сертификате хотя и указывается химический состав, но он не является обязательным, за исключением особых случаев. Однако по требованию потребителя должны быть гарантированы:
а) содержание углерода не выше верхнего предела, указанного в таблице 4;
б) содержание серы и фосфора в соответствии с нормами, приведенными таблице 4;
в) содержание хрома, никеля и меди - не более 0,30% каждого элемента.

Кроме указанных испытаний, сталь может по требованию потребителя испытывается на ударную вязкость при 20^оС и на загиб в холодном состоянии и свариваемость.

Строительная сталь поставляется по химическому составу в случае требования потребителя, если последний подвергает ее горячей обработке - сталь группы В по ГОСТ 380-60 (таблице 4.)

Строительная сталь, поставляемая по механическим свойствам с дополнительными требованиями по химическому составу, соответствует подгруппе В.

Механические свойства стали должны соответствовать таблице 3, за исключением стали марки ВСт. 3кп (толщина сортового металла свыше 40 до 100 мм), для которой σ_т ≥ 23 кГ/мм².

Верхние пределы содержания углерода серы и фосфора, а также кремния (для спокойной и полуспокойной стали) должны соответствовать таблице 4. Содержание кремния в спокойной стали марки ВСт. 3-0,12-0,22%, а для стали ВСт. 4 и ВСт. 5 - в пределах 0,12-0,25 %. Предельное содержание хрома, никеля и меди не более 0,30 % каждого элемента, а их суммарное содержание не более 0,60%. Содержание мышьяка в стали не более 0,08 %.

По способу изготовления следует различать две группы строительной углеродистой стали:
1) сталь спокойную, в процессе выплавки которой были проведены в достаточно полной степени операции раскисления и была уменьшена газонасыщенность стали;
2) сталь кипящую, менее раскисленную (более дешевую), при застывании которой в слитках образуется много газовых пузырей, в большей части заваривающихся при горячей обработке.

Кипящая сталь обладает лучшей способностью к холодной деформации. По сравнению со спокойной сталью она несколько хуже принимает сварку и более склонна к старению (синеломкости) вследствие повышенного содержания в ней газов. Поэтому ее не рекомендуется применять в котлах, баках и других аппаратах, работающих при температурах выше 150-200^оС. Кроме того, кипящая мартеновская, а также бессемеровская и томасовская стали более значительно, чем спокойная мартеновская сталь, снижает ударную вязкость при понижении температуры (особенно ниже 0^оС).

Легированная сталь

Легированная сталь для строительных целей не имеет столь широкого применения, как углеродистая сталь. Однако в последнее время применение низколегированной стали резко возросло. В таблице 5 приведены некоторые наиболее известные составы легированной стали, а в таблице 6 - ее механические свойства.

Класс II. Сталь машиностроительная (конструкционная)

Машиностроительные стали по основным особенностям, определяющим область их применения в промышленности, распределяются на два подкласса: подкласс А - стали общего назначения (группы 3-6); подкласс В - стали специализированного назначения (группы 7-13)

Стали общего назначения

Эти стали применяются для изготовления различных деталей и изделий в различных отраслях машиностроения (автомобильной, авиационной, станкостроения и др.) Наиболее важной характеристикой, по которой выбираются эти стали, являются механические свойства.

Однако машиностроительные стали могут обладать при одинаковом содержании углерода, но различном содержании легирующих элементов, близкими механическими свойствами в деталях или образцах небольшого диаметра (или толщины), но заметно различаются по механическим свойствам в деталях крупного сечения. Поэтому марки машиностроительной стали для изготовления изделий надо выбирать с учетом толщины изделия, а следовательно, и прокаливаемости стали.

В связи с этим машиностроительные (конструкционные) стали общего назначения распределены на следующие группы:
а) сталь небольшой прокаливаемости, прокаливающаяся полностью в деталях диаметром не более 10-15 мм 9групп 3);
б) сталь средней прокаливаемости, прокаливающаяся полностью в деталях диаметром до 25-35 мм 9группа 4);
в) сталь повышенной прокаливаемости, прокаливающаяся полностью в деталях диаметром до 50-75 мм 9группа 50;
г) сталь высокой прокаливаемости, прокаливающаяся в деталях диаметром более 75-100 мм, обладающая, кроме того, высокими прочностью и вязкостью после термической обработки (группа 6).

Жаропрочные стали и сплавы.

Жаропрочными называют стали и сплавы, сопротивляющиеся при повышенных (высоких) температурах деформации и разрушению под действием приложенных напряжений. О жаропрочности судят по результатам длительных испытаний на растяжение (реже на кручении и изгиб) при высоких температурах; для ориентировочных суждений пользуется также результатами кратковременных испытании на разрыв в горячем состоянии.

Теплоустойчивые стали также относятся к группе жаропрочных, поскольку они отличаются лишь более умеренными температурами службы (до 550^оС), когда скорость окисления незначительна. Основными характеристиками жаропрочности являются предел позуче5сти и предел длительной прочности.

Свойства, характеризующие жаропрочность металлов.

Ползучесть - свойство металла медленно и непрерывно пластически деформироваться при статистическом нагружении, особенно при высоких температурах. Металлы и сплавы, подвергнутые статистическому нагружению, в определенных температурных условиях, зависящих от природы и свойств металла, приобретают способность получать остаточные деформации ("ползти") даже в тех случаях, когда действующие напряжения значительно ниже предела упругости (текучести) данного металла при данной температуре. Основными факторами, обуславливающими ползучесть, являются напряжение, температура и время. Ползучесть определяется также рядом внутренних факторов, связанных с химическим составом, структурой и свойствами металла, некоторые из которых задержит, а другие, наоборот, усиливают развитие ползучести.

