Сталь: классификация, особенности и описание разновидностей сплава

Сталь – самый известный в мире сплав железа. По сути, говоря о железных конструкциях и предметах, мы говорим об изделиях (или их производстве) из той или иной стали. 99% сплава относится к категории конструкционных сталей, так что практически не существует инструментов или оборудования, где он бы ни использовался.

В этой статье мы постараемся затронуть такие темы как классификация марок, цена стали, ее свойства и применение в строительстве.

Что такое сталь

Сталь – сплав железа и углерода. В обычных случаях доля углерода колеблется от 0,1 до 2,14 %. Но, учитывая, что в состав легированных сталей может входить множество дополнительных ингредиентов, сегодня под сталью подразумевают такой сплав, где доля железа составляет не менее 45%.

О том, что такое сталь, и как ее производят, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Главные привлекательные качества стали – высокая прочность при доступности сырья и относительно простом способе производства. Именно такая комбинация и ставит сплавы железа в позицию абсолютного лидера. На сегодня попросту не существует такой области народного хозяйства, где стали не занимали бы позицию конструкционного материала.

• Железо и углерод – обязательные составляющие сплава. Из них железо обеспечивает пластичность и вязкость, благодаря чему сталь относят к деформируемым, ковким сплавам. А углерод – твердость и прочность, так как твердость всегда сочетается с хрупкостью. Добавка углерода невелика и даже в специализированных составах не превышает 3,4%.
• Кроме того, из-за способа производства, сталь всегда содержит какую-то долю марганца – до 1 %, и кремния – до 0,4%. Эти примеси мало влияют на свойства состава, если не превышают заданную норму. По тем же причинам в составе оказываются и вредные примеси – фосфор, сера, несвязанный азот и кислород. В процессе плавки и легирования от этих ингредиентов стараются избавиться, поскольку они уменьшают прочностные и пластичные свойства сплавов.
• В сплав вводят искусственно другие добавки с целью изменить качества материала. Так, добавка хрома придает стали жаропрочность, а никеля – стойкость к коррозии и вязкость.
• Чрезвычайно полезным качеством железных сплавов является то, что на изменение свойств влияют очень небольшие по весу добавки других веществ. Это позволяет значительно разнообразить качества материала. Кроме того, на свойства сплава очень сильно влияет метод изготовления собственно продукции – холодное деформирование, горячее, закалка и так далее.

Соотношение с чугуном

Наиболее близок к стали по свойствам и составу чугун. Часть материала и производится из предельного чугуна. Однако на практике различия в характеристиках оказываются весьма заметными:

• сталь прочнее и тверже, чем чугун;
• чугун на деле легче стали и имеет более низкую температуру плавления. Обманчивое впечатление создает массивность изделий из чугуна, поскольку он менее прочен;
• сталь легче поддается механической обработке благодаря низкому содержанию углерода. Чугун же предпочтительнее отливать;
• чугун имеет более низкую теплопроводность, то есть, изделия из него лучше хранят тепло, чем стальные;
• чугун нельзя подвергнуть такой процедуре, как закалка. А последняя может значительно увеличить прочность материала.

Далее рассмотрим достоинства и недостатки стали.

Преимущества и недостатки

Описывать плюсы и минусы материала довольно сложно. На практике мы имеем дело с продукцией из стали, причем из сплава самых разных марок, а, значит, и свойств. А одна из особенностей материала как раз и состоит в том, что метод изготовления изделии из него тоже влияет на его свойства. Качества сварной трубы не сравнить с характеристиками трубопровода из холоднокатаной стали.

В общем, можно говорить о следующих преимуществах стали:

• высокая прочность и твердость – свойственно всем видам;
• огромное разнообразие свойства, обусловленное разным составом и разными методами обработки;
• вязкость и упругость, достаточные для применения на всех участках, где требуется стойкость к ударным, статическим и динамическим нагрузкам при отсутствии остаточной деформации;
• легкость механической обработки – сварка, нарезка, сгибание;
• очень высокая износостойкость по сравнению с другими конструкционными материалами и, соответственно, долговечность;
• распространенность сырья и экономически выгодный метод производства, что обуславливает доступную стоимость сплавов.

