Как подразделяются стали по процентному содержанию углерода

Сталь имеет широкую сферу применения: от винтов и гвоздей до частей моста. С развитием металлургии было изобретено множество сплавов и марок стали.

Сталь состоит из 2,14% углерода, постоянных примесей и других химических элементов. Хотя, как показывает практика, его концентрация обычно не превышает 1,5%. Доля железа в материале составляет не меньше 45%. Сталь производится путем вторичной переработки белого чугуна различными методами.

Основные преимущества всех типов стали:

• твердость и прочность;
• широкий функционал;
• разнообразие свойств;
• вязкость и упругость;
• легкая механическая обработка;
• высокая износостойкость;
• распространенность сырья;
• экономическая выгода от использования.

Основные недостатки – это отсутствие устойчивости к образованию ржавчины и способность накапливать электричество.

Чугун – наиболее близкий по составу материал. Однако, в сравнении с ним сталь:

• более твердая и прочная;
• имеет более высокую температуру плавления;
• легче подвергается механической обработке;
• имеет более высокую теплопроводность;
• легко подвергается процедуре закалки.

Классификация по химическому составу

Химический состав стали бывает углеродистым и легированным. Первые состоят из железа, постоянных примесей и углерода. В свою очередь, они подразделяются на:

• низкоуглеродистые (до 0,2-0,3% углерода);
• среднеуглеродистые (0,2-0,45%);
• высокоуглеродистые (от 0,45%).

Легированная сталь также содержит металлы и неметаллы. Они придают материалу более высокие механические и физикохимические свойства. Легировать – это значит сплавлять. Этот вид стали по химическому составу подразделяется на:

• низколегированные (до 2,5% присадок);
• среднелегированные (2,5-10%);
• высоколегированные (от 10%).

Производство проката

Сталь является пластичным материалом. Поэтому первоначально полученные отливки в дальнейшем подвергают многим видам обработки давлением: прокатке, прессованию, волочению, ковке и др.

В результате получают заготовки и полуфабрикаты для дальнейшей обработки резанием, термической резки, гибки, сварки, нанесения покрытий и др. Для сварных конструкций применяют преимущественно прокат. Но не исключается применение также поковок и литых заготовок.

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.

Способы улучшения прочностных характеристик

Если свойства марок легированных сталей улучшают посредством ввода в их состав специальных добавок, то решение такой задачи по отношению к углеродистым сплавам осуществляется за счет выполнения термообработки. Одним из передовых методов последней является поверхностная плазменная закалка. В результате использования этой технологии в поверхностном слое металла формируется структура, состоящая из мартенсита, твердость которого составляет 9,5 ГПа (на некоторых участках она доходит до 11,5 ГПа).

Само оборудование для плазменной закалки малогабаритно, мобильно и просто в эксплуатации

Поверхностная плазменная закалка также приводит к тому, что в структуре металла формируется метастабильный остаточный аустенит, количество которого возрастает, если в составе стали увеличивается процентное содержание углерода. Данное структурное образование, которое может преобразоваться в мартенсит при выполнении обкатки изделия из углеродистой стали, значительно улучшает такую характеристику металла, как износостойкость.

Одним из эффективных способов, позволяющих значительно улучшить характеристики углеродистой стали, является химико-термическая обработка. Суть данной технологии заключается в том, что стальной сплав, нагретый до определенной температуры, подвергают химическому воздействию, что и позволяет значительно улучшить его характеристики. После такой обработки, которой могут быть подвергнуты углеродистые стали различных марок, повышаются твердость и износостойкость металла, а также улучшается его коррозионная устойчивость по отношению к влажным и кислым средам.

Обработка деталей химико-термическим способом в вакуумной печи значительно увеличивает поверхностную прочность

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.

Обозначения легирующих элементов

Для того чтобы по маркировке стали узнать качественный и количественный состав, для легирующих элементов используют буквенные обозначения. В основном, русские буквы соответствуют названиям элементов, хотя встречаются исключения, поскольку есть элементы, которые начинаются с одинаковых букв. Таблица легирующих элементов выглядит следующим образом.

Обозначение легирующих элементов в сталях

Как видно из таблицы, в ней присутствуют два неметалла – кремний и азот, а углерода нет. Наличие углерода подразумевается в составе любой стали, поэтому в обозначении указывается лишь его содержание

Классификация стали по содержанию примесей

Классификация предусматривает три вида. Тем меньше в материале вредных элементов, тем более качественным он считается. Этот параметр определяется методом производства и выявление содержания S и P.

