Марки сталей

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 30.11.2023

Железо (хим. обозначение Fe) является одним из самых распространенных металлов на Земле. Занимая третье место по общему содержанию в земной коре среди твердых элементов (после кремния и алюминия), железо может быть извлечено из руд простейшими кустарными методами – выплавкой даже в примитивных печах древности. Поэтому не удивительно, что первые изделия из металлов на основе железа появились еще на заре цивилизации, в третьем – втором тысячелетиях до н.э.

В наши дни сплавы железа с другими элементами – основа всей современной технологии человечества. В 2021 году в мире было выплавлено около 1,95 миллиарда тонн таких сплавов (чугуна и сталей), в 2022 и 2023 году этот уровень удерживается.

При этом чистое железо в промышленности используют крайне редко и лишь для особых нужд – например, при изготовлении магнитопроводов в трансформаторах, генераторах и т.д. Физико-механические свойства химически чистого железа значительно хуже, чем у сплавов на его основе. Также это не имеет экономического смысла. Очистка материала от примесей обходится весьма дорого.

Что такое сталь

Сталь – общее название сплавов железа с другими элементами, где Fe является основным компонентом (не меньше 45% состава). Не относятся к сталям сплавы цветных металлов (меди, алюминия, цинка и т.д.), в состав которых входит несколько процентов железа.

Особую роль при классификации сплавов железа имеет содержание в них углерода. Принято относить к сталям сплавы, в которых его доля составляет от 0,02% до 2,14%. Верхний предел ограничен особенностью фазовой диаграммы состояний Fe-C, где в процессе первичной кристаллизации (затвердевания расплавленного металла) сохраняется однофазная аустенитная структура.

Если углерода в сплаве более 2,14%, его излишек сверх этой величины не будет растворяться в аустените, а выделится в виде отдельных включений графита. Такой металл называют чугуном. К сталям он не относится.

Для различения стали и чугуна важно именно сохранение однородной аустенитной структуры металла, а не общий показатель содержания С. Поэтому стало возможным появление на рынке таких материалов, как порошковые стали типа ZDP-189 (фирма Hitachi Metals), где доля углерода доходит до 2,9 – 3%. Такой сплав получают не кристаллизацией расплава, а спеканием из порошков. Несмотря на сверхкритическое содержание углерода, этот металл сохраняет структуру, классифицирующую его как сталь.

Примеси и их влияние на свойства металла

Все химические элементы, входящие в состав сталей, определенным образом влияют на качество и свойства металла, изменяя их. Некоторые добавки улучшают характеристики сплава, поэтому их вводят в состав с учетом ожидаемых эффектов. Другие элементы ухудшают качество металла и считаются вредными. От них, напротив, сплав стремятся максимально очистить.

Углерод Является наиболее значимой примесью в сталях. Появляется в металле в процессе его выплавки из руды по любой традиционной технологии (домна, мартен и др.)

Образует с железом несколько специфических соединений и твердых растворов с разной кристаллической решеткой:

  • аустенит;
  • феррит;
  • цементит;
  • графит.

Эти фазы могут присутствовать в сплаве одновременно, образуя сложные структуры, состоящие из отдельных включений в виде крупных или мелких пластин, игл и т.д. Именно структура железоуглеродистого сплава в значительной мере определяет, какими свойствами будет обладать сталь. Потому информация о количестве углерода и структуре фазовых состояний материала – важнейшая при классификации стали.

На фазовой диаграмме состояний Fe-C выделяют несколько разных типов структуры металла:

  • мартенсит – микроструктура из микроскопических пластин, придающая стали высокие показатели прочности и твердости;
  • перлит – двухфазная эвтектика зернистой или пластинчатой формы;
  • сорбит и троостит – разновидности перлита с более дисперсными элементами и увеличенными значениями твердости, прочности и предела текучести;
  • ледебурит – сложная пластинчато-дендритная структура в сталях и чугунах.

