Классификация сталей

Наибольшее распространение получили углеродистые стали, в об­щем объеме производства сталей их доля составляет 80 %.

В настоящее время нет единой международной классифика­ции сталей. К основным из них относят способ производства, хи­мический состав, сортамент, качество, структуру в равновесном состоянии или после охлаждения на воздухе, основные свойства и области применения.

По способу производства стали разделяют на бес­семеровскую, конверторную (с продувкой кислородом), мартенов­скую, электросталь, тигельную и сталь, получаемую прямым вос­становлением из обогащенной руды (окатышей).

Для повышения чистоты сталей и сплавов и уменьшения ани­зотропии механических свойств производят вспомогательную об­работку. Виды обработки обозначают индексами:

ВИ (ВИП) — переплав в вакуумных индукционных печах;

Ш (ЭШП) — электрошлаковый переплав;

ВД (ВДП) — переплав в вакуумных, дуговых печах;

ШД — вакуумно-дуговой переплав стали, полученной электро­шлаковым переплавом;

ЭЛП — электронно-лучевой переплав;

ПДП — плазменно-дуговая плавка;

ОДП — обычная дуговая плавка.

Индексы, обозначающие виды вспомогательной обработки, иног­да указывают рядом с маркой стали.

В зависимости от типа плавиль­ного агрегата сталь разделяют на мартеновскую, кислородно-кон­вертерную, электросталь, выплавленную в дуговых или индук­ционных печах.

В зависимости от технологии выплавки сталь разделяют на ос­новную и кислую. Главное значение имеет производство более деше­вой основной стали, при выплавке которой обеспечивается удаление вредных примесей серы и фосфора до допустимого уровня.

По степени раскисленности (связанности кислорода в жидкой стали) нелегированную (углеродистую) сталь подразделяют на спо­койную, кипящую и полуспокойную. Разработан ряд марок полуспокойной низколегированной стали (08ГФпс, 18ГФпс, 18Г2АФпс и др.)

По химическому составу в стандартах России сталь подразделяют на нелегированную (углеродистую) и легированную. Нелегированная сталь кроме углерода, определяющего ее меха­нические и технологические свойства, содержит остаточные рас­кисляющие элементы: марганец (до 1,25 % по ГОСТ 380-94), кремний (до 0,30 %), алюминий (до 0,02 %), а также переходя­щие из сырья элементы (медь, хром, никель, серу, фосфор и др.), допустимые массовые доли которых регламентируются стандар­тами.

В легированной стали кроме углерода и примесей вво­дят один или несколько легирующих элементов (хром, никель, молибден, марганец, кремний и др.) для обеспечения требуемых прочности, пластичности, вязкости и других технологических и эксплуатационных свойств. В зависимости от массовой доли введенных легирующих элементов легированную сталь в отече­ственных стандартах подразделяют на низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. В низколегированной ста­ли суммарная массовая доля легирующих элементов составляет не более 2,5 %, в среднелегированной — 2,5-10 %, в высоколегиро­ванной — более 10 % при массовой доле железа 45 %.

В зависимости от доли легирующих элементов сталь называют марганцевой, кремнистой, хромистой, никелевой, а также хромоникелевой, хромомарганцевой, хромокремнистой, хромованадиевой, никельмолибденовой, хромоникельмолибденовой, хромомолибденованадиевой, хромокремнемар-ганцовоникелевой и т. п.

По качеству стали подразделяют на обыкновенную, качественную, высококачественную и особовысококачественную. Если марганец и крем­ний необходимы по условиям технологии выплавки, то сера и фос­фор относятся к вредным примесям, не поддающимся полному удалению. В малом количестве в стали постоянно присутствуют примеси: кислород, водород, азот. Чем меньше вредных примесей, тем выше качество стали. Допустимые пределы, %: фосфора и серы соответственно не бо­лее 0,040 и 0,050 в стали обыкновенного качества, 0,035 и 0,035 — в качественной, 0,025 и 0,025 — в высококачественной, 0,025 и 0,015 — в особовысококачественной.

Категорию обыкновенного качества устанавливают только для нелегированной (углеродистой) стали. Остальные категории мо­гут распространяться как на нелегированную, так и легирован­ную сталь всех групп.

