Сталь: состав сплава, свойства, маркировка

О чем речь? В основе стали лежат железо и углерод, но ключевые характеристики зависят от добавок: хрома, никеля, марганца и других элементов.

Какие бывают? Стали делятся на углеродистые (прочные, но менее пластичные) и легированные (с улучшенными свойствами благодаря добавкам). От состава зависят твердость, коррозионная стойкость и термообработка материала.

Состав сплава стали

Сталь представляет собой сплав, в составе которого основными элементами выступают углерод и железо. Механические и физические характеристики такого материала определяются технологией и процентным содержанием компонентов (основного и различных добавок).

Для понимания особенностей и свойств материала следует рассмотреть ряд ключевых факторов. Основу химического состава сплава стали составляет железо (Fe) и углерод (C). Процентное содержание второго элемента может варьироваться в пределах 0,02–2,14 %. От количества углерода зависят прочностные характеристики материала, его хрупкость и твердость.

Кроме того, в составе сплавов стали могут присутствовать никель, марганец, хром, ванадий, молибден и др. Такие компоненты называют легирующими.

Основные характеристики стальных сплавов:

• повышенная прочность;
• свариваемость (характерна для низкоуглеродистых марок стали);
• пластичность;

Фото: nuraghies / freepik.com

• стойкость к износу (особенно для легированной стали);
• подверженность термическим методам обработки.

Виды и состав стали

Различные марки стали и составы ее сплавов классифицируются по нескольким критериям. В первую очередь такие материалы разделяют с учетом содержания химических элементов и отсутствия примесей:

Углеродистые марки стали, не содержащие добавок

Сталь, как сплав железа с углеродом, по своему составу может быть низко- (до 0,25 % углерода), средне- (от 0,3 до 0,55 %) и высокоуглеродистой (от 0,6 до 2,14 %). Каждый вид отличается по характеристикам.

Читайте также

«Как правильно выбрать металлопрокат: сортамент прокатной стали»

Подробнее

Следует отметить, что повышение процентного содержания углерода способствует увеличению прочности и снижению пластичности материала.

Состав сплавов легированной стали включает специальные добавки

С учетом количества примесей различают следующие виды стальных сплавов: низко- (менее 4 % легирующих добавок), средне- (от 4 до 11 %) и высоколегированные (более 11 %).

Классификация марок по назначению включает большое количество категорий. Ниже  – основные:

Конструкционные

Применяются в производстве машиностроении и строительстве для изготовления деталей, устройств и механизмов. Конструкционные стали с учетом требуемых характеристик могут быть легированными и углеродистыми.

[sgInset53]

Из таких сплавов производят: элементы крепежей, гвозди, проволоку, ж/д и трамвайные вагоны, пружины, детали автотранспорта и т. д.

Нержавеющие

Отличительной характеристикой этих сплавов является высокая антикоррозийная стойкость, в том числе и в агрессивных средах. При производстве нержавеющих сталей в состав добавляют серу, азот, кремний, алюминий, хром, медь, никель, титан и др.

Эти сплавы используются для производства: бытовой техники (микроволновые печи, плиты, холодильники), посуды, сантехники, элементов мебели и оконных систем, ограждений, водостоков, агрегатов автотранспорта (моторы, коробки передач), трубной продукции для химической промышленности, элементов фильтров и т. д.

Инструментальные

Такие сплавы содержат от 0,7 и более процентов углерода. Инструментальная сталь имеет повышенную плотность и твердость.

Инструментальную сталь используют для изготовления: отверток, кусачек, плоскогубцев, молотков, топоров, пил, лезвий, стамесок, медицинских инструментов, заклепок и др.

Жаропрочные

Такие марки легированной стали способны работать при высоких температурах и под напряжением без существенной остаточной деформации и разрушения.

Жаропрочные сплавы применяются для производства: клапанов авиационных поршневых двигателей, элементов моторов внутреннего сгорания и газовых турбин, деталей реактивных силовых установок и др.

Криогенные

Эти стальные сплавы способны выдерживать очень низкие температуры (меньше, чем температура кипения кислорода -183 ℃). Такая характеристика обеспечивается за счет добавления хрома, никеля и марганца.

Читайте также

«Предел текучести стали: как определить и на что влияет»

Подробнее

Из криогенных сплавов производят: элементы авиакосмической техники и арматуры, компоненты сверхпроводящих магнитов и установок термоядерного синтеза.

Влияние состава на качество стали

Для повышения технологических характеристики стали в ее состав добавляют легирующие элементы (Ni, Мо, Wo, Сr, Аl, В, Тl, V, Mn, Si и т. д.). В зависимости от общего процентного содержания таких примесей стальные сплавы разделяют на:

• низко- (менее 2,5 %);
• средне- (от 2,5 до 10 %);
• высоколегированные (более 10 %).