К недостаткам можно отнести следующее:

• самый большой недостаток материала – нестойкость к коррозии. Чтобы избежать повреждений, выпускают специальные виды металла стали – нержавеющие, однако их стоимость заметно выше. Чаще проблему решают за счет покрытия стальных изделий защитным слоем металла или полимера;
• сплав накапливает электричество, что заметно усиливает электрохимическую коррозию. Сколько-нибудь объемные конструкции – корпуса машин, трубопроводы, нуждаются в специальной защите;
• сплав не отличается легкостью, стальные конструкции имеют большой вес и заметно утяжеляют объекты;
• изготовление стальных изделий – многоэтапный процесс. Недочеты и ошибки на любом из этапов оборачиваются значительным снижением качества.

Далее будет рассмотрена маркировка и классификация сталей по качеству, по назначению, а также по составу и иным характеристикам.

История

Документированная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:

• В Турции откопаны образцы возрастом почти 4 тысячи лет.
• Европейцам материал стал доступен со времен Античности.
• Самыми известными артефактами Средневековья стали булатные мечи. С той эпохи это был главный материал холодного оружия.

Веками сохранялся втайне секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей.

• Расцвет стального производства наступил в связи с войнами XIX века. XX век пополнил ассортимент танковой броней, корпусами самолетов, шлемами.

В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций перед материалами нового поколения.

Разновидности металла

Подсчитать количество известных и используемых на сегодня сплавов – задача очень непростая. Классифицировать их не менее сложно: свойства материала зависят от состава, метода получения, характера добавок, способа обработки и так далее.

Чаще всего используются следующие классификации:

• по химическому составу сталей – углеродистые и легированные;
• по структурному составу – аустенитную, ферритную и так далее;
• по содержанию примесей – обычного качества, качественная и так далее;
• по методу обработки – термическая закалка – отжиг, термомеханическая – ковка, химико-термическая – азотирование;
• по назначению – инструментальные, конструкционные, специальные стали и так далее.

О нержавеющей стали поведает это видео:

Химический состав

Сплав, по сути своей – твердый раствор. Причем компонент в твердом основном материале растворяется по другим законам, чем в жидкости. Основой получения всех железных сплавов является способность железа к полиморфизму, то есть, формированию разных структурных фаз при разной температуре. Благодаря этому углерод и другие элементы, растворенные в железе при высокой температуре, не выпадают в осадок при понижении температуры, как это происходит с обычными жидкостями, а образуют совместную структуру.

По своему составы стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые

Углеродистые – главным, то есть, определяющим свойства легирующим компонентом является углерод. Различают 3 вида:

• малоуглеродистые – менее 0,3 %. Сплавы отличаются ковкостью и стойкостью к динамическим нагрузкам;
• среднеуглеродистые – доля углерода варьируется от 0,3 до 0,7%;
• высокоуглеродистые содержат более 0,7% углерода. Их отличает более высокая прочность и твердость.

Это деление связано с теми преобразованиями, которые происходят в сплавах. До содержания углерода в 0,8 % сплав сохраняет доэвтектоидную структуру, то есть, имеет ферритно-перлитную структуру. При увеличении доли углерода структура меняется на эвтектоидную и заэвтектоидную, что соответствует перлиту и цементиту. Соотношение фаз во много определяет прочностные характеристики.

Пользователь сталкивается не столько с мало- или высокоуглеродистой сталью, сколько с составом определенной марки. Марка определяется соотношением нескольких критериев, а не только содержанием углерода.

Различают по назначению 3 группы:

• А – нормируются механические качества. Группа подразделяется на 3 категории и 6 марок. Обозначается марка Ст от 0 до 6. Ст0 – это отбракованная по каким-то показателям сталь, используемая в незначимых конструкциях. Ст6 – в наибольшей степени соответствует понятию качественная сталь;
• Б – нормируется по своему химическому составу, делится на 2 категории и 6 марок, обозначается БСт от 0 до 6. С увеличением номера повышается прочность и текучесть материала;
• группа В нормируется и по механическим показателям, и по составу. Она делится на 5 марок, обозначается ВСт.

Применяется дополнительная классификация по содержанию марганца. I – с нормальным содержанием элемента, то есть, 0,25– 0,8%, и II – с повышенным, до 1,2%

Легированные

Легированными называют стали, в которые специально вводят дополнительные ингредиенты для придания составу других качеств. Классификация производится по суммарному объему всех легирующих добавок – не примесей марганца или фосфора.