По структуре в равновесном состоянии (т. е. после отжига) стали подразделяют на доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит, эвтектоидные с перлитной струк­турой, заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вто­ричные) карбиды, и ледебуритные, в которых первичные карбиды выделяются из жидкой фазы при кристаллизации. В литой ледебуритной стали карбиды совместно с аустенитом образуют эв­тектику — ледебурит, который при горячем пластическом дефор­мировании путем ковки или прокатки преобразуется в строчки карбидных частиц различной толщины (карбидная неоднород­ность) вдоль направления вытяжки при деформировании прутка или полосы.

В соответствии с диаграммой состояния Fe—Fe₃C массовая доля (%) углерода составляет в нелегированной доэвтектоидной стали менее 0,8, в эвтектоидной — около 0,8, в заэвтектоидной — 0,8-2,0. Большинство легирующих элементов сдвигает эвтекто-идную точку S (на диаграмме Fe—Fe₃C) в сторону меньшей мас­совой доли углерода, поэтому границы между доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной областями в легированных сталях располагаются при меньшей массовой доле углерода, чем в не­легированных сталях. Благодаря смещению границ фазовых об­ластей ледебурит в высокоуглеродистых легированных сталях появляется при меньших, чем 2,14 %, массовых долях углерода, в быстрорежущих сталях — при содержании менее 1 % углерода.

Другим структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаж­дении на воздухе образцов небольших сечений после высокотем­пературного нагрева (900 °С). В зависимости от структуры сталь подразделяют на перлитную, бейнитную, мартенситную, ледебуритную, ферритную и аустенитную.

Перлитная и бейнитная структуры чаще всего формируются в нелегированной и низколегированной сталях, мартенситная — в средне- и высоколегированной, а ферритная и аустенитная — в высоколегированной.

Ледебуритные стали, как правило, являются разновидностью мартенситных сталей с высоким содержанием углерода и легиру­ющих элементов. После нормализации структура стали представ­ляет смесь мартенсита и ледебурита, наличие которого являет­ся причиной карбидной ликвации в поковках и прокате этих ста­лей.

Однако такая связь между структурой и химическим составом стали далеко неоднозначна. Наряду с перечисленными могут быть смешанные классы: ферритно-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитно-мартенситный. Такую классификацию приме­няют при наличии в структуре объемной доли второй структур­ной составляющей не менее 10 %.

По основным свойствам стали классифицируют, чтобы определить эксплуатационные свойства. Такую класси­фикацию используют в стандартах большинства стран.

По назначению стали обычно подразделяют общего назначения, конструкционные, инструментальные и стали с осо­быми свойствами.

К сталям общего назначения относят нелегированные (углеро­дистые) стали обыкновенного качества и качественные, показате­ли свойств которых в горячекатаном или термически обработан­ном (нормализованном) прокате регламентируются в следующих пределах: σ_в < 680 МПа, σ_в < 285 МПа, δ < 20 %; KCU < 49 Дж/см² (при 20 °С), KCU < 29 Дж/см² (при 0 °С), после механического старения KCU < 29 Дж/см².

Конструкционную сталь — нелегированная, низколегирован­ная или среднелегированная — применяют для изготовления раз­личных деталей машин, механизмов и конструкций в машино­строении; она имеет определенные значения показателей прочно­сти, пластичности и вязкости (т. е. конструкционной прочности). Конструкционные стали, как правило, у потребителя подвергает­ся термической обработке, поэтому их подразделяют на цементу­емые (подвергаемые цементации), улучшаемые (подвергаемые за­калке и отпуску) и рессорно-пружинные. Конструкционные ста­ли также классифицируют по более узкому назначению: сталь подшипниковая, сталь рессорно-пружинная, сталь для железно­дорожных рельсов и колес, сталь для холодного выдавливания и вы­садки и др.

Близкие по химическому составу к конструкционным сталям нелегированные и низколегированные стали, но не предназна­ченные для термической обработки у потребителя, объединяют в груп­пу строительных сталей, которые применяют в основном для из­готовления сварных металлических конструкций.

Инструментальная сталь — для изготов­ления измерительных инстру­ментов. Инструментальные стали обычно классифицируют на пять групп: нелегированные, низколегированные, средне- и высоколе­гированные для штампов холодного деформирования, среднелегированные для штампов горячего деформирования и быстроре­жущие.

К сталям с особыми свойствами относят, стали, которые наря­ду с определенными значениями показателей механических свойств при температуре окружающей среды имеют какое-либо резко выраженное физическое или физико-химическое свойство: коррозионно-стойкие, жаропрочные и теплоустойчивые, износос­тойкие, с нормированным коэффициентом, с особенностями теп­лового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д.