Многими людьми в обыденной речи часто употребляются понятия «сталь» и «железо», как синонимы. На практике они существенно отличаются друг от друга.

Что называется сталью

Сталью называют один из самых распространенных металлических сплавов. Он широко применяется при производстве различных машин, механизмов и приборов. Без нее немыслимо производство автомобилей и судов, железнодорожных вагонов и локомотивов. Стальная арматура используется в строительстве, из металлических конструкций сооружаются мосты, быстро возводимые сооружения. Этот сплав создается с заранее заданными свойствами, чтобы в наибольшей степени удовлетворять качественным характеристикам конкретного изделия. Обычно сталью называют сплав, в котором более 45 процентов железа . Для прочности и твердости в него добавляется углерод и легирующие компоненты.

Высокоуглеродистая сталь идет на изготовление различных силовых пружин и амортизаторов, рессор и других упругих деталей, рассчитанных на большие нагрузки. При изготовлении высокотехнологичного оборудования и приборов из такой стали изготавливают подвески, мембраны и множество других элементов разных форм и назначения. Отличаются детали из стали с повышенным содержанием углерода тем, что они выдерживают большие постоянные, ударные или циклические нагрузки, не имея остаточной деформации. Стали, у которых содержание углерода не велико, более пластичные и вязкие. Их удобно использовать для производства штампованных деталей, например, в автомобилестроении.

Для удобства применения стали классифицируют по различным параметрам.

Так по назначению они могут быть:

• Конструкционными.
• Нержавеющими.
• Инструментальными.
• Жаропрочными.
• Морозостойкими.

Для оценки химического состава их относят к углеродистым и легированным . Первые бывают низко, средне и высокоуглеродистыми. По такому же принципу, исходя их содержания легирующих компонентов, делятся легированные стали. Стали могут различаться и по другим характеристикам (удельный вес, плотность, температура плавления, содержание хрома, молибдена, вольфрама и пр.).

Сталь производится путем ее переработки из чугуна, в ходе которой доводится до нужного уровня содержание углерода и удаляются сера и фосфор, снижающие ее прочностные характеристики. Этот процесс может осуществляться мартеновским, кислородно-конверторным или электротермическим способом. Для придания стали нужных прочностных параметров ее могут подвергать термической и химико-термической обработке.

Есть такой металл – железо

Железом называется элемент, менделеевской периодической системы, обозначаемый символом Fe . Этот металл широко распространен в коре нашей планеты. Полагают, что из него состоит большая часть ядра Земли. Считается, что это один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Представляет собой серебристо-белого цвета металл, который поддается ковке. Горит в чистом кислороде. В чистом виде встречается редко. Комплекс уникальных свойств железа и его сплавов делают этот металл важнейшим для людей. Практически наиболее применяемые его сплавы с углеродом в виде стали, в том числе с добавлением марганца, хрома, никеля и чугуна.

Оно было известно еще в четвертом тысячелетии до н.э. в виде украшений и холодного оружия, которые изготавливались из железа, содержавшегося в метеоритах. Ценилось дороже золот а. Позже его научились плавить из магнетитовых песков и железной руды в вырытых в земле печах. С изобретением примитивных доменных печей с использованием воздуходувных мехов древние римляне освоили производство чугуна и стали из него.

Железо содержится в большом количестве минералов, в частности, в таких:

• Магнетит (72,4%)
• Гематит (70 %)
• Марказит (46,6 %)
• Сидерит (35 %)
• Миспикель (34,3 %)
• Леллингит (27,2 %)

В числе стран с наибольшими месторождениями железа находятся Бразилия, Австралия, США, Канада, Швеция, Венесуэла, Либерия, Украина, Франция, Индия. Первое место в мире по его запасам занимает Россия. Перспективными являются железосодержащие месторождения, обнаруженные на дне океанов.

Промышленным способом железо получается из железной руды в виде агломерата, в основном в результате доменного процесса. В доменных печах при температуре 2000 °C его сначала восстанавливают углеродом. Полученный расплав железа, называемый чугуном, перенасыщен углеродом. Для получения стали он нуждается в дальнейшей переработке. Оно получается в твердом виде и переправляется в электропечах.