Нужный тип структуры формируется не только за счет доли углерода в составе, но в значительной степени – определенным процессом первичного застывания или перекристаллизации твердого металла методами термической обработки. Разные марки стали по-разному пригодны для формирования нужной микроструктуры. По этому принципу их также классифицируют на несколько типов.

Общее правило: при повышении доли С до приблизительно 1,0% прочность углеродистой стали увеличивается. При дальнейшем росте прочность начинает падать из-за образования сетки вторичного цементита. Повлиять на процесс можно введением легирующих добавок или правильной термообработкой.

Также увеличение содержания углерода:

  • снижает литейные характеристики при доле С более 0,4%;
  • ухудшает свариваемость, показатели механической обрабатываемости (предел текучести, свойства при резании и деформации и т.д.);
  • уменьшает ударную вязкость металла.

Основные примеси

Несколько химических элементов можно встретить в составе практически любого сплава на основе Fe. Они неизбежно попадают в металл в процессе его передела из руды традиционными способами. К этим основным примесям относят: кремний, марганец, серу, фосфор, кислород, водород, азот.

  • Кислород (O) и азот (N) – находятся в атмосферном воздухе и реагируют с расплавом металла при первичной выплавке из руды или дальнейших переделах. Образуют с железом и другими примесями стойкие неметаллические соединения: оксиды (FeO, Al2O3, MnOи т.д.) и нитриды (Fe2N, AlN, Cr2N). Часть этих веществ не удаляется со шлаком, а остается в структуре затвердевшей стали, располагаясь по границам зерен или в дефектах кристаллический решетки. Они ухудшают механические свойства готового металла, снижая его вязкость, предел выносливости и другие.
  • Водород Hрастворяется в жидкой стали и остается в ней в виде твердого раствора. Он считается вредной примесью, так как заметно повышает хрупкость металла. Такая сталь при обработке давлением (ковка, прокат) склонна к флокенообразованию, то есть, возникновению микроскопических трещин во всем объеме.
  • Сера (S) и фосфор (P) относятся к вредным примесям. Они попадают в металл из руды при первичном переделе. Их присутствие изменяет структуру стали, ухудшая ее важные потребительские характеристики – пластичность, ударную вязкость, стойкость к коррозии и другие. При этом сера ответственна за эффект красноломкости металла – повышение хрупкости при нагреве. Для сталей обычного качества стандарты допускают содержание серы – не более 0,06%. Доля фосфора в сталях 0,025…0,045%.
  • Кремний (Si) может специально вводиться в расплав в небольшом количестве с целью дегазации. Его нормальное содержание – не более 0,35…0,4%. В редких случаях эту долю повышают, чтобы использовать свойство кремния растворяться в феррите и увеличивать предел текучести сплава.
  • Марганец (Mn) является важной технологической добавкой. Его обычно вводят в расплав для удаления из металла таких вредных примесей, как сера и кислород. Сера вступает в реакцию с марганцем, образуя легкоплавкий сульфид, который переходит из жидкой ванны в шлак. Присутствие Mnв расплаве положительно влияет на процессы кристаллизации стали, замедляя рост зерен.

Легирующие добавки и их свойства

Исследуя влияние разных добавок, вводимых в состав стали, ученые и технологи убедились в том, то разные элементы способны очень сильно изменять свойства металла. Есть возможность изменить механические свойства, структуру металла, его устойчивость к внешним воздействиям, другие важные характеристики.

Добавки, которые специально вводят в сплавы железа для придания необходимых свойств, называют легирующими элементами. Их доля в составе определяет классификацию легированной стали:

  • Высоколегированная – содержание добавок от 10 до 50%.
  • Среднелегированная – 2,5…10%.
  • Низколегированная – менее 2,5%.