Различают 3 вида:

• низколегированные – с суммарным объемом добавок до 2,5%;
• среднелегированные – содержит от 2,5 до 10% примесей;
• в высоколегированных доля добавок превышает 10%.

Легирование значительно усложняет структуру твердого раствора, что приводит к возникновению сложнейшей классификации по структурному составу. Маркируются марки по составу: обязательно указывается доля углерода. А затем по уменьшению указывают доли легирующих добавок. Если доля примеси менее 1% вещество не указывается.

В качестве добавок применяют как неметаллы, так и металлы.

• Марганец – увеличивает прочность и твердость материала, улучшает режущие свойства. Но при этом способствует увеличению зерна, что уменьшается стойкость к ударным нагрузкам.
• Хром – улучшает стойкость к ударным и статическим нагрузкам, а также повышает жаропрочность. При большой доле хрома материал становится нержавеющим.
• Никель – увеличивает упругость сплава. При значительном содержании придает стали коррозийную стойкость и жаропрочность.
• Молибден – повышает твердость сплава, но при этом уменьшает хрупкость.

Наиболее известна из легированных сталей, конечно, нержавеющая. Чаще всего это хромо-никелевая и хромистая сталь с долей хрома до 27%.

Фазовый и структурный состав

Получение стали – процесс непростой и неоднозначный. Особенность его состоит в том, что при плавке сплав проходит через фазовые превращения, которые и обуславливают сочетание прочности и упругости.

Легирование углеродом происходит в 2 этапа. На первой стадии при нагреве до 725 С железо соединяется с углеродом, образуя карбид, то есть, химическое соединение, называемое цементитом. При нормальной температуре сталь включает смесь цементита и феррита. При повышении температуры выше 725 С цементит растворяется в железе, формирую другую фазу – аустенит.

С этой особенностью связана классификация сплава по структурному составу в нормализованном виде:

• перлитная – в основном это низкоуглеродистые и низколегированные стали;
• мартенситные – с большим содержанием добавок;
• аутенитная – высоколегированная.

В отожженном состоянии выделяют такие структурные классы:

• доэвтектоидный,
• заэвтектоидный,
• ледебуритный,
• ферритный,
• аустенитный.

В чем смысл подобного деления? Дело в том, что легирующие добавки оказывают разное воздействие на разные структуры стали. Так, растворение в феррите легирующих элементов приводит к увеличению временного сопротивления, за исключением марганца и кремния, которые сплав упрочняют. При легировании аустенита понижается предел текучести при относительно высокой прочности. В результате материал легко и быстро упрочняется при деформации – наклепывании.

Классификация по раскислителю

При плавке металлов частой проблемой является растворенный в них газ – кислород, азот, водород, чтобы удалить его прибегают к раскислению. В зависимости от полноты процесса различают 3 вида:

• спокойная – металл не содержит закиси железа. В сплаве полностью отсутствуют газы, так что его свойства наиболее стабильны и однородны. Применяется для ответственных конструкций, поскольку технология его получения дорогая;
• полуспокойная – затвердевает без кипения, но сопровождается выделением газов. Какое-то количество газов остается, однако может быть удалено при прокатке сплава. Как правило, полуспокойная сталь используется как конструкционная;
• кипящая – содержит растворенные газы. Это сказывается на свойствах: материал склонен к трещинообразованию при сварке, например, но, так как производство кипящей стали требует меньше всего затрат, производится и такой сплав для многих простых конструкций.

Классификация по назначению

Довольно условное разделение сталей по сферам применения стали.

• Строительные – сплавы обычного качества и низколегированные, рассчитанные на высокие статические и в некоторых случаях динамические нагрузки. Главное требование к ним – хорошая свариваемость. На деле в зависимости от характера строительного объекта, применяется материал самого разного качества.
• Инструментальные – как правило, высокоуглеродистые и высоколегированные, применяются при изготовлении инструментов. Различают штампованные сплавы, режущие и стали для измерительных инструментов. Режущие отличаются твердостью и теплостойкостью, материал для измерительных приборов – высокой износостойкостью.
• Конструкционные – с низким содержанием марганца. Это цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые, износостойкие и так далее, применяемые для изготовления самых разнообразных узлов и конструкций. Столь огромного разнообразия свойств добиваются за счет легирования.
• Порой выделяют специальные стали – жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные, но на деле они являются разновидностью конструкционных.