Для получения химически чистого железа применяется электролиз его соляных растворов. Если его хранить на воздухе при плюсовой температуре, оно со временем покрывается оксидной пленкой, препятствующей окислению. При влаге покрывается рыхлой ржавчиной, которая не препятствует его разрушению.

В чем отличия

Сталь и железо принципиально отличаются в следующем:

1. Сталь является готовым продуктом металлоплавления и может использоваться в различных целях. Железо является элементом, который выступает основой и полуфабрикатом для производства стали.
2. Стали за счет изменения рецептуры и технологии ее производства, могут задаваться определенные качества, необходимые для дальнейшего производства. В железе, как химическом элементе, его качества заложены природой.
3. Сталь является сплавом, а в чистом железе содержится только оно.
4. По прочностным характеристикам сталь значительно превосходит железо.
5. Из стали изготавливают миллионы наименований изделий, из железа – десятки.

Часть 1- "Cтруктура"

"Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда".

А.Е.Ферсман

Все знаю, что сталь является важнейшим инструментальным и конструкционным материалом для всех отраслей промышленности.

Металлургическая промышленность Украины насчитывает более 50 металлургических заводов и является стратегически важной для страны. В Украине производится широкий , таких, как: арматура, круги, квадрат, катанка, проволока, полоса, уголок, балка, швеллер, листы, трубы и метизы.

Сталь

Рассматривая данный вопрос, начнем с химического состава.

Сталь - это соединение железо (Fe) + углерод (С) + другие элементы растворенные в железе.

Железо в чистом виде имеет очень низкую прочность, а углерод ее повышает.

Углерод улучшает и некоторые другие показатели:

• твердость,
• упругость,
• устойчивость к износу,
• выносливость.

• Низкоуглеродистые стали - 0,1-0,13 %
• Углеродистые стали 0,14-0,5%
• Высокоуглеродистые - от 0,6%

Чем выше процент содержания углерода в стали, тем выше ее прочность и меньше пластичность.

УГЛЕРОД - является неметаллическим элементом. Его плотность равна 2,22 г/см3, а плавится при t -3500 °С. В природе он присутствует 2х полиморфных модификаций - графит (стабильная модификация) и алмаз (метастабильная модификация), а в сплаве с железом:

• в свободном - графит (в серых чугунах),
• в связанном - твердое состояние -цементит.

Углерод в соединении с железом находится в состоянии цементита , т.е в химической связи с железом (Fe3C). Структура цементита может быть очень разной, а зависит она от процесса образования, содержания углерода и методов термообработок.

Углерод в свободном состоянии присутствует в сером чугуне (СЧ), в виде графита. Серый чугун имеет пористую металлическую структуру и является весьма хрупким; на нем легко появляются трещины (особенно в процессе сварки).

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-71)

Система железо- углерод

Структура стали изучается по диаграмме состояния системы железо- углерод. Она характеризует структурные превращения стали и выражает зависимость структурного состояния от температурных режимов и химического состава.

Диаграмма состояния системы железо- углерод

Диаграмма состояния содержит критические точи, которые очень важны теоретически и практически для процессов термообработки стали и их анализа. С помощью диаграммы Fe-C - можно определить вид термообработки, температурный интервал изменения структуры и прогнозировать микроструктуру.

Структуры стали

Сплавы железа с углеродом при различных температурах и различном содержании «С» имеют различную структуру, а соответственно и физические и химические свойства. Одним из таких состояний и является описанный выше цементит. А теперь о них:

Аустенит - твердая структура углерода в гамма-железе - содержит "С" до 1,7% (t > 723° С). При снижении температуры аустенит распадается на феррит и цементит и возникает пластинчатая структура - перлит.

Феррит - твердый раствор "C" в α-железа- при t> 723-768° С, концентрация "С" составляет - 0,02%, а при t 20°С около 0,006% "С". Он очень пластичен, не тверд и имеет низкие магнитные свойства.