Обыкновенного качества

К этому виду относятся углеродистая сталь. Она производится в печи или на конвертере с применением кислорода. Сталь обыкновенного качества имеет доступную цену, широкую сферу применения, легко обрабатываются, но не отличаются устойчивостью к износу или прочностью.

Качественные

Она может быть как углеродистой, так и легированной. По сравнению с предыдущим типом этот состав произведен в соответствии с более строгими требованиями. Они производятся с соблюдением строгих характеристик плавления. Качественная сталь стоит дороже и применяется для изготовления элементов, предназначенных для высокого уровня нагрузок.

Высококачественные

Такой вид стали производится более современными методами, например, выплавке в электрических печах. Этот способ позволяет добиться минимального содержания включений газов и вредных неметаллических примесей, что обеспечивает высокие механические свойства материала. Сталь высокого качества имеет более высокую стоимость и используется для создания особо прочных конструкций.

Особовысококачественные

Это сплавы с минимально возможным количеством примесей. Они имеют самое высокое качество из представленных и имеют соответствующую цену, приближенную к драгоценностям. Особовысококачественная сталь – это легированная сталь, которая используется в уникальных случаях. Например, для производства деталей космических кораблей.

Маркировка углеродистых сталей

Маркировка углеродистых сталей не особо отличается от требований к обозначению других сплавов. Расшифровка маркировок, как правило, указывается в специальных таблицах.

Буква «У» указывается в начале и обозначает принадлежность сплавов к инструментальным. О качественной группе, к которой относится сталь, указывают обозначения «А», «Б», и «В», они указываются в конце. Количество углерода для материала повышенного качества обозначается в сотых долях процента, а для двух других групп — в десятых долях.

Углеродистые стали нередко маркируются буквой «Г», она стоит после цифр, указывающих на количество углерода. Буква указывает на повышенной содержание марганца в сплаве. Уровень раскисления обозначается как «сп», «пс» или «кп».

Классификация стали по назначению

Она является достаточно условной, так как в одной группе могут находиться множество марок, а в другой – всего несколько. Некоторые из них применимы для смежных значений. Для определения классификации стали продукция подвергается различным испытаниям: кислотам, экстремальным нагрузкам, ударным нагрузкам.

Конструкционные

Она относится к классу обыкновенного качества и является одной из самых обширных групп. Они способны выдерживать различные механические нагрузки: удары, изгибы, растяжения. Конструкционный материал устойчив к усталости, а также воздействию негативных факторов внешней среды. Используются для производства конструкций и деталей повышенной прочности.

Строительные

К ним относится углеродистая и низколегированная сталь. Из нее изготавливают сложные конструкции, в которых нагрузка распределяется одинаково на все области. К строительной стали не предъявляются особые требования, кроме податливости к сварке.

Для холодной штамповки

Холодная штамповка значительно меняет форму и размеры металлической заготовки. К этому виду предъявляются следующие требования – высокий уровень пластичности и стойкости на разрыв.

Цементируемые

Назначение цементируемой стали – производство деталей и узлов, которые подвергаются периодическим нагрузкам. Цементация – это процедура, в ходе которой повышается стойкость материала к износу.

Улучшаемые

Назначение улучшаемой стали – специальные виды термической обработки, например, отпуск или закалка. Эти процедуры применяются для повышения прочности и других характеристик.

Высокопрочные

Для создания высокопрочного вида сталей подбирается специальный состав и соотношение легированных элементов, а также программы обработки. В ходе процедуры достигается высокая прочность материала, которая в несколько раз превосходит параметры конструкционной стали. Высокопрочные элементы используются в узлах особой прочности.

Пружинные

Пружинные марки стали могут выдерживать многократные упругие деформации «усталости», присущей металлам. Они широко применяются в производстве автомобилей, транспортной отрасли и других сферах, где есть необходимость в амортизации, возврате элементов в первоначальное положение после выполнения рабочих функций. Углеродистые сплавы могут легироваться кремнием, бором и другими химическими элементами.

Подшипниковые

Назначение подшипниковой стали – эксплуатация оборудования и механизмов, использующих подшипники. В этом случае материал должен иметь высокую прочность, устойчивость к износу и быть выносливым. К минимуму должны быть сведены посторонние вещества и неоднородная текстура. Подшипниковая сталь подвергается специальной термической обработке и уплотнению.

Автоматные

Главные требования к автоматной стали – высокая податливость обработке, образование короткой стружки и пониженной трение между деталью и инструментом. Такой вид применяется для массового изготовления крепежей на автоматизированном производстве. Недостаток автоматной стали – сниженная пластичность.

