Классификация стали.

Сталью называют сплав железа с углеродом и другими химическими элементами, содержащий до 2% углерода.

Стали в технике классифицируют по:

1. химическому составу
2. микроструктуре
3. способу производства
4. назначению

По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь в свою очередь подразделяется на низкоуглеродистую с содержанием углерода до 0,25%, среднеуглеродистую с содержанием углерода 0,25—0,6% и высокоуглеродистую с содержанием углерода 0,6—2%. Сталь, имеющая в своем составе кроме углерода легирующие компоненты (хром, никель, вольфрам, ванадий и т.д.), называют легированной. В зависимости от процентного содержания легирующих компонентов легированные стали бывают: низколегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода менее 2,5%); среднелегированные (суммарное содержание легирующих компонентов кроме, углерода 2,5—10%); высоколегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода, более 10%).

По микроструктуре главным образом различают стали перлитного, мартенситного, аустенитного, ферритного и карбидного классов.

К перлитному классу относятся углеродистые и низколегированные стали.

К мартенситному классу относятся высоколегированные конструкционные, высокоуглеродистые, инструментальные и некоторые марки нержавеющих сталей.

К аустенитному классу относятся высоколегированные нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

К ферритному классу относятся высокохромистые, нержавеющие жаропрочные и жароупорные стали.

К карбидному классу относится быстрорежущаяся сталь.

По способу производства различают:

1. Сталь обыкновенного качества с содержанием углерода до 0,6%. Она выплавляется в мартеновских печах, а также в бессемеровских и томасовских конверторах. Эти стали имеют повышенное содержание серы и фосфора, достигающее в мартеновской стали 0,055—0,06 серы и 0,05—0,07 фосфора, а в бессемеровской и в томасовской — 0,06—0,07 серы и 0,08—0,09 фосфора.

По ГОСТ 380—60 стали обыкновенного качества поставляют по механическим свойствам (группа А), по химическому составу (группа Б) и по механическим свойствам и химическому составу (группа В).

По степени раскисленности стали обыкновенного качества бывают: кипящие, полуспокойные и спокойные.

Кипящую сталь получают при неполном раскислении металла с содержанием до 0,05% кремния. Спокойная сталь имеет однородное плотное строение и содержит не менее 0,12% кремиия.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями и содержит 0,05—0,12% кремния;

2. Сталь качественную — углеродистую или легированную, выплавляемую в основных мартеновских печах. Содержание серы и фосфора в качественной стали не должно превышать 0,04% каждого из этих элементов;
3. Сталь высококачественную — углеродистую или легированную, выплавляемую в электрических или кислых мартеновских печах, а иногда в основных мартеновских печах небольшого тоннажа.

Содержание серы и фосфора в высококачественной стали не должно превышать соответственно 0,03 и 0,035%. Она также имеет повышенную чистоту по неметаллическим включениям и обозначается буквой А, помещаемой после обозначения марки (углеродистые стали также изготовляются по ГОСТ 1050—60).

По назначению стали различают: строительные; машиностроительные (конструкционные); инструментальные; стали с особыми физическими свойствами.

Маркировка сталей и стальной сварочной проволоки.

Углеродистые стали обозначают буквами Ст., после которых ставят цифры 0, 1, 2, 3, 4 и т.д., например Ст.0, Ст.1, Ст.2, Ст.З, Ст.4 и т. д.

Способ выплавки стали (группа Б) характеризуется впереди стоящей буквой М, К или Б (М — мартеновская, Б — бессемеровская, К — конверторная). Сталь, поставляемая только по механическим свойствам (группа А), маркировки по способу выплавки не имеет. Сталь, поставляемая по механическим свойствам и химическому составу (группа В), впереди указанных букв имеет букву В, а также после цифры индекс кп, пс или сп (кп — кипящая, пс — полуспокойная и сп — спокойная), например ВМСт.Зкп.

Углеродистая сталь, поставляемая по ГОСТ 1050—60, после букв Ст. имеет двузначное число, указывающее на среднее содержание углерода. Например, Ст.20 содержит в себе 0,2% углерода.

Инструментальные стали обозначаются буквой У и цифрами, указывающими среднее содержание углерода. Например, марка стали У12 означает углеродистую инструментальную сталь с содержанием 1,2% углерода. Буква А, стоящая в конце марки, указывает на высокое качество стали (У8А).

