Легированные конструкционные стали: классификация, состав, свойства

О чем речь? Легированные конструкционные стали – специальные сплавы, в состав которых входят хром, никель, ванадий, медь, кремний. Добавки изменяют свойства проката под конкретные задачи и решения.

Где применяются? Высокая прочность, пластичность, стойкость к износу, высокая степень вязкости позволяют использовать легированные конструкционные стали в строительстве, машино-, станкостроении. При выборе проката обращают внимание на марки.

Что собой представляют легированные конструкционные стали

Это металлические сплавы с преобладающим в составе содержанием железа (от 45 %) и углерода. Также в них вводят специальные легирующие компоненты. Хотя их содержание невелико — около 1–3 %, — эти элементы кардинально меняют характеристики материала. Легирование позволяет воздействовать на свойства конструкционных сталей (прочность, гибкость и сопротивляемость хрупкости).

Каждая легированная конструкционная сталь, согласно ГОСТ 4543-16, имеет персональную маркировку, которая конкретизирует ее состав и характеристики.

Число в ее начале отражает процент углерода в сплаве. Буквы обозначают легирующие элементы, а последующие цифры – их концентрацию. При отсутствии чисел содержание легирующих компонентов находится в пределах 1,0–1,5 %. Буква «А», стоящая в конце марки, говорит о высоком качестве материала. Примеры маркировок легированных конструкционных сталей следующие: 13ХФА, 30ХМА, 40Х.

Выделяют две основные группы этих металлов: строительные и машиностроительные. Первая включает низкоуглеродистые и низколегированные сплавы, которые отличаются превосходной свариваемостью. Их используют для создания металлических конструкций в строительной отрасли.

Фото: Jason Richard / Unsplash

Вторая категория характеризуется сочетанием повышенной прочности, ударной вязкости и износоустойчивости, что делает эти сплавы идеальными для производства деталей, применяемых в машиностроении и смежных отраслях.

Классификация легированных конструкционных сталей

Легированные стали, используемые в качестве конструкционных материалов, представляют собой сплавы с высокими прочностными характеристиками, которые нашли широкое применение в различных областях, включая строительство и машиностроение.

Эти материалы изготовлены в соответствии с ГОСТ 4543-71, что обеспечивает высокую степень соответствия стандартам и стабильность их свойств в процессе эксплуатации. Одно из их ключевых преимуществ – высокая свариваемость – делает эти сплавы востребованными для разнообразных технологических нужд.

Для улучшения эксплуатационных качеств часто применяется термическая обработка  конструкционных легированных сталей. Этот процесс позволяет оптимизировать такие параметры, как прочность, упругость и другие механические характеристики, чтобы удовлетворить специфические требования различных производственных процессов.

Классификация углеродистых легированных конструкционных сталей по наличию углерода:

• сплавы низкоуглеродистые — не более 0,25 %;
• среднеуглеродистые — от 0,25 % до 0,65%;
• высокоуглеродистые — более 0,65 %.

Категории сплавов по количеству легирующих добавок:

• слаболегированные — до 2,5 %;
• среднелегированные — до 10 %;
• высоколегированные — от 10 % до 50 %.

Типы сталей по внутренней структуре:

• доэвтектоидные — с высоким содержанием феррита;
• эвтектоидные — имеют структуру, состоящую из перлита;
• заэвтектоидные — содержат вторичные карбиды;
• ледебуритные — содержат первичные карбиды.

Классификация легированных конструкционных сталей по химическому составу:

• качественные — отвечают стандартным требованиям по составу;
• высококачественные — маркируются буквой «А» и обладают улучшенными механическими свойствами;
• особо высококачественные стали — маркируются символом «Ш», и производятся методом электрошлакового переплава.

Фото: artdd / Freepik

Прокат из легированной конструкционной стали производится в виде: горячей катанки, кованых заготовок, с особой отделкой и калиброванных изделий.

По методам термической обработки стальные изделия подразделяются на:

• материалы без нее;
• термообработанные (маркируются символом «ТО»);
• негартованные: обозначаются литерой «Н» и изготавливаются методом проката.

Конструкционная сталь подразделяется на углеродистую и низколегированную.

Применение легированных конструкционных сталей в машиностроении предусматривает классификацию:

• по химическому составу: углеродистые и легированные с добавками хрома или никеля;
• по способу изготовления: линейные и деформируемые сплавы;
• по условиям эксплуатации: жаропрочные, износостойкие, коррозионно-стойкие и конструкционные виды;
• по содержанию углерода: низкоуглеродистые цементуемые (0,1–0,25 %), стали улучшаемые (0,25–0,45 %), сплавы для пружин и рессор (0,5–0,65 %);
• по объему добавок: низко- (до 5 %), средне- (5–10 %) и высоколегированные (свыше 10 %).

Практически вся продукция из конструкционных сталей подвергается термической обработке для достижения нужных характеристик.

Метод воздействия подбирается на основе эксплуатационных требований. Стандарты регламентируют основные параметры: устойчивость к нагрузкам, пластичность и свариваемость.

Легирующие элементы конструкционных сталей

Конструкционные стали представляют собой сплавы, основными составляющими которых являются железо и углерод. Однако для улучшения определенных характеристик этих материалов в них вводят дополнительные компоненты.

К основным легирующим элементам для конструкционных сталей относятся: хром, ванадий, никель, молибден, кремний и алюминий. Применение титана способствует повышению прочностных характеристик металла.

Влияние легирующих элементов на свойства конструкционных сталей способствует улучшению износостойкости и механической прочности конструкций. Это делает такие сплавы идеальными для производства высоконагруженных и износостойких изделий.