Иногда выделяют особую группу микролегированных сталей, если в них добавляется какой-то элемент в количестве сотых долей процента. Даже такие небольшие доли титана Ti, ниобия Nb, ванадия V, бора B и некоторых других веществ – могут заметно изменить микроструктуру металла и положительно повлиять на его качественные показатели.

Изучением взаимосвязи между химическим составом стали, ее структурой, свойствами и иными характеристиками занимается прикладная наука металловедение. Точные зависимости качества сплава от добавки в него конкретного элемента – весьма сложны. Их описание требует глубоких познаний строения вещества на молекулярном и атомном уровне. Поэтому кратко описать роль каждой легирующей добавки можно лишь в самых общих чертах:

  • Хром Cr– влияет на размер и форму микрозернистой структуры стали, повышает ее твердость, коррозионную устойчивость, прокаливаемость и другие важные характеристики. Его доля может изменяться от 0,8...1,2% в обычных углеродистых сталях до 15...28% и более в специализированных хромистых.
  • Никель Ni– придает металлу большую прочность, а также химическую стойкость. Особое значение имеет его способность увеличивать жаропрочность сплава. В сталях, от которых требуется продолжительная работа при высокой температуре, может содержаться до 30…35% никеля. Использование этой легирующей добавки сдерживает ее дефицитность и высокая цена. Чтобы компенсировать эти факторы, разрабатывают сложные трех- и более компонентные составы, где часть никеля заменяют на более доступные медь, молибден.
  • Молибден Moкак самостоятельная добавка уменьшает отпускную хрупкость, хладноломкость стали. Его используют, чтобы придать металлу большую стойкость к статической и динамической усталости.
  • Ванадий Vв количестве 0,1…0,3% содействует снижению зернистости стали. Он увеличивает ее вязкость и ударную прочность.
  • Титан Ti(доля около 0,1%) – увеличивает дисперсность кристаллической структуры, измельчая зерно.

Некоторые добавки в микроскопических долях (до 0,01%) способны улучшить обрабатываемость стали резанием (свинец Pb, кальций Ca). В сплавах особо чистого класса (прецизионных) можно встретить в качестве легирующих примесей даже редкие и редкоземельные металлы, если их присутствие в составе придает материалу уникальные характеристики, не достижимые более дешевыми способами.

Все описанные свойства легирующих добавок относятся лишь к простейшим двухкомпонентным системам типа «железо + легирующий элемент». Как правило, сталь включает несколько (до десяти и более) таких добавок, каждая из которых взаимодействует не только с основой (Fe), но и с иными компонентами. Они могут усиливать эффект друг друга, ослаблять или придавать новые, заранее не предсказуемые, качества.
Поэтому, не обладая глубокими знаниями металловедения черных металлов, так важно использовать для прикладных задач только рекомендованные марки сталей или разрешенные документацией аналоги.

Классификация основных видов сталей

Все стали, производимые промышленностью, обязательно имеют маркировку. Количество выпускаемых марок сталей постоянно увеличивается по мере изобретения новых рецептур, совершенствования технологий изготовления и обработки.

Официальным источником информации о маркировке, составе и характеристиках служат «Марочники сталей и сплавов», которые можно найти как в виде бумажного издания, так и в электронной форме.

Такой «Марочник» 2-го издания (2003 года) и 3-го (2011 года) под ред. А. С. Зубченко включал информацию о более 600 марках сталей. В 4-е издание «Марочника сталей и сплавов» от 2014 года вошли уже свыше 700 марок.

классификация стали

При классификации этого разнообразия по группам учитывают разные аспекты: химический состав, особенности производства и прикладные требования к материалу. Это помогает точнее и быстрее подбирать сталь для конкретных нужд.

Химический состав

Состав стали – наиболее очевидный и распространенный способ описать свойства металла. Зная состав, можно примерно оценить как потребительские характеристика, так и стоимость сплава (по присутствию редких и дефицитных компонентов).

Выделяют углеродистые и легированные стали.