Износостойкие

Износостойкую сталь получают благодаря добавлению большого количества марганца. Ее назначение – изготовление узлов, которые постоянно подвергаются трению и большим нагрузкам (как динамическим, так статистическим). Например, из износостойкой стали производят гусеницы, горное оборудование и оборудование для рельсов.

Коррозионностойкие нержавеющие

Низкоуглеродистая сталь подвергается процедуре легирования при помощи хрома и марганца. Хром кристаллизуется и формирует тонкий слой поверхности из окислов, которые защищает деталь от воздействия химических сред. Коррозионностойкие нержавеющие стали могут эксплуатироваться при температурном режиме до 60 градусов в слабоагрессивных (например, пар или вода) и в очень агрессивных (щелочах и кислотах).

В свою очередь, коррозионностойкие нержавеющие стали подразделяются на:

1. Коррозионностойкие. Они предназначены для изготовления пружин, клапанов и валов, способных выдерживать температуру до 600 градусов.
2. Жаростойкие. Они могут работать при ограниченных нагрузках и температурном режиме до 1200 градусов Цельсия.
3. Жаропрочные. Сталь легируется при помощи кремния, никеля или других элементов. Она может выдерживать серьезные нагрузки и взаимодействовать с высокими температурами (до 75% от температурного режима плавления).
4. Криогенные. Они могут взаимодействовать с низкими температурами (до -200 градусов), при этом сохраняя вязкость и упругость. Их можно применять для производства комплектующих холодильных установок (научных или промышленных).

Как определяется марка стали

Во время производственного цикла все просто и понятно – металлические заготовки закупаются в прутках, брусках, листах или полосах. С одного из краев на них нанесена маркировка (гравировка из цифр и букв) и специальный окрас – цвет также является сигнализатором для металлургов. На производстве сперва используется основная масса металла, а этот маркированный кончик – в самом конце. Но в домашних условиях умельцы зачастую покупают стальные листы с рук или в такой форме, что нельзя распознать маркировку. Поэтому ниже мы дадим несколько элементарных способов определения материала. Для этого вам понадобится:

• сама заготовка (желательно поместить ее в тиски для уменьшения риска травматизации);
• молоток и зубило;
• точильный круг;
• напильник;
• печь.

Также заблаговременно создайте оптимальные условия для теста, а именно – хорошее освещение, экипировку (наденьте защитные очки, обезопасьте открытые участки тела), материалы для сравнения, если они нужны, доступ в интернет.

Теперь перечислим возможные варианты проверки.

Инструментальные стали

Инструментальные стали – это изделия без легирования, которые являются прочными. Для уплотнения некоторых участков используют присадки. К ним предъявляются особые требования, связанные с особенностями использования.

Инструментальные стали также подразделяются на несколько подвидов:

• для режущих инструментов;
• для измерительных инструментов;
• штамповые;
• валковые.

Для режущих инструментов

Стали для режущих инструментов стоят достаточно дорого, поэтому создавать из них изделия сможет не каждый. Обычно некоторые части инструментов делают из конституционной стали, например, пластины или лезвия.

Сталь данного вида, в свою очередь, подразделяется на следующие подвиды:

• углеродистые инструментальные сплавы (обычно содержат 0,5-1,3% углерода, распространены для использования в процессе производства);
• легированные инструментальные (из них можно изготовить фрезы, сверла и протяжки);
• быстрорежущие (могут создавать изделия с теплостойкостью до -660 градусов).

Стали для измерительных инструментов

Сталь для измерительных инструментов должны иметь стабильную форму и размеры в процессе изменения и хранения. Также ее поверхность должна быть идеально гладкой, хорошо обрабатываться и шлифоваться.

Такая сталь бывает углеродистой и легированной при помощи хрома, никеля и других элементов. Для повышения устойчивости к износу и улучшения качества поверхности изделия цементируют и закаливают. Сталь по-прежнему востребована при изготовлении самых современных измерительных инструментов.

Штамповые стали

Штамповая сталь отличается твердостью, устойчивостью к температурным перепадам и прокаливаемостью. Она должна быть износостойкой и иметь постоянную форму. К ним этому виду относятся следующие сплавы:

• штамповки холодным методом (кроме твердости, устойчивости к износу, стабильности габаритов и формы добавляются высокий уровень вязкости и устойчивость к температурным перепадам; они могут работать в условиях ударов и высокого уровня давления; производятся на основе лигатур с хромом и другими элементами);
• штамповки горячим методом (они должны быть повышенной прочности и вязкости при нагревании до 500 градусов и высокой теплопроводности для того, чтобы избежать перегрева; они подвергаются процедуре легирования при помощи хрома, никеля, ванадия и т.д.).