Фото: enlightening_images / unsplash.com

С учетом возможностей применения выделяют такие марки стали:

• конструкционные (пружинные, подшипниковые, цементируемые, холодной штамповки, строительные, автоматные, высокопрочные, автоматные, улучшаемые, износостойкие);
• коррозионно-стойкие (нержавеющие), включая криогенные и жаростойкие;
• инструментальные – легированные и углеродистые стали: штампованные, валковые, холоднодеформированные, сплавы для производства режущих и измерительных инструментов.

По качественным параметрам марки стали разделяются на:

• обыкновенного качества или рядовые: содержат менее 0,6 % углерода;
• качественные: углеродистые и легированные; процесс получения таких сплавов предполагает соблюдение более строгих требований к плавке, разливу и составу шахты;

Читайте также

«Марка стали по прочности: классификация, критерии выбора»

Подробнее

• высококачественные: включают не более 0,03 % серы и фосфора;
• особо высококачественные: получают путем электрошлаковой переплавки с добавлением до 0,025 % P и 0,01 % S (например, марки 18ХГ-Ш или 20ХГНТР-Ш).

По структуре сплава различают:

• стали нормального состояния (к примеру, мартенситные и перлитные);
• сплавы отожженного состояния (карбидные, ферритные, аустенитные и т. д.).

Перлитными считаются стали, в составе которых низкое содержание легирующих добавок. Мартенситные и аустенитные сплавы включают, соответственно, средний и высокий процент таких компонентов.

Примеси в составе, ухудшающие качество стали

С увеличением содержания таких добавок снижаются характеристики стальных сплавов.

Основными вредными добавками в составе стали выступают:

• Sb (сурьма). Способствует формированию на поверхности сплава зерен при его остывании после плавки. Так повышается хрупкость и ломкость материла. Этот фактор проявляется в отношении легированных сталей. Максимальное проявление сурьмы как вредной примеси наблюдается при отливке стальных заготовок непрерывным методом.
• N (азот). При увеличении концентрации этого элемента в структуре сплава формируются инородные включения, негативно влияющие на качество готовой продукции. Снижение прочности материала происходит в результате появления неметаллических вставок. При правильно подобранном содержании азота формируется нормальная диаграмма состояния «железо/углерод» и улучшается качество стали.
• S (сера). Высокая концентрация данного элемента в сплаве способствует формированию сульфита меди, негативно влияющего на свариваемость, пластичность и ударную вязкость материала. Добавки серы в составе стали могут приводить к ее хладноломкости. Для снижения количества элемента до 0,005 % сплавы подвергают специальной обработке.

Читайте также

«Алюминиевые сплавы: состав и сферы применения»

Подробнее

• Р (фосфор). При достижении определенной концентрации он снижает ударную вязкость металла и способствует его хладноломкости. В контексте состава нержавеющей стали высокая концентрация фосфора в процентах повышает стойкость сплава к коррозии.
• С (углерод). Повышенное содержание этого элемента в сплавах стали снижает предел прочности и твердость материала, увеличивая хладноломкость. Кроме того, углерод способствует повышению электрического сопротивления металла.
• Sn (олово). Рост количества процентного содержания этого элемента в сплаве сопровождается существенным снижением пластичности. При этом заготовки, особенно те, которые отливают непрерывным методом, становятся более хрупкими.
• O (кислород). Концентрация этого газа может повышаться в ходе выплавки стали и сваривания заготовок. Это способствует падению пластичности металла. Для снижения содержания кислорода в сплаве применяют методы сваривания в защитной газовой среде.

В составе стали могут встречаться и другие примеси, ухудшающие качественные параметры стальных изделий.

Фото: EyeEm / freepik.com

Применение современных технологий позволяет минимизировать негативное влияние различных добавок на характеристики сплавов металла.

Система маркировки стали

В мире действует несколько систем маркировки стальных сплавов. Основными считаются:

• Европейская: EN 10027.
• Американская: АISI.
• Японская: JIS.

В европейской методике EN 10027 обозначение марок стали включает два блока:

• Первый – это буквенно-цифровой код. Он определяет группу сплава (конструкционная, нержавеющая, легированная) и содержание в нем добавок (углерода, никеля, марганца, хрома).
• Второй – числовой код. Определяет порядок присвоения сплаву номера в рамках группы.

К примеру, маркировка S355JR расшифровывается следующим образом:

• S – конструкционная сталь.
• 355 – нижнего предела прочности на растяжение (в МПа).
• JR – нормализованная (N) или отожженная (R) сталь.

Американская методика маркировки стали (AISI) используется в Соединенных Штатах, Канаде и в ряде других государств этого континента.

Читайте также

«Углеродистые стали обыкновенного качества: особенности и сферы применения»

Подробнее

Здесь для обозначения сплава применяют 4 цифры:

• Первое и второе число указывают на принадлежность к определенной группе стали (конструкционная, легированная, нержавеющая и т. д.).
• Третья и четвертая цифры демонстрирует содержание основных добавок (углерод, марганец, хром, никель и др.).

