Сталь

Вторая часть лекции:

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. Практически не существует инструментов или оборудования, где бы она не использовалась.

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%.

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.

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. 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 стали – нержавеющие, однако их стоимость заметно выше. Чаще проблему решают за счет покрытия стальных изделий защитным слоем цинка и 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.

«Марки сталей»

Марки сталей классифицируются по различным параметрам: химическому составу, свойствам, качеству, сфере применения. Их расшифровку нужно знать работающим в сфере металлообработки специалистам, чтобы правильно выбрать материал для изготовления различных изделий. Знание марок сталей будет полезно и заказчикам для осуществления контроля качества.

Существуют специальные таблицы, по которым определяют марки стали. В нашем материале мы обозначим лишь основные понятия и метод классификации сталей. Такая информация поможет даже простому обывателю разобраться в этом сложном вопросе.

Для чего нужно знать расшифровку марок сталей

Каждому, чья работа связана с металлами, приходилось сталкиваться с понятием «марки стали». Расшифровка маркировки позволяет узнать химической состав, физические свойства сплава. Хотя на первый взгляд маркировка может показаться достаточно сложной, но в ней легко разобраться. Для этого нужно представлять себе принцип ее составления.

Для такого краткого описания сплава используют буквы и цифры, обозначающие химические элементы, их количество. А значит, для грамотной работы со сталями важно знать сами сокращения и как каждый элемент изменяет свойства готового сплава. Тогда удастся предельно точно определить, какими техническими характеристиками обладает определенная марка стали.

Вне зависимости от конкретной сферы, работа с металлами предполагает понимание их марок, назначений и других характеристик, отображаемых в индексе. Благодаря цифрам и буквам, используемым в шифре, удается максимально быстро разобраться в особенностях металла, не требуя дополнительных уточнений

Классификация марок сталей

Химический состав

Это один из основных параметров, используемый при разделении сплавов на классы.

По химическому составу стали делятся на марки легированной и углеродистой стали. При этом вторые могут быть малоуглеродистыми (с долей углерода не более 0,25 %), среднеуглеродистыми (0,25–0,6 %), высокоуглеродистыми, где больше 0,6 % углерода.

Добавляя в металл легирующие элементы, маркам стали придают определенные свойства. Различные комбинации видов и долей содержания добавок способны положительно отражаться на механических, магнитных, электрических свойствах сплавов, увеличивать их сопротивление ржавчине. Безусловно, изменять качество металлов можно методом термообработки, однако использование добавок наиболее эффективно.

По доле содержания в металле легирующих элементов стали делят на низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов), среднелегированные (с содержанием 2,5–10 %), высоколегированные сплавы с долей добавок свыше 10 %.

Определение качества марок сталей

В составе различных марок сплавов присутствуют посторонние примеси. Это преимущественно такие вещества, как фосфор, сера, кислород в несвязанном виде, азот. Все они негативно отражаются на эксплуатационных характеристиках металла.

Как именно такие примеси сказываются на качестве сплава?

• Фосфор придает металлу хладноломкость, снижает его пластичность.
• Сера является причиной трещиноватости при высоких температурах нагрева.

В зависимости от содержания примесей устанавливается показатель качества металла:

• обыкновенная сталь отличается существенным количеством примесей 0,06–0,07 % серы и фосфора;
• качественный сплав имеет долю примесей не более 0,035 %;
• высококачественная сталь большой степени очистки от нежелательных включений – 0,025 %;
• особо высококачественная сталь содержит серы до 0,015 %, фосфора – 0,02 %.

Для марки стали обыкновенного качества существует несколько маркировок:

• А – металл с самой высокой долей примесей;
• Б – сбалансированный по содержанию;
• В – с гарантированным составом.

В каждой группе может быть выделено еще три подгруппы в зависимости от различных физических параметров.

Избавиться от кислорода, содержащегося в металле, позволяет раскисление, то есть операция, осуществляемая в плавильной печи. Исходя из уровня извлечения кислорода из сталей, марке присваивают тип и указатель:

• спокойные – «СП»;
• полуспокойные – «ПС»;
• кипящие марки – «КП».

Основные марки стали для изготовления конструкций

Существует множество видов стали, однако основная доля выплавляемого металла идет на производство конструкционной стали. Она бывает таких видов:

• Строительная. Это низколегированный сплав с хорошей свариваемостью, который чаще всего используется для изготовления строительных конструкций.
• Пружинная. Отличается высокими показателями упругости, усталостной прочности, сопротивления разрушению. Применяется для производства пружин, рессор.
• Подшипниковая. Ее главными свойствами является высокая износостойкость, прочность, низкая текучесть. В соответствии со своим названием, данная разновидность используется при производстве узлов и элементов подшипников различного назначения.
• Коррозионностойкая, также известная как нержавеющая. Это высоколегированная сталь, обладающая повышенной стойкостью к воздействию агрессивных веществ.
• Жаропрочная. Изделия из нее могут долгое время работать в нагруженном состоянии при повышенных температурах, поэтому данная марка используется при производстве деталей двигателей, в том числе газотурбинных.
• Инструментальная. Является материалом для изготовления измерительных инструментов, а также устройств для обработки металлов и древесины.
• Быстрорежущая. Используется при производстве металлообрабатывающего оборудования.
• Цементируемая. Необходима в качестве материала деталей и узлов, функционирующих при серьезных динамических нагрузках в условиях поверхностного износа.