Валковые стали

При помощи валковой стали производятся прокатные станы, матрицы, пуансоны, лезвия для работы с металлическими изделиями. С их помощью также можно изготовить комплектующие для горного и бумагоделательного оборудования.

Основные требования к валковой стали:

• высокий уровень прокаливаемости для прочности изделия (закалку стали проводят медленно, опуская ее в масло для охлаждения);
• высокая устойчивость к износу (она позволяет долго и бесперебойно работать всему прокатному стану, обеспечивает стабильные параметры);
• контактная прочность (она должна быть больше напряжения, которое возникает в ходе процесса, с учетом нагрузки от сопротивления и массы устройства).

Сферы применения

Улучшаемыми являются стали, из которых производят:

• Ответственные детали тяжелонагруженных зубчатых и реечных передач, работающие в условиях ударных и реверсивных нагрузок;
• Изделия с тонкими полотнами и поперечными сечениями, которые существенно разнятся по зонам;
• Металлорежущий инструмент с острыми кромками, преимущественно из быстрорежущих сталей;
• Контрольно-измерительные приспособления повышенной точности;
• Средненагруженные рессоры и пружины.

Улучшению подвергают и другую продукцию из среднеуглеродистых сталей, для которых важно иметь сорбитную микроструктуру.

Методы определения марки стали

1. Прикрепляем режущую кромку инструмента к поверхности. Наша задача – срезать верхний тонкий слой средней длины. Теперь анализируем стружку. Если она быстро ломается, совсем не получается ее получить, только короткие обломки, то, скорее всего, в ваших руках высокоуглеродистая. Именно из-за содержания углерода теряется пластичность, появляется твердость, а прочность страдает. Низкоуглеродистый состав, напротив, даст длинные завитки однородной структуры. А сам процесс сбивания верхнего слоя будет проще.
2. Более энергозатратный способ. Подходит для тех, кто имеет печь – подойдет самая обыкновенная дровяная. Но для чистоты эксперимента, чем больше поддерживаемая внутри температура (до закаливания), тем лучше. Берем металлический пруток и напильник. Делаем надрез, запоминаем, какие усилия были при этом приложены. Теперь подвергаем образец закалке и проводим повторный распил. Если после нагрева сохраняется простота манипуляции, значит вы имеете дело с малоуглеродистой. Большое количество углерода в составе делает металл труднообрабатываемым после закаливания.
3. Для третьего способа нам понадобится точильный круг. Сперва подготовьте рабочее место – хорошее освещение, сзади поставьте темный однородный фон, чтобы было лучше видно искры. Именно по ним будет проходить проверка стали. Если они крупные, брызгают в большом объеме, яркие, то вы имеете дело с высокой твердостью материала. В обратном случае при небольшом снопе и малых частицах искр – металлоконструкция не твердая. Чтобы верно интерпретировать результат, возьмите для сравнения другую заготовку, марку которой вы знаете. Обязательно надавливайте на оба образца с одинаковым усилием и под равным углом.
4. Используя точильный круг, можно определять материал и по другим признакам, например, цвет искр. Конечно, ряд показателей достаточно субъективный, намного лучше тестировать в сравнении с другими образцами. Если у вас сыпется в разные стороны, широко много звездочек небольшого размера, но при этом они долетают недалеко, оттенок при этом у них красный, то вы имеете дело с высокоуглеродистым образцом. Сноп посветлее и с меньшим количеством искр будет свидетельствовать о среднем содержании углерода, в то время как вовсе малая его часть в составе даст длинные соломенного цвета полосы без звездочек на концах – так обтачивается железо.

Если вы имеете дело со сталью, которую легировали, то по некоторым ее характеристикам можно предположить, какие легирующие элементы добавляли. Например:

• Наличие фосфора в большом количестве (это вредная примесь) приведет к повышенной хладноломкости, то есть при отрицательных температурах металлический лист или прут будет просто переломить, на нем образуются трещины.
• Хром делает заготовку очень устойчивой к образованию коррозии, поэтому, если вы взяли чистый, без ржавчины образец, который долго пролежал на улице, скорее всего, это хромистая.
• Тот же хром, как и никель, если их добавлено большое количество, убирают магнитные свойства образца.

Некоторые другие характеристики и особые свойства проверить в домашних условиях не просто. Но если вы можете определить особенности металлообработки, закалки, жаропрочности, то получится и выяснить наличие других добавок.