Элемент	Условное обозначение элемента в периодической системе элементов Д.И.Менделеева	Условное обозначение элемента при маркировке металла или сварочной проволоки
Марганец	Mn	Г
Кремний	Si	С
Хром	Cr	Х
Никель	Ni	H
Молибден	Мо	М
Вольфрам	W	В
Селен	Se	Е
Алюминий	Al	Ю
Титан	Ti	T
Ниобий	Nb	Б
Ванадий	V	Ф
Кобальт	Со	К
Медь	Cu	Д
Бор	P	B
Азот	N	А*
* В высоколегированных сталях ставить в конце обозначения марки не допускается.
Таблица 1

Обозначение марок стали, кроме сталей, указанных выше и стальной сварочной проволоки, состоит из сочетания букв и цифр, характеризующих химический состав. В табл. 1 приведены условные обозначения некоторых легирующих элементов, применяемых при маркировке стали и сварочной проволоки.

При содержании легирующего элемента в стали или проволоке менее 1 % ставится только буква этого элемента, если содержание легирующего элемента превышает 1%, после буквы в целых единицах ставится содержание обозначенного элемента. Буква А в конце марки свидетельствует о том, что сталь высококачественная и содержит минимальное количество серы и фосфора. В обозначении марок сталей двузначные цифры слева указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа, стоящие после этих цифр, обозначают название легирующего компонента, а цифры после букв указывают приблизительное содержание соответствующего компонента в целых единицах. Например, сталь 10ХСНД содержит в себе до 0,12% углерода, 0,6—0,9% хрома, 0,8—1,1% кремния, 0,5—0,8% марганца, 0,5—0,8% никеля и 0,4— 0,65% меди.

Условное обозначение сварочной проволоки состоит из цифры, которая обозначает диаметр проволоки в мм, букв Св—сварочная, содержания углерода и буквенных обозначений элементов, входящих в состав проволоки. Например, проволока диаметром 2 мм из низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали, содержащей 1,4—1,8% Мn и 0,6—0,85% Si, обозначается: проволока 2Св-08Г2С, ГОСТ 2246—60.

Кристаллическая решетка, модификация железа и структура стали.

Железо, а также сплавы на его основе, в том числе и сталь, являются кристаллическими телами. В каждом кристаллическом теле атомы занимают определенное положение, образуя кристаллическую решетку.

Железо имеет две кристаллические решетки. Это свойство полиморфизма железа определяет многие практические данные свойства сплавов железа.

Полиморфизмом называется способность простых и сложных веществ в зависимости от условий кристаллизоваться в различных формах.

Железо в зависимости от температуры имеет следующие решетки:

1. до t=911°С — объемно-дентрированного куба;
2. от t=911°C до t=1392°C — гранецентрированного куба;
3. от t=1392°С до t=1536°С (температура плавления) —объемно-центрированного куба.

В связи с полиморфизмом железо имеет модификацию а, γ и δ.

Модификация а и δ имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба. Модификацию а называют низкотемпературной и существует она до t=911°С, а δ— высокотемпературной и существует от t=1392°С до = 1536°С.

Модификация γ существует в пределах температур 911—1392°С.

Взаимодействие углерода и других компонентов с модификациями железа приводит к образованию различных структур. Твердый раствор углерода и других легирующих компонентов в γ-железе называют аустенитом. Сталь, имеющая аустенитную микроструктуру, называют аустенитной.

Твердый раствор углерода и других легирующих компонентов в а — δ-железе называют ферритом. Различают а-феррит и δ-феррит.

Сталь, имеющую ферритную микроструктуру, называют ферритной.

Химическое соединение углерода с железам называют цементитом (карбид железа—Fe₃C). Механическую смесь феррита и цементита -называют перлитом.

Сталь, имеющую перлитную микроструктуру, называют перлитной.

Влияние компонентов на свойства стали.