Чтобы точно определить, какая марка стали скрывается за расшифровкой, важно знать буквы в маркировках, обозначающие каждый из видов.

Расшифровка марок сталей

Расшифровка обозначений марки стали:

«Ст» – обыкновенная нелегированная сталь. Так, «Ст3» обозначает металл с содержанием углерода 0,3 %, «Ст3кп» – кипящая сталь, «Сст3сп» – спокойная, «Ст3пс» – полуспокойная, «Ст3св» – свариваемая. Если буквы отсутствуют, то перед вами спокойная сталь.

Группа «А»– сталь с гарантируемыми механическими свойствами (поставляемый металл не проходит термическую обработку). В данном случае могут встречаться такие маркировки: Ст0 – Ст6.

Группа «Б»– сплав гарантированного состава, который подвергается термической обработке непосредственно у потребителя. На таком металле может стоять обозначение «БСт3».

Группа «В»– сталь с гарантированными составом и механическими свойствами, используемая для изготовления сварных конструкций. Например, может маркироваться «ВСт3сп».

«Пп»– металл, характеризующийся пониженной прокаливаемостью. Используется в качестве материала деталей тонких сечений, требующих высокой поверхностной твердости и подвергаемых термической обработке с нагревом ТВЧ. Пример: «Ст5пп».

Качественная нелегированная сталь. Например, «Сталь 20», где содержится 0,2 % углерода, то есть обозначение ведется в сотых долях процента. По такому же принципу расшифровываются «Сталь 10», «Сталь 45», «Сталь 65».

«К»– качественная углеродистая сталь. Данное обозначение ставиться в конце маркировки, то есть «20К», «15К». Такой металл применяется для производства днищ, котлов, сосудов высокого давления.

«Л»– литейная конструкционная сталь, буква «Л» должна находиться в конце обозначения. Допустим, «110Г13Л» говорит о том, что данная марка содержит 1,1 % С, около 13 % Mn, является литейной. В соответствии с названием, для производства сплава используется метод литья.

Конструкционная низколегированная сталь. Маркировка «Сталь 09Г2С» говорит о доли углерода – 0,09 %, марганца – 2 %, кремния – не более 1–1,5 %, при таком показателе цифра не указывается.

«С»– строительная сталь. Когда обозначение «С» стоит в начале маркировки, после нее фиксируется минимальный предел текучести. Кроме того, при указании марки сталей используются дополнительные обозначения: «К» – повышенная коррозионная стойкость («С390К», «С375К»); «Т» – термоупрочненный прокат («С345Т», «С390Т»); «Д» – повышенное содержание меди («С345Д», «С375Д»).

«Е»– металл, имеющий особые магнитные свойства. Данное обозначение также располагается в начале маркировки. Так, из «ЕХ9К5» производят мощные постоянные магниты.

«У»– углеродистая инструментальная сталь. В качестве примера можно привести «У8ГА» с долей углерода 0,08 %, где «Г» обозначает повышенное содержание марганца, «А» – высокое качество материала.

«А»– высококачественная сталь, если данная буква расположена в конце маркировки. Например, «40А» обозначает, что эта марка содержит около 0,4 % углерода и относится к сталям высокого качества.

«Э» – электротехническая сталь, которую еще называют технически чистым железом. Речь идет о тонколистовой стали, которая применяется для изготовления шихтованных магнитопроводов электротехнического оборудования, а именно: для электромагнитов, трансформаторов, генераторов, электродвигателей.

Быстро разобраться с марками стали позволяют таблицы, однако этого специального инструмента может не быть под рукой в нужный момент. Данный материал-лекция, не является методическим пособием, я кратко попытался рассказать принцип расшифровки той или иной марки . Выше мы разобрали встречающиеся чаще всего обозначения, которые дают всю необходимую информацию о свойствах стали.

Такие сведения позволяют определить свойства металла, рассчитать расходы. Если производство не связано с использованием особых характеристик, вполне могут использоваться марки стали, не содержащие в себе дорогих компонентов. А ведь именно последние серьезно повышают цену сплава.

Очень редко можно столкнуться с нестандартными индексами, при расшифровке которых необходимо уточнение – в этом случае приходится прибегать к таблицам и справочникам.