Углерод – химический элемент, повышение содержания которого в сплаве увеличивает ее твердость и прочность. При этом снижаются параметры пластичности и вязкости.

По содержанию углерода (С) стали классифицируют как:

  • низкоуглеродистые – массовая доля углерода до 0,25%;
  • среднеуглеродистые – 0,3…0,6 % С;
  • высокоуглеродистые – более 0,7 % С.

К легированным относят стали, в состав которых специально вводят определенные добавки с целью улучшения нужных свойств металла. Их подразделяют на:

  • низколегированные – суммарная доля легирующих элементов менее 2,5 %;
  • среднелегированные – от 2,5 до 10 % добавок;
  • высоколегированные – от 10 до 50 %.

Подвиды высоколегированных сталей:

  • жаропрочные – для длительной работы под нагрузкой при повышенных температурах;
  • жаростойкие – устойчивые к химическому и механическому разрушению под нагрузкой или при небольшой нагрузке при температуре свыше 50оС;
  • нержавеющие (коррозионно устойчивые) – не разрушающиеся под воздействием агрессивной внешней среды, действию влаги, другим воздействиям.

Качество металла

Связанная с химическим составом классификация, учитывающая наличие вредных примесей серы (S) и фосфора (P):

  • Обыкновенного качества – содержание до 0.06% Sи до 0,07% P.
  • Качественные – до 0,035% Sи P (отдельно по каждой примеси).
  • Высококачественные – до 0.025% Sи P по каждому элементу.
  • Особовысококачественные – не более 0,025% Pи 0,015% S.

Металл обыкновенного качества может классифицироваться также по группам:

  • Сталь группы А поставляется по показателям механических свойств и может иметь повышенное содержание Pили S.
  • Сталь группы Б определяется по нормативному химическому составу.
  • Сталь группы В должна соответствовать как требованиям по химическому составу, так и механическим характеристикам.

Обычные сферы использования и типичные представители группы:

  • А — используется преимущественно в случаях, если изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (Ст0, Ст1 и др.);
  • Б — применяют для изделий, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются (БСт0, БСт1 и др.);
  • В — для изделий и конструкций, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

Способ получения и особенности технологии

Стали могут описываться в зависимости от технологии их производства:

  • мартеновские;
  • кислородно-конверторные;
  • выпускаемые в электропечах (индукционных, дуговых и т.д.)

По методу дальнейшей переработки:

  • горячекатаная,
  • кованая,
  • калиброванная,
  • серебрянка.

Степень раскисления – характеристика, указывающая на показатель удаления кислорода из расплавленного металла:

  • полностью раскисленные (спокойные) стали – маркировка «сп» (может быть опущена, тогда сталь считается спокойной плавки);
  • кипящие стали (обильно выделяеются газы из расплава) – маркировка «кп»;
  • полуспокойные стали (промежуточного состояния, раскисление проведено не полностью) – маркировка «пс».

Структура металла

Структура твердого сплава на основе железа определяется совокупностью твердых фаз, сформированных при его первичном затвердении и дальнейших фазовых превращениях.

На диаграмме фазовых состояний «железо/углерод» важной является линия эвтектоидного превращения при температуре 727°С. Выше этой линии основу структуры составляет аустенит. При переходе ниже этой линии он распадается на смесь цементита и феррита, которая называется перлитом. При этом соотношение феррита и цементита, форма и расположение их частиц – в значительной мере отвечают за механические и иные характеристики материала:

  • Феррит — фаза, придающая металлу мягкость и пластичность.
  • Цементит — фаза, придающая твердость и хрупкость.

Соответственно строению, стали классифицируют как:

  • Аустенитные;
  • Ферритные;
  • Мартенситные;
  • Бейнитные;
  • Перлитные;
  • Многофазные.

Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными.

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной.

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру цементит + перлит и называются заэвтектоидными.