Деформация ползучести -величина пластической деформации в процентах, полученная деталью при ползучести за данный промежуток времени.

Скорость ползучести - величина пластической деформации (линейной), называемая ползучестью, отнесенная к единице длины в единицу времени. Скорость ползучести определяется обычно во второй (устанавливающийся) стадии ползучести и измеряется в % /ч или мм/ч.

Физический предел ползучести - определенное для каждой данной температуры предельное напряжение, при котором скорость ползучести становится равной нулю (в инженерных расчетах не используется)

Условный (технический) предел ползучести - напряжение, при котором скорость ползучести на устанавливающемся участке кривой ползучести или суммарная деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает некоторой обусловленной (допустимой) величины. В практике машиностроения в качестве условного предела ползучести наиболее часто принимают напряжение, вызывающее суммарную деформацию в 1% за 1000; 10 000 и 100 000 ч, что соответствует скорости ползучести 10^-3; 10^-4 и 10^-5 %/ч.

Длительная прочность - сопротивление металла разрушению от действия длительно приложенной статической нагрузки, особенно при высоких температурах; характеризуется пределом длительной прочности.

Предел длительной прочности - напряжение, которое в условиях ползучести, создаваемой постоянным напряжением и температурой, приводит к разрушению в течении заданного промежутка времени; в зависимости от последнего различают пределы длительной прочности σ 100, σ 1000, σ 10 000 и т.д. (индексы указывают время, через которое произошло разрушение).

Длительная пластичность - совокупность пластических свойств в условиях длительного нагружения при высоких температурах; условно характеризуется величинами относительного удлинения и относительного сужения при разрыве, а также рядом других условных критериев, например, "ресурса пластичности" и др.

Релаксация напряжений - происходящий под влиянием температуры, напряжения и времени процесс самопроизвольного снижения напряжений в упругонапряженном изделии, поставленном в условия, которые не позволяют ему изменить величину суммарной начальной деформации (например, в затянутых болтовых соединениях). Релаксация происходит примерно при тех же температурах и напряжениях, что и ползучесть. Она может иметь место и при комнатных температурах, если используются материалы, способные к ползучести при комнатных температурах, например, свинец и медь. Отличие релаксации от ползучести заключается в том, что при релаксации напряжение σ уменьшается при постоянстве суммарной начальной деформации (удлинение ε), а при ползучести, наоборот, напряжение σ постоянно, а деформация ε увеличивается. При релаксации напряжение, следовательно, соотношение величин упругой и пластической деформации, из которых складывается начальная деформация, не остается постоянным, так как происходит постепенное нарастание пластической деформации за счет упругой. Общая пластическая деформация при релаксации значительно меньше, чем при ползучести.

Скорость релаксации - υ_r - скорость снижения напряжения υ при релаксации: υ_r = σ / t. Скорость релаксации возрастает с увеличением напряжения σ и уменьшается с увеличением времени релаксации t. При одном и том же напряжении скорость релаксации тем меньше, чем длительнее время, в течение которого произошло снижение напряжения до заданной величины.

Термическая усталость - явление разрушения металла под действием циклических температурных напряжений, возникающих в результате периодических колебаний рабочей температуры и вызывающих температурные расширения, опасные для прочности. Термическая усталость представляет особую опасность для тех деталей, которые по конфигурации (тонкие стенки) и условиям службы подвергаются быстрым нагревам и охлаждениям при изменении теплового режима машин. Наиболее серьезные повреждения от термической усталости возникают в деталях, испытывающих очень высокие нагревы и подвергающихся поэтому наиболее резким колебаниям температур (пламенные трубы камер сгорания, форсажные камеры, лопаточный аппарат турбины). Образование трещин, вызываемых термической усталостью, облегчается наличием концентратов напряжения (например, отверстий в пламенных трубах) и коррозионной среды (пара, газа).

Каждая жаропрочная сталь (или сплавы) должна обладать известным минимумом жаростойких свойств, точно так же, как и для жаростойкой стали, необходимо наличие определенной степени прочности и вязкости. В связи с этим, некоторые стали могут быть отнесены одновременно к жаропрочным и к жаростойким.

К числу элементов, повышающих жаропрочность стали и сплавов, относятся молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кобальт, алюминий и отчасти хром и никель. Последний наряду с марганцем имеет значение главным образом как аустенитно - образующий элемент (в высолегированной стали).

В отношении жаропрочности хром менее эффективен, чем другие легирующие элементы. Однако его присутствие в стали или сплавах обеспечивает жаростойкость. Поэтому хром является обязательным компонентом (обычно совместно с другими элементами) жаропрочных сталей и сплавов.

Классификация жаропрочных сталей

Жаропрочные стали могут быть классифицированы:
1) в зависимости от количественного содержания легирующих элементов различают: а) низко -, б) средне - и в) высоколегированные стали;
2) по структуре (после охлаждения на воздухе) различают жаропрочные стали: перлитного, мартенситного, мартенсито - ферритного, ферритного, аустенито - мартенситного и аустенитного классов.

Низколегированные стали, как правило, относятся к перлитному классу; среднелегированные - к перлитному, мартенситному и мартенсито - ферритному классам. Высоколегированные стали могут принадлежать к любому из перечисленных классов, кроме перлитного.

Таблица 2. Классификация стали по применению с распределением по группам
Таблица 3. Углеродистая сталь, поставляемая по механическим свойствам (группа А по ГОСТ 380-60)
Таблица 4. Углеродистая сталь, поставляемая по химическому составу (группа Б по ГОСТ 380-60)
Таблица 5. Химический состав низколегированной стали в % (по ГОСТ 5058-57)
Таблица 6. Механические свойства низколегированной стали (по ГОСТ 5058-57)