К примеру, расшифровка маркировки 1020:

• 10 – группа стали (низкоуглеродистые сплавы).
• 20 – содержание углерода (0,20 %).

В азиатских странах распространена японская система JIS.

К примеру, расшифровка обозначения SCM415:

• SC – группа (цементируемые стали).
• M – содержание марганца.
• 4 – процент углерода (0,40 %).
• 15 – содержание хрома (1,50 %).

В табличной форме представлено сопоставление разных методов маркировки стали:

Система	Пример	Описание
EN 10027	S355JR	Конструкционная, нижний предел прочности при растяжении 355 МПа, нормализованная или отожженная
AISI	1020	Низкоуглеродистая, содержание углерода 0,20 %
JIS	SCM415	Цементируемая, содержание углерода 0,40 % и хрома 1,50 %

Следует учитывать, что представленные системы не считаются взаимозаменяемыми.

Нормы маркировки стали в нашей стране определяются разными ГОСТ. Марка сплава описывается буквенными и числовыми символами, указывающими на его химический состав и механические характеристики.

По требованиям ГОСТ 1435-90, маркировка нелегированных инструментальных углеродистых сталей содержит символ «У». После него следует число, определяющее содержание С в процентах (так, У7 – сплав, содержащий от 0.65 % до 0.74 % углерода).

Похожая система используется и для инструментальных легированных и конструкционных стальных сплавов. Отличие заключается в норме, предусмотренной ГОСТ 5950-73. В этом стандарте предусматривается прописывание содержания добавок не в сотых, а в десятых долях процента.

К примеру, сталь 4Х2В5МФ включает углерода от 0.3 до 0.4 %, кремния от 2.2 до 3.0 %, вольфрама от 4.5 до 5.5 %, молибдена от 0.6 до 0.9 %, ванадия от 0.6 до 0.9 %. А в сплаве ХВГ содержится С 0.9–1.05 %, Сr 0.9–1.2 %, V 1.2–1.6 % и Mn 0.8–1.1 %.

Нормирование маркировки сплавов определяется и рядом других ГОСТов, дополняющих основные методы с учетом свойств определенных категорий сталей.

Часто задаваемые вопросы о составе сплавов стали

Как стальные сплавы отличаются по структуре?

Структура сплава стали определяет состав наполняющих его химических элементов, а также технология производства и обработки металла. Можно выделить несколько видов материалов:

• Ферритные. Структура в форме кристаллической решетки железа. Такие сплавы состоят из феррита и уступают по прочности и твердости остальным видам стали. Они используются, как правило для производства магнитов.
• Перлитные. Материалы, состоящие из этого соединения феррита с цементитом. Они демонстрируют средние показатели твердости и прочности, поэтому получили достаточно широкое применение.
• Мартенситные. Структура, формирующаяся при быстром остывании перлитных сплавов. Такие материалы отличаются твердостью и высокой прочностью, но менее пластичны и хрупкие.

Читайте также

«Свойства нержавеющей стали: виды, марки, особенности»

Подробнее

Как стальные сплавы различаются по способу раскисления?

Методы раскисления отличаются по количеству кислорода, выведенного из расплавленного металла в процессе производства сталей, что меняет содержание данного элемента в сплаве. Это влияет на структуру материала. Чем меньше кислорода, тем сплав чище и однородней.

• Кипящие стали (КП). Для раскисления используется исключительно марганец. Как правило, так получают низкоуглеродистые сплавы, содержащие много оксидов углерода. Это способствует снижению прочности и пластичности. Сплавы КП не отличаются устойчивостью к растрескиванию и разрушению. Они плохо свариваются, следовательно, из такого материала можно изготавливать только простые конструкции. Достоинство таких сплавов в том, что они наиболее доступны по цене.
• Спокойные стали (СП). Раскисление таких сплавов осуществляется в ковшах и плавильных печах с применением Si, Mn и Al. Сталь СП отличается от КП большей стабильностью. Низкое содержание кислорода способствует спокойному затвердеванию, без выхода газообразных примесей. Из таких материалов изготавливают ответственные конструкции.
• Полуспокойные стали (ПСП). Раскисление сплавов осуществляют с помощью Mn и Al. Это всегда углеродистая сталь со средней прочностью; пользуется спросом в строительстве.

В каком ГОСТе можно найти информацию о добавках в составе стальных сплавов?

Такие сведения представлены в ГОСТ 4543-71.

Характеристики стальных сплавов определяет их состав. Определенные примеси способствуют увеличению твердости, прочности и деформационной устойчивости. При этом есть добавки, негативно влияющие на качественные показатели сплава, их количество нужно уменьшать.

Чтобы правильно подобрать сплав для конкретной задачи, следует разобраться в разновидностях, характеристиках и сферах применения разных марок стали. Такой подход является важным условием гарантии надежности, прочности и долговечности изготавливаемых деталей и конструкций.

Изображение в шапке статьи: freepik / freepik.com