Цементит - карбид железа Fe3C. Концентрация «С» 6,63% . Цементит является хрупким, а его твердость - НВ760-800.

(на рисунке структура: цементит + перлит)

Перлит - механическая смесь феррита и цементита, образуемая при постепенном охлаждении в процессе распада аустенита. Исходя из размера частиц цементита перлит имеет различные механические свойства. Содержание «С» -0,8%.

(на рисунке структура: феррит + перлит)

Ледебурит (структура чугуна) - смесь образующаяся из кристаллизация жидкого сплава цементита и аустенита. Ледебурит очень твердый, но хрупкий. Концентрация "С"-4,3%

Свойства стали

Конечно, не только углерод влияет на свойства стали. Состав дополнительных элементов и их количество придают стали определенные свойства. Примеси бывают полезными и вредными. Хорошие примеси влияют исключительно на сами кристаллы, а вредные негативно воздействуют на связь кристаллов между собой. К хорошим примесям относят: марганец (Mn), кремний (Si). К плохим: фосфор (Р), серу (S), азот, кислород и другие.

Физические и механические свойства стали

Основными физическими свойствами стали являются:

• теплоемкость;
• теплопроводность;

Понятие модуля упругости стали (Е) заключается в соотношении твердого вещества упруго деформироваться при воздействии силы. Данная характеристика на прямую зависит от напряжения, а точнее, является производной соотношения напряжения к упругой деформации.

• модуль сдвига (упругость при сдвиге) (G)- величина измеряемая в Паскалях (Па), определяющая упругие свойства тела или материала и их способность сопротивляться сдвигающим деформациям. Он применяется для расчета на сдвиг, срез, кручение.
• коэффициент линейного и коэффициент объемного расширения при изменении температуры - это величина показывающая относительное изменение линейных размеров или объема материала или тела при увеличении температуры при неизменном давлении.

Основными механическими свойствами стали являются:

• - прочность
• - твердость
• - пластичность
• - упругость
• - выносливость
• - вязкость

Показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-71)

Основными химическими свойствами стали являются:

• степень окисления
• устойчивость к коррозии
• жаростойкость
• жаропрочность

Качество стали определяется различными показателями всех ее свойств и структуры. Учитываются и свойства и изделий из этой стали.

По качеству стали разделяют на:

• обыкновенного качества,
• качественная сталь,
• высококачественная сталь.

В данной статье мы рассматриваем только структуру стали и связанные с ней понятия. Качество стали, состав дополнительных примесей и их свойства будут рассмотрены в следующей публикации.

Ромашкин А.Н.

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

99% всей стали - материал конструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы - теплостойкие, нержавеющие, и т.п. Его главные качества - прочность (способность выдерживать при работе достаточные напряжения), пластичность (способность выдерживать достаточные деформации без разрушения как при производстве конструкций, так в местах перегрузок при их эксплуатации), вязкость (способность поглощать работу внешних сил, препятствуя распространению трещин), упругость, твердость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.

Для изготовления подшипников широко используют шарикоподшипниковые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ. Шарикоподшипниковые стали обладают высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью.

Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям - это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению (55С2, 60С2А, 50ХФА, 30Х13, 03Х12Н10Д2Т).

Высокопрочные стали имеют высокую прочность при достаточной пластичности (среднеуглеродистая легированная сталь 40ХН2МА), высокой конструктивной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью.

Классификация сталей и сплавов производится:

• по химическому составу;
• по структурному составу;
• по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей);
• по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице;
• по назначению.

Химический состав
По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

• малоуглеродистые - менее 0,3% С;
• среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;
• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Сr, Ni, Мо, Wo, V, Аl, В, Тl и др.), а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

• низколегированные - менее 2,5%;
• среднелегированные - 2,5...10%;
• высоколегированные - более 10%.

Структурный состав
Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

• в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
• в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аутенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

Классификация стали по содержанию примесей

По качеству, то есть по способу производства и содё примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы
Классификация сталей по качеству

Группа	S, %	Р, %
Обыкновенного качества (рядовые)	менее 0,06	менее 0,07
Качественные	менее 0,04	менее 0,035
Высококачественные	менее 0,025	менее 0,025
Особовысококачественные	менее 0,015	менее 0,025

Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Ст5кп.
Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.

