И эксплуатационные свойства сталей

 

Из чёрных металлов наибольшее применение имеют стали, поскольку они обладают оптимальным сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества (содержат до 0,05% S и 0,04% Р), качественные (до 0,04% S и 0,035% Р), высококачественные (до 0,025% S и 0,025% Р) и особовысококачественные (до 0,015% S и 0,025% Р). В конце маркировок высококачественных сталей ставят букву А. Для придания особых свойств особовысококачественным сталям их подвергают дополнительной обработке специальными методами, которые отражают в конце маркировок буквами: Ш – электрошлаковый переплав, ВД – вакуумно-дуговой переплав, ВИ – вакуумно-индукционная выплавка, СШ – обработка синтетическими шлаками. Эти буквы ставят после тире, например, 30ХГСА-Ш.

По степени раскисления (т.е. удаления из выплавляемого жидкого металла кислорода для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации) и соответствующему характеру затвердевания стали подразделяют на спокойные, полуспокойные и кипящие, добавляя в конце марок сталей, соответственно, буквы сп, пс, кп. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. В результате они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем, они более дёшевы и содержат повышенное количество газообразных примесей. При застывании кислород взаимодействует с углеродом стали и выделятся в виде пузырьков СО с поверхности металла, создавая впечатление, что он кипит. По сравнению со спокойной сталью кипящая сталь хуже сваривается и больше склонна к старению и хладноломкости. Но при этом кипящая сталь имеет меньшие пределы прочности и текучести, а также более высокую пластичность, в связи с чем хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии. Полуспокойные стали по степени раскисления и свойствам занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.  

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные стали в зависимости от назначения делят на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и приборов, и строительные, предназначенные для изготовления металлоконструкций и сооружений.

Рассмотрим классификацию конструкционных сталей.

По химическому составу конструкционные стали подразделяют на углеродистые и легированные.

На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объёма выплавляемой стали. Это объясняется тем, что углеродистые стали сочетают сравнительно низкую стоимость и удовлетворительные механические свойства с хорошей ковкостью, свариваемостью и обрабатываемостью. 

       Углеродистые стали делятся на низкоуглеродистые (малоуглеродистые), содержащие С £ 0,25%, среднеуглеродистые (0,25% < С £ 0,5%) и высокоуглеродистые (0,5% < С £ 0,9%).

       Углеродистые стали обыкновенного качества маркируются Ст1, Ст2,…, Ст6. Обычно такие стали поставляют по свойствам без уточнения их химического состава. Чем больше цифра в маркировке обыкновенной стали, тем выше её прочность и ниже пластичность. Стали обыкновенного качества наиболее дешёвые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей, нередко содержат большое количество неметаллических включений, в них значительно развита ликвация. Эти стали могут быть спокойные, полуспокойные и кипящие, например, Ст1сп, Ст3пс, Ст5кп.

Качественные углеродистые стали маркируются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, «сталь 25» означает качественную сталь, содержащую примерно 0,25% С). Стали 08, 10, 15, 20, 25 являются низкоуглеродистыми, стали 30, 35, 40, 45, 50 – среднеуглеродистыми, стали 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 – высокоуглеродистыми. В этих сталях содержится 0,25–0,7% марганца. Но качественные углеродистые стали могут быть и с повышенным содержанием марганца 0,7–1,0%. Такие стали обозначаются 15Г, 20Г,…,70Г. Марганец повышает прокаливаемость стали, пределы прочности и текучести.

Качественные углеродистые стали, начиная со стали 25 и выше выпускают только спокойными. Но стали с С£0,2% могут быть также кипящими и полуспокойными, например, сталь 20кп или сталь 08пс.

       Конструкционные легированные стали маркируют цифрами и указанными выше буквами, соответствующими легирующим элементам. Двузначные цифры в начале марки конструкционной легированной стали указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры после буквы легирующего элемента означают его содержание в целых процентах. Отсутствие цифры означает, что содержание легирующего элемента менее 1,5%. Например, сталь 18ХГТ содержит 0,18% С и менее 1,5% Cr, Mn, Ti. Сталь 20Х2Н14А содержит 0,20% С, 2% Cr, 14% Ni. Буква А в конце означает, что эта сталь высококачественная, т.е. содержит менее 0,025% S и 0,025% Р. Если сталь легирована азотом совместно с ванадием, то во избежание путаницы соответствующая буква А ставится не в конце, а перед Ф. Например, сталь 16Г2АФ содержит 0,16% С, 2% Mn, менее 1,5% N, V и является качественной, а не высококачественной, т.е. содержит менее 0,04% S и 0,035% Р.

       Иногда в начале маркировки сталей ставят буквы, указывающие их область применения: А – автоматные, хорошо обрабатывающиеся резанием (например, А30), Ш – шарикоподшипниковые, предназначенные для колец, роликов и шариков подшипников (например, ШХ15), Э – электротехнические (например, Э12).

       Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, штамповых и контрольно-измерительных инструментов.

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У (У7, У8,…, У13). Следующая за ней цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У7 означает качественную углеродистую сталь, содержащую 0,7% С. Сталь У13А означает высококачественную углеродистую сталь, содержащую 1,3% С.

В легированных инструментальных сталях цифра в начале маркировки также означает содержание углерода в десятых долях процента, если оно меньше 1%. Если содержание С ³ 1%, то цифру не ставят. Например, инструментальная сталь 9ХС содержит 0,9% С, а сталь ХВГ – не менее 1%.

Особый класс инструментальных сталей составляют быстрорежущие стали, обладающие высокой теплостойкостью, т.е. способностью сохранять высокие твёрдость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в процесса резания. Эти стали обозначают буквой Р, цифры после которой показывают процентное содержание основного