Содержание примесей

Сталь может включать полезные примеси, то есть, легирующие элементы, и вредные. По содержанию вредных и различают 4 группы:

• рядовые – или обыкновенного качества, с долей серы не более 0,06% и фосфора не выше 0,07%;
• качественные – допускается доля серы не более 0,04% и фосфора не более 0,035%. Процесс их изготовления дороже, но и механические свойства сталей выше;
• высококачественные – доля серы не превышает 0,025%, а фосфора – 0,025%. Получают сплавы в основном в электропечах, чтобы добиться большой чистоты;
• особовысококачественные – выплавляются в электропечах специальными методами. Так получают только высоколегированные стали с содержанием серы до 0,015% и фосфора – 0,025%.

Далее рассмотрим технологии и процесс производства стали, его этапы и виды.

Обозначение с легирующими элементами

Далее сложнее, так как вступает в игру легирующий состав. Ниже покажем таблицу – буквенное сочетание:

Покажем на примере определенной марки: Первая цифра всегда указывает на количество сотых частей углерода. Затем перечисляются буквенные обозначения, которые отвечают за добавки. Если рядом с ним не стоит буква, значит этого компонента меньше, чем 1%. Сзади самая последняя буква (в примере не указана) может быть «А» или «Ш» – это высококачественная или особовысококачественная сталь, соответственно.

Производство сплава

Процесс изготовления сплава сводится к переработке чугуна, при которой отжигаются лишние примеси и вводятся легирующие элементы. Используются при этом несколько методов.

• Мартеновский – расплавленный или твердый чугун с рудой плавят в мартеновской печи при 2000 С, чтобы отжечь лишний углерод. Добавки вводят в конце плавки. Сталь разливают в ковши и переправляют в прокатный цех.
• Кислородно-конвертерный – более производительный. Сквозь чугун в печи продувают воздух или смесь воздуха с кислородом, добиваясь более быстрого и полного отжига.
• Электроплавильный – плавка осуществляется в закрытой печи при 2200 С, что исключает попадание в сплав газов. Дорогостоящий метод, которым получают лишь высококачественные составы.
• Прямой метод – в шахтной печи окатыши, получаемые из железной руды продувают продуктами сгорания природного газа – смесью кислорода, угарного газа, аммиака, при температуре в 1000 С.

На этом процесс изготовления стали не заканчивается. В тех случаях, когда необходимо получить максимально прочный материал, прибегают к дополнительной обработке.

Термический метод

К термическим способам относится:

• отжиг – нагрев и медленное охлаждение разных видов и с разной скоростью;
• закалка – нагрев выше критической температуры, что вызывает перекристаллизацию сплава, и быстрее охлаждение;
• отпуск – процедура, осуществляет вслед за закалкой с целью уменьшить напряжение металла;
• нормализация – тот же отжиг, но проводимый не в печи, а на воздухе.

Термомеханический способ

Термомеханические методы сочетают механическое и термическое воздействие:

• высокотемпературная ТМО – закалка – наклеп, упрочнение, производится сразу же после нагрева, пока сплав сохраняет аустенитную структуру. Изменение вследствие пластической деформации при прокатке или штамповке сохраняется на 70% и после охлаждения и сталь оказывается более прочной;
• при низкотемпературной ТМО – холоднокатаная сталь. Сплав нагревают для аустенитного состояния, охлаждают ниже точек рекристаллизации, чтобы добиться появления мартенситной фазы – в пределах 400– 600 С. Затем производится закалка – наклеп, прокатка. При охлаждении эффект полностью сохраняется.

Термохимическая обработка

Термохимическая обработка представляется собой нагрев сплавов и выдержку их в определенных химических средах. К наиболее известным методам относят:

• цементацию – насыщение поверхности сплава углеродом. Таким образом получают износостойкий верхний слой;
• азотирование – насыщение стали азотом. Цель такая же – получение верхнего износостойкого слоя, но по сравнению с цементацией, азотирование обеспечивает более высокую стойкость к коррозии;
• нитроцементацию и цианирование – насыщение поверхностного слоя и углеродом и азотом. Обеспечивает более высокую скорость и производительность процесса.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Достоинства стали:

1. Прочность, твердость.
2. Вязкость, упругость.
3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
4. Износостойкость, долговечность.
5. Распространенность сырья.
6. Простота, рентабельность производства.
7. Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Плюс ценовая доступность продукции.

