2.5. Стали. Классификация сталей.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий до 2.14 масс. % углерода, а также содержащий марганец и кремний, природные и технологические примеси, вредные примеси фосфор и серу а также вводимые для улучшения физико-химических свойств легирующие добавки.

Сталь является основным металлическим материалов, широко применяемым для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом их механических, физико-химических и технологических свойств. Методы широкого производства стали были открыты в середине XIX в. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов.

Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, можно получать стали с различными свойствами и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре в равновесном состоянии.

Химический состав. В зависимости от химического состава различают: стали углеродистые (ГОСТ 380-88, ГОСТ 1050-88) и легированные (ГОСТ 14959-79).

В свою очередь, углеродистые стали могут быть:

а) малоуглеродистыми, т.е. содержащими углерода менее 0,25 масс. %;

б) среднеуглеродистыми, в которых содержание углерода составляет 0,25 – 0,60 масс. %;

в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60 масс. %.

Легированные стали подразделяются на:

а) низколегированные, содержащие до 2,5 % легирующих элементов;

б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 % до 10,0 % легирующих элементов;

в) высоколегированные, которые содержат свыше 10,0 % легирующих элементов.

Назначение. По назначению стали бывают:

а) конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий;

б) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочий инструмент; эти стали содержат более 0,65 % углерода;

в) с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар;

г) с особыми химическими свойствами, например нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °С) деформирования.

Качество. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству.

Стали в зависимости от содержания вредных примесей серы и фосфора подразделяют на:

а) стали обыкновенного качества, содержащие до 0,06 % серы и до 0,07 % фосфора; их получают в конвертерах или мартеновских печах;

б) качественные - до 0,035 % серы и фосфора каждого отдельно; стали получают преимущественно в мартеновских печах с соблюдением повышенных требований к составу шихты, технологическим режимам плавки и разливки. В стали одной марки допускается колебание содержания углерода не более 0,08%;

в) высококачественные - до 0,025 % серы и фосфора; сталь получают главным образом в электропечах или кислых мартеновских печах. Колебание содержания углерода в стали одной марки не более 0,07%;

г) особовысококачественные - до 0,025 % фосфора и до 0,015 % серы; выплавляют в электропечах с электрошлаковым переплавом или другими прогрессивными методами. Для таких сталей характерна высокая ударная вязкость, стойкость к пониженным температурам, контактная выносливость.

Сталь обыкновенного качества по поставкам подразделяется на 3 группы:

а) сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы и фосфора). Химический состав сталей не регламентируется. Эти стали применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке - ковке, горячей штамповке, термической обработке и т. д. В связи с этим механические свойства горячекатаной стали сохраняются;

б) сталь группы Б поставляется потребителям с определённым регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Эти стали применяются в изделиях, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от их химического состава, а конечные механические свойства определяются самой обработкой;

в) сталь группы В поставляется потребителям с регламентируемыми механическими свойствами и химическим составом. Эти стали применяются для изготовления сварных конструкций. Их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Такие стали применяют для более ответственных деталей.

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности _в, относительное удлинение  %, предел текучести _т, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

а) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы "сп" опускаются);

б) кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";

в) полуспокойные стали - занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде CO. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали достаточно дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газовых примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими. Производство кипящих сталей постоянно уменьшается.