Классификация сталей и сплавов

Классификация стали

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.