Отдельные компоненты по-разному влияют на свойства стали: при увеличении углерода в стали повышается ее прочность, твердость и хрупкость, но соответственно снижается пластичность и свариваемость. Марганец повышает прочность, износоустойчивость и снижает свариваемость. Кремний повышает упругость и кислотостойкость стали. Фосфор понижает частичность и ударную вязкость стали и придает ей хрупкость при пониженных температурах. Сера способствует образованию горячих трещин в стали. Никель придает пластичность и вязкость стали, а также повышает её прочность, упругость и сопротивление электрическому току. Хром повышает в стали прочность, твердость, стойкость ее против коррозии, жаропрочность и жаростойкость. Вольфрам повышает твердость и прочность стали и улучшает ее режущие свойства при повышенных температурах. Молибден повышает прочность и твердость стали и улучшает обрабатываемость резанием. Титан увеличивает жаростойкость и кислотостойкость стали.

Стали для строительных конструкций.

Для изготовления строительных стальных конструкций применяют углеродистые и низколегированные стали. При подборе марок сталей для этих конструкций руководствуются следующими основными требованиями:

• характером нагрузок;
• температурой эксплуатации;
• режимом работы;
• максимальной унификацией применяемых марок сталей.

Для изготовления расчетных строительных сварных и клепаных стальных конструкций применяют углеродистые стали по ГОСТ 380—60 (группа В) следующих марок:

1. мартеновская — ВМ Ст.Зкп; ВМ Ст.Зпс; ВМ Ст.Зсп;
2. кислородно-конверторная ВК Ст.Зкп; ВК Ст.Зпс; ВК Ст.Зсп.

Перечисленные марки сталей поставляют с гарантированными механическими свойствами и определенным химическим составом.

Сталь марок ВМ Ст.4 и ВМ Ст.5 применяют только для конструкций, не имеющих сварных соединений, а для сварных конструкций— только для статических нагрузок при соблюдении определенной технологии сварки.

Сталь по группе Б марки Ст.О (мартеновская) и бессемеровская Ст.Зкп, СТЗпс; Ст.Зсп применяют только для нерасчетных элементов.

Углеродистая сталь, предназначаемая для применения в несущих стальных конструкциях, должна удовлетворять требованиям ГОСТа по пределу текучести, а также по содержанию фосфора, серы, а для сварных конструкций — по углероду. Содержание серы должно быть не более 0,055%, фосфора 0,045, а углерода 0,14— 0,22%. Предел текучести σ_т должен быть 21 — 24 кгс/мм², а σ_в—предел прочности — 38— 17 кгс/мм².

Для строительных конструкций из низкоуглеродистой стали, подвергающихся динамическим и вибрационным нагрузкам, исключая подкрановые балки под краны легкого и среднего режимов работ, должна применяться стиль, удовлетворяющая следующим дополнительным требованиям:

1. по ударной вязкости при нормальной температуре 7—10 кгс·м/см², если эксплуатационная температура выше —20°С;
2. по ударной вязкости при отрицательной температуре, если эксплуатационная темлературя ниже —20°С (не менее 3 кгс·м/см²).

При выборе марок углеродистых сталей для строительных конструкций необходимо, чтобы сталь при выплавке была раскислена кремнием, алюминием или титаном, что в с ною очередь уменьшит способность стали к старению; имела ограниченное содержание углерода, фосфора и серы; два первых элемента снижают ударную вязкость, а сера способствует образованию горячих трещин; не имела склонности к старению и хрупкому разрушению.

Низколегированные стали для изготовления расчетных строительных конструкций применяют следующих марок: 14Г2; 15ГС; 10Г2СД; 15ХСНД и 10ХСНД по ГОСТ 2028-65.

Эти стали в процессе выплавки раскисляют дополнительно титаном, алюминием и поставляются с определенными механическими свойстнами и химическим составом.

Термическая обработка стали.

Термическую обработку применяют для снятия остаточных внутренних напряжений, изменения структуры и механических свойств стали.

Термическая обработка стали заключается в нагревании изделия или узла заготовки до необходимой температуры с определенной скоростью нагрева и охлаждения, а также необходимой выдержке при этой температуре.

В зависимости от требований, предъявляемых к стали по структуре и ее механическим свойствам, способы термической обработки делят на отжиг, отпуск, нормализацию и закалку. Для придания особых свойств поверхностным слоям стали без изменения ее структуры и механических свойств применяют химико-термическую обработку.

Химико-термическая обработка стали включает цементацию, азотирование, цианирование, алитирование и т.д.