Недостатки материала:

1. Массивность.
2. Беззащитность перед коррозией.
3. Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.

Стоимость материала

Стоимость материала не менее разнообразна, чем количество марок. Условная сталь на Лондонской бирже металлов в декабре 2016 г стоит 325 $ за тонну. Стоимость нержавеющей стали заметно выше: холоднокатаная нержавеющая сталь сорта 304 в декабре оценивается в пределах от 1890 до 1925 $ за тонну.

Сталь – самый востребованный и самый распространенный металлический сплав в мире. Говоря о роли железа в народном хозяйстве, имеют в виду именно разнообразные стальные сплавы.

О том, как плавится сталь, смотрите в видео ниже:

О чем говорит маркировка

Мы перечислили основные причины для классификации сталей – это назначение, структура, содержание компонентов. Именно по данным факторам происходит определение марки. Так, например, самый распространенный подвид – конструкционные сплавы обыкновенного качества без легирующих добавок — можно маркировать как «Ст». Потом идет цифра, которая определяет количество углерода.

Классификация по структуре

Структура стали формируется в процессе ее изготовления, во время отливки и обработки под воздействием высоких температур. Химические связи материала определяют ее отношение к какому-либо классу. Это отношение учитывается для применения стали в той или иной области. Рассмотрим эти классы подробнее:

1. Аустенит. Этот класс отличается прочностью и однородностью. Они устойчивы к жару и образованию ржавчины, могут использоваться для работы в опасных условиях или перевозки агрессивных элементов.
2. Феррит. Представители класса ферритов – магнетики, благодаря чему оптимальны для использования в радиотехнике и электронике для изготовления антенн и другого оборудования.
3. Мартенсит. Этот вид стали получают при помощи процедуры легирования и термической обработки. Материал может возвращать форму после механической обработки. Применение представителей мартенсита осложняется дополнительными требованиями к обработке.
4. Перлит. Перлитом называется распад при охлаждении после нагрева. Такое состояние создается искусственным способом для пластической деформации.
5. Цементит. Представители вида физически упругие и твердые.

Применение углеродистой стали

Стоит отметить, что определенный вид и марка стали имеет свою область применения. Так, углеродистая инструментальная сталь высокой и повышенной прочности различных марок используется для производства слесарных зубил, молотков, отверток, кос, столярных инструментов, пил, ножниц, ножей рубильных машин, токарных резцов по дереву.

Из низкоуглеродистых сталей изготавливают разные изделия с помощью холодной штамповки, а также для небольших деталей (малонагруженных зубастых колес, толкателей). Среднеуглеродистые стали также применяются для изготовления деталей небольших размеров – шестерней, шатунов, маховых колес. Стали с самым высоким содержанием углерода – высокоуглеродистые — используются для производства пружин различных размеров и рессор разных видов.

Из качественной углеродистой стали марок У7, У8Г, У9, У12 и У13 производят сверла, кузнечные инструменты, резцы, а также инструменты для обработки камня и дерева.

Классификация по степени раскисления

Раскисление – это процесс, который приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Этот процесс необходим для того, чтобы избежать появления ржавчины на металлопрокате. Степень раскисления предусматривает следующую классификацию:

• спокойные (СП) – имеют однородную структуру, содержат минимальное количество газов и неметаллов; используются для дорогостоящих сплавов и изготовления металлоконструкций;
• полуспокойные (ПС) – их свойства позволяют выпускать несущие элементы сварных и клепаных конструкций; из ПС изготавливают болты и гайки, которые можно использовать при низкой влажности воздуха и высокой температуре;
• кипящие (КП) – хрупкий вид стали; подходит для производства деталей котлов и конструкций, контактирующих со взрывоопасными веществами; главный минус – быстрое появление ржавчины.

В реакции раскисления обычно участвуют следующие добавки: алюминий, марганец, кремний.