Углерод является главным элементом, определяющим механические свойства стали. Он напрямую влияет на прочность, твердость, на устойчивость к износу и хладноломкость. Чем выше содержание углерода, тем более прочным становится материал.

Важным фактором, определяющим свойства металла, является содержание примесей, таких как фосфор и сера. В зависимости от состава конструкционных легированных сталей различают несколько типов:

• обыкновенная: количество примесей не превышает 0,05 %;
• качественная легированная конструкционная сталь: до 0,035 % примесей;
• высококачественная легированная конструкционная: до 0,025 %;
• особо высококачественная конструкционная сталь: до 0,015 % примесей.

Термическая обработка — это процесс, при котором металл подвергается нагреву и охлаждению для улучшения его механических свойств.

Фото: Artem Zhukov / Unsplash

Использование марганца в качестве легирующего элемента помогает создать цементирующий эффект, что, в свою очередь, значительно увеличивает нагрузочную способность материала. Однако важно не превышать рекомендуемые нормы добавок, поскольку их избыток может привести к повышению хрупкости сплава.

Основные марки легированной конструкционной стали

Легированные стали, широко используемые в строительстве и производстве разных механических компонентов, отличаются разнообразием в системе маркировки, что зависит от стандартов, принятых в разных странах.

В России для обозначения конструкционных легированных сталей применяются ГОСТы, что упрощает понимание состава и области их применения.

Система маркировки включает как цифры, так и буквы:

• Числа в начале обозначения указывают на процентное содержание углерода в стали, выраженное в десятых долях процента.
• Буквы, следующие за цифрами, обозначают элементы, которые были добавлены в сплав. Например, маркировка 12Х2Н4А указывает на содержание углерода (0,12 %), присутствие 2 % хрома, 4 % никеля и высокое качество стали («А» в конце).
• Иногда за буквами идут цифры, которые уточняют процентное содержание добавленных элементов при их удельном весе не менее 1,5 %.

Примеры маркировок: в составе стали марки Р6М5Ф2К8 — 8 % кобальта, 5 % молибдена и2 % ванадия. ХВГ содержит марганец, хром и вольфрам, их содержание в сплаве не превышает 1 %.

60С2ХА идеально подходит для производства пружин и рессор, работающих в условиях сильных механических нагрузок. Сталь марки 20Х используется для изготовления втулок и шпинделей, которые требуют высокой прочности и стойкости к износу. Для создания зубчатых колес применяется марка 38ХА, в то время как 40ХС оптимальна для высокопрочных изделий. 35ХМ является идеальным выбором для турбин, работающих при экстремально высоких температурах.

Часто задаваемые вопросы о легированной конструкционной стали

Что собой представляют такие материалы особого назначения?

В отличие от легированных конструкционных сталей общего назначения, металлы этой категории – это сплавы, которые отличаются добавлением специальных элементов и уникальными химическими характеристиками. Среди таких свойств можно выделить коррозионную устойчивость (нержавеющие), жаропрочность, окалино- и кислотостойкость.

Фото: EyeEm / Freepik

Эти материалы находят применение в агрессивных средах, устойчивы к воздействию радиации и обладают электротехническими характеристиками.

Какими свойствами обладают легированные конструкционные стали?

Внесение разных элементов в состав позволяет создавать сплавы с уникальными параметрами. Доля добавок влияет на степень выраженности характеристик, а их взаимодействие формирует новые качества материала. В результате существует множество разновидностей и марок сталей, каждая из которых предназначена для определенных задач. Основные преимущества легированных заключаются в следующих свойствах:

• высокие показатели прочности и твердости;
• устойчивость к коррозии;
• жаропрочность, позволяющая сохранять свойства при температурах до 600 °C;
• низкая подверженность разрушению в условиях агрессивных химических сред;

• повышенная ударная вязкость;
• низкая хрупкость;
• выносливость при растяжениях и сжатиях;
• высокая текучесть;
• устойчивость к износу и истиранию;
• хорошая способность к сварке;
• упругость и пластичность;
• высокая температура плавления.

Какими преимуществами и недостатками обладают легированные конструкционные стали?

Металлы, прошедшие термическую обработку, приобретают улучшенные эксплуатационные качества.

Фото: Lance Anderson / Unsplash

В результате конструкционная сталь становится:

• устойчивой к пластическим изменениям формы;
• способной к глубокому прокаливанию;
• надежной благодаря высокой вязкости;
• отличающейся значительной хладноломкостью;
• минимизирующей риск появления трещин и деформаций за счет применения щадящих охлаждающих технологий.

Изделия из таких сталей обладают следующими характеристиками:

• продолжительный срок службы и высокая надежность, что позволяет улучшить показатели работы оборудования;
• высокая сопротивляемость коррозии, а также воздействию агрессивных факторов, включая химические вещества, экстремальные температуры и влажность;

• способность равномерно прокаливаться;
• прочность при длительном износе;
• экономическая выгода использования;
• превосходные технологические параметры.

При этом у таких материалов есть и минусы. Одним из дефектов легированных конструкционных сталей является появление обратимой хрупкости после отпускного нагрева, что снижает устойчивость металла. Кроме того, термическая обработка может уменьшить твердость и нарушить однородность структуры в местах повышенных деформаций.

Грамотный выбор марки стали и понимание ее характеристик позволяют инженерам и технологам эффективно решать задачи, ориентируясь на механические и эксплуатационные показатели. Постоянное развитие методик обработки и легирования открывает новые горизонты для использования этих материалов в самых разнообразных сферах.

Изображение в шапке статьи: Roman Serdyuk / Unsplash