Назначение, специфика применения

Часто требуется выбирать сталь не по абстрактным данным ее химического состава и т.д., а по пригодности для конкретного практического применения.

Поэтому распространена классификация металла по его назначению с учетом особенностей отдельной отрасли.
Так, требования к сталям для строительства – высокая прочность, устойчивость к статическим и переменным нагрузкам, сопротивление коррозии.

Стали для медицины обязательно должны быть биологически совместимыми, невосприимчивыми к химическим средам в организме.

Стали для изготовления режущего инструмента, ножей и холодного оружия должны сочетать достаточную твердость рабочей кромки с упругостью, не быть хрупкими.

Отдельные требования есть к сплавам для автомобильной и авиационной промышленности, судостроения, электрических машин, упругих элементов (пружины, рессоры), производства подшипников и многих других направлений.

Среди типов классификации по применению наиболее частые: конструкционные, коррозионно стойкие (нержавеющие), инструментальные, жаропрочные, криогенные.

Конструкционная сталь – металл, применяемый при изготовлении различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве. Он обладает заданными механическими, физическими и химическими свойствами, отвечающими требованиям потребителя.

Маркировка легированных сталей

Наиболее распространенным способом маркировки сталей является буквенно-цифровое обозначение. Оно должно соответствовать ГОСТ 4543-2016 (взамен ранее действовавшего ГОСТ 4543-71):

  • Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
  • Буквы обозначают легирующие элементы, входящие в химический состав. Цифры после каждой буквы обозначают приблизительное процентное содержание этого элемента, округленное до целого числа.
  • Если доля легирующего элемента менее 1,5% – цифровое значение не указывается.

Обозначения химических элементов в маркировке:

Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот, Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Пример буквенно-цифрового обозначения по ГОСТ 4543:

Сталь 30Х3МФ:

  • Углерод – 0,27…0,34%;
  • Хром – 2,3…2,7%;
  • Молибден – 0,2…0,3%;
  • Ванадий – 0,06…0,12%.

Таким способом маркируют качественные и высококачественные легированные стали.

Маркировка углеродистых сталей

Конструкционные стали обыкновенного качества обозначают по ГОСТ 380-2005 (ранее действовал ГОСТ 380-94):

  • Буквы "Ст".
  • Условный номер марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств.

Качество стали (ее прочность) повышается с увеличением доли углерода и, соответственно, условным номером:

  • Ст0 – содержание углерода ниже 0,23%.
  • Ст1 – 0,06…0,12%;
  • Ст2 – 0,09…0,15%;
  • Ст3 – 0,14…0,22%;
  • Ст4 – 0,18…0,27%;
  • Ст5 – 0,28…0,37%;
  • Ст6 – 0,38…0,49%.

Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали.

Перед маркой пишется буква, обозначающая группу стали (А, Б или В). При этом литера А обычно не указывается.

В конце маркировки указывают степень раскисления стали (кп, пс или сп), причем для спокойных сталей обозначение «сп» может по умолчанию отсутствовать.

Пример такой маркировки для ВСт5Г:

  • углеродистая сталь обыкновенного качества;
  • с повышенным содержанием марганца;
  • спокойная;
  • № марки 5;
  • с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В).

Нелегированные конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами в соответствии с ГОСТ 1050-2013 (принят взамен ранее действовавшего ГОСТ 1050-88).

Эти числа обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента (05, 08, 10, 25, 40). В конце также добавляют шифр степени раскисления «кп» или «пс», кроме спокойных, которые по умолчанию не указывают.

Буква Г в марке стали здесь также указывает на повышенное содержание марганца.

Примеры маркировки:

Сталь 10 – содержание углерода 0,07…0,14%, спокойная.

Сталь 60пс – содержание углерода 0,57…0,65%, полуспокойная.

Котловые стали (для сосудов высокого давления) по ГОСТ 5520-79 (заменен на ГОСТ 5520-2017) в конце имеют дополнительную литеру К.