Стали качественные

Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более стро-гих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.
Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

Стали высококачественные

Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.

Стали особовысококачественные

Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

Классификация стали по назначению

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали

Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Строительные стали

К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям - их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Стали для холодной штамповки

Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.

Цементируемые стали

Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали

К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению - термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали

Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях - таких, как ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали

Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали

Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали

Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.)> обрабатываемых на станках-автоматах. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей - пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.

Износостойкие стали

Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.)- Пример износостойкой стали - высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали - легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях - нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость.
Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть:

• ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20Х17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
• ферритной (15X28) - для растворов азотной и фосфорной кислот;
• аустенитной (12Х18НЮТ) - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;
• мартенситно-стареющей (ЮХ17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфорной, уксусной и молочной кислотах.

Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.

Коррозионно-стойкие стали

Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.

Жаропрочные стали

Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Со и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С - 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С - 15Х5М, 40ХЮС2М, 20X13;
при 600-650°С - 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, ЮХЦН23ТЗМР,
ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.

Жаростойкие стали

Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при. 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Cr до +130СГС. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.

Криогенные стали

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Cr, N1, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18НЮ, 12Х18НЮТ, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АП9 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вяз-кость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Инструментальные стали

Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.

Стали для режущих инструментов

Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.

Легированные инструментальные стали

В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость - до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью - до +650°С. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, РЮК5Ф5.

Стали для измерительных инструментов

Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8...У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Штамповые стали

Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.

Стали для штампов холодного деформирования

Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Например Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Стали для штампов горячего деформирования

Эти стали должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью. Примером таких сталей могут служить стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ.

Валковые стали

Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов. К валковым сталям относят такие марки стали, как 90ХФ, 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.

Требования к стали для валков

Высокая прокаливаемость. Для обеспечения высокой закаливаемости необходимо использование таких марок стали, устойчивость переохлажденного аустенита которых в обеих областях превращения, во возможности, достаточна для развития мартенситного превращения при минимальных скоростях охлаждения, например, в масле.

Глубокая прокаливаемость. Прокаливаемость - это глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости, поэтому необходимую прокаливаемость обеспечивают за счет оптимизации химического состава стали. Для данного типа стали необходима практически сквозная прокаливаемость, так как при этом обеспечивается жесткость валка, без которой затруднительно получение высокой точности проката. Среди элементов, увеличивающих прокаливаемость - кремний и бор.

Высокая износостойкость . Необходима для безаварийной работы стана. При высокой износостойкости образование абразивных частиц износа не происходит, система подшипников работает более надежно.

Высокая контактная прочность . Контактная прочность рабочего слоя валков должна быть выше контактных напряжений, возникающих в процессе прокатки с учетом естественных нагрузок.

Минимальная склонность к деформации и короблению в процессе термической обработки и неизменность размеров в процессе эксплуатации .

Удовлетворительная обрабатываемость при мехобработке, хорошая шлифуемость и полируемость для обеспечения высокой чистоты поверхности валков и, следовательно, высокого качества поверхности прокатываемого материала.

Классификация стали

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Это важнейший материал, который применяется в большинстве отраслей промышленности. Существует большое число марок сталей, различающихся по структуре, химическому составу, механическим и физическим свойствам. Посмотреть основные виды продукции металлопроката и ознакомиться с ценами можно .

Основные характеристики стали:

• плотность
• модуль упругости и модуль сдвига
• коэффициент линейного расширения
• и другие

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные . Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (0,1-1,0%), кремний (до 0,4%).Сталь содержит также вредные примеси (фосфор, серу, газы - несвязанный азот и кислород). Фосфор при низких температурах придает ей хрупкость (хладноломкость), а при нагревании уменьшает пластичность. Сера приводит к образованию мелких трещин при высоких температурах (красноломкость).Чтобы придать стали какие-либо специальные свойста (коррозионной устойчивости, электрические, механические, магнитные, и т.д.), в нее вводят легирующие элементы. Обычно это металлы: алюминий, никель, хром, молибден, и др. Такие стали называют легированными.Свойства стали можно изменять путем применения различных видов обработки: термической (закалка, отжиг), химико-термической (цементизация, азотирование), термо-механической (прокатка, ковка). При обработке для получения необходимой структуры используют свойство полиморфизма, присущее стали так же, как и их основе - железу. Полиморфизм - способность кристаллической решетки менять свое строение при нагреве и охлаждении. Взаимодействие углерода с двумя модификациями (видоизменениями) железа - α и γ - приводит к образованию твердых растворов. Избыточный углерод, не растворяющийся в α-железе, образует с ним химическое соединение - цементит Fe 3 C. При закалке стали образуется метастабильная фаза - мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Сталь при этом теряет пластичность и приобретает высокую твердость. Сочетая закалку с последующим нагревом (отпуском), можно добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов. Инструментальные стали служат для изготовления резцов, штампов и других режущих, ударно-штамповых и измерительных инструментов. К сталям с особыми свойствами относятся электротехнические, нержавеющие, кислотостойкие и др.По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (кипящей, спокойной и полуспокойной). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы, она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь - это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, марганец, алюминий), которые соединяясь с растворенным кислородом, превращаются в оксиды и выплывают на поверхность массы стали. Такая сталь имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10-15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.В современной металлургии сталь выплавляют в основном из чугуна и стального лома. Основные виды агрегатов для ее выплавки: мартеновская печь, кислородный конвертер, электропечи. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конвертерный способ производства стали. В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т.д. При выплавке стали в сталеплавильную печь загружают чугун, добавляя к нему металлические отходы и железный лом, содержащий оксиды железа, которые служат источником кислорода. Выплавку ведут при возможно более высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов. При этом железо, содержащееся в чугуне, частично окисляется:2Fe + O 2 = 2FeO + QОбразующийся оксид железа (II) FeO, перемешиваясь с расплавом, окисляет, кремний, марганец, фосфор и углерод, входящие в состав чугуна:Si +2FeO = SiO 2 + 2 Fe + QMn + FeO = MnO + Fe + Q2P + 5FeO = P 2 O 5 + 5Fe + QC + FeO = CO + Fe - QЧтобы довести до конца окислительные реакции в расплаве, добавляют так называемые раскислители - ферромарганец, ферросилиций, алюминий.Марки стали

Марки стали углеродистой

Углеродистая сталь обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

• группа А - поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б - поставляемая по химическому составу;
• группа В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей стали группы А подразделяются на три категории: А1, А2, А3; стали группы Б на две категории: Б1 и Б2; стали группы В на шесть категорий: В1, В2, В3, В4, В5, В6. Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б марки БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способом. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. С повышением номера стали возрастают пределы прочности (σ в) и текучести (σ т) и уменьшается относительное удлинение (δ 5).Марку стали Ст0 присваивают стали, отбракованной по каким-либо признакам. Эту сталь используют в неответственных конструкциях.В ответственных конструкциях применяют сталь Ст3сп.Буквы Б и В указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается.Если сталь относится к кипящей, ставится индекс "кп", если к полустойкой - "пс", к спокойной - "сп".Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций. Качественные стали по ГОСТ 1050-74 маркируются двузначными цифрами, обзначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т.д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10%, 0,15%, 0,2% углерода.Сталь по ГОСТ 1050-74 изготовляют двух групп: группа I - с нормальным содержанием марганца (0,25-0,8%), группа II - с повышенным содержанием марганца (0,7-1,2%). При повышенном содержании марганца в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание марганца.Марки стали легированной Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются лигирующими. Лигированные стали подразделяются в зависимости от содержания лигирующих элементов на низколегированные (2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10% и высоколегированные (свыше 10%).Лигирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.Легированные стали маркируются цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали (Г - марганец, С - кремний, Х -хром, Н - никель, Д - медь, А - азот, Ф - ванадий), а стоящие за ней цифры - среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.Нержавеющая сталь. Свойства. Химический состав Нержавеющая сталь - легированная сталь, устойчивая к коррозии на воздухе, в воде, а также в некоторых агрессивных средах. Наиболее распространены хромоникелевая (18% Cr b 9%Ni) и хромистая (13-27% Cr) нержавеющая сталь, часто с добавлением Mn, Ti и других элементов.Добавка хрома повышает стойкость стали к окислению и коррозии. Такая сталь сохраняет прочность при высоких температурах. Хром входит также в состав износостойких сталей, из которых делают инструменты, шарикоподшипники, пружины.
Примерный химический состав нержавеющей стали (в %) Дамасская и булатная сталь. Дамасская сталь - первоначально то же, что и булат; позднее - сталь, полученная кузнечной сваркой сплетенных в жгут стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода. Название получила от города Дамасск (Сирия), где производство этой стали было развито в средние века и, отчасти, в новое время.Булатная сталь (булат) - литая углеродистая сталь со своеобразной структурой и узорчатой проверхностью, обладающая высокой твердостью и упругостью. Из булатной стали изготовляли холодное оружие исключительной стойкости и остроты. Булатная сталь упоминается еще Аристотелем. Секрет изготовления булатной стали, утерянный в средние века, раскрыл в XIX веке П.П.Аносов. Опираясь на науку, он определил роль углерода как элемента, влияющего на качество стали, а также изучил значение ряда других элементов. Выяснив важнейшие условия образования лучшего сорта углеродистой стали - булата, Аносов разработал технологию его выплавки и обработки (Аносов П.П. О булатах. Горный журнал, 1841, № 2, с.157-318).Плотность стали, удельный вес стали и другие характеристики стали Плотность стали - (7,7-7,9)*10 3 кг /м 3 ;Удельный вес стали - (7,7-7,9) г /cм 3 ;Удельная теплоемкость стали при 20°C - 0,11 кал/град;Температура плавления стали - 1300-1400°C ;Удельная теплоемкость плавления стали - 49 кал/град;Коэффициент теплопроводности стали - 39ккал/м*час*град;Коэффициент линейного расширения стали (при температуре около 20°C) : сталь 3 (марка 20) - 11,9 (1/град); сталь нержавеющая - 11,0 (1/град).Предел прочности стали при растяжении : сталь для конструкций - 38-42 (кГ/мм 2); сталь кремнехромомарганцовистая - 155 (кГ/мм 2); сталь машиноподелочная (углеродистая) - 32-80 (кГ/мм 2); сталь рельсовая - 70-80 (кГ/мм 2);Плотность стали, удельный вес сталиПлотность стали - (7,7-7,9)*10 3 кг /м 3 (приблизительно 7,8*10 3 кг /м 3);Плотность вещества (в нашем случае стали) есть отношение массы тела к его объему (другими словами плотность равна массе единицы объема данного вещества):d=m/V, где m и V - масса и объем тела.За единицу плотности принимают плотность такого вещества, единица объема которого имеет массу, равную единице:
в системе СИ это 1 кг /м 3 , в системе СГС - 1 г /см 3 , в системе МКСС - 1 тем /м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:1 кг /м 3 =0,001 г /см 3 =0,102 тем /м 3 .Удельный вес стали - (7,7-7,9) г /cм 3 (приблизительно 7,8 г /cм 3);Удельный вес вещества (в нашем случае стали) есть отношение силы тяжести Р однородного тела из данного вещества (в нашем случае стали) к объему тела. Если обозначить удельный вес буквой γ , то:γ=P/V .С другой стороны, удельный вес можно рассматривать, как силу тяжести единицы объема данного вещества (в нашем случае стали). Удельный вес и плотность связаны таким же соотношением, как вес и масса тела:γ/d=P/m=g.За единицу удельного веса принимают: в системе СИ - 1 н /м 3 , в системе СГС - 1 дн /см 3 , в системе МКСС - 1 кГ/м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:1 н /м 3 =0,0001 дн /см 3 =0,102 кГ/м 3 .Иногда используют внесистемную единицу 1 Г/см 3 .Так как масса вещества, выраженная в г , равна его весу, выраженному в Г, то удельный вес вещества (в нашем случае стали), выраженный в этих единицах, численно равен плотности этого вещества, выраженной в системе СГС.Аналогичное численное равенство существует и между плотностью в системе СИ и удельным весом в системе МКСС.

Плотность стали Модули упругости стали и коэффициент Пуассона
Величины допускаемых напряжений стали (кГ/мм 2) Свойства некоторых электротехнических сталей Нормируемый химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Марка стали	Содержание элементов, %
	C	Mn	Si	P	S
				не более
Ст0	Не более 0,23	-	-	0,07	0,06
Ст2пс Ст2сп	0,09...0,15	0,25...0,50	0,05...0,07 0,12...0,30	0,04	0,05
Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс	0,14...0,22	0,30...0,60 0,40...0,65 0,40...0,65 0,80...1,10	не более 0,07 0,05...0,17 0,12...0,30 не более 0,15	0,04	0,05
Ст4кп Ст4пс Ст4сп	0,18...0,27	0,40...0,70	не более 0,07 0,05...0,17 0,12...0,30	0,04	0,05
Ст5пс Ст5сп	0,28...0,37	0,50...0,80	0,05...0,17 0,12...0,35	0,04	0,05
Ст5Гпс	0,22...0,30	0,80...1,20	не более 0,15	0,04	0,05

Нормируемые показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Марка стали	Предел прочности (временное сопротивление) σ в, МПа	Предел текучести σ т, МПа			Относительное удлинение коротких образцов δ 5 , %		Изгиб на 180° при диаметре оправки d
		толщина образца s, мм
		до 20	20...40	40...100	до 20	20...40	40...100	до 20
Ст0	310	-	-	-	23	22	20	d=2s
ВСт2пс ВСт2сп	340...440	230	220	210	32	31	29	d=0 (без оправки)
ВСт3кп ВСт3пс ВСт3сп ВСт3Гпс	370...470 380...490 380...500	240 250 250	230 240 240	220 230 230	27 26 26	26 25 25	24 23 23	d=0,5s
ВСт4кп ВСт4пс ВСт4Гсп	410...520 420...540	260 270	250 260	240 250	25 24	24 23	22 21	d=2s
ВСт5пс ВСт5сп ВСт5Гпс	500...640 460...600	290 290	280 280	270 270	20 20	19 19	17 17	d=3s

Примечания: 1. Для листовой и фасонной стали толщиной s>=20 мм значение предела текучести допускается на 10 МПа ниже по сравнению с указанным. 2. При s<20 мм диаметр оправки увеличивается на толщину образца.

Сталь – один из первых сплавов, который человек научился получать самостоятельно, переплавляя железную руду при помощи плавильной печи. Почти все металлы, которые были известны человеку до этого, были получены в виде готовых самородков (золото, серебро и т.д.).

Сталью называют сплав железа и углерода, содержащий не более 2,14 % углерода. Практически всегда сталь содержит в себе, помимо углерода, другие химические элементы. Эти элементы могут быть нежелательными, и тогда они носят название примесей. И наоборот, химические элементы, которые вводятся в сталь специально, для улучшения свойств сплава, называют легирующими элементами.

Главные вредные примеси в стали – фосфор и сера. Фосфор и сера вызывают у стали такие неприятные явления, как хладноломкость и красноломкость. Чтобы удовлетворить требованиям качества стали, содержание примесей не должно превышать определённых величин, заданных соответствующими стандартами.

Примеси обычно переходят в состав сталей в процессе производства из:

• технологических добавок
• составляющих шихтовых материалов

Помимо обычных сталей, отличают легированные стали, содержащие следующие основные легирующие элементы:

• никель
• марганец

Кроме указанных элементов, в легированные стали, для улучшения свойств стали, также могут быть добавлены:

• кремний
• молибден
• вольфрам
• кобальт
• титан
• ванадий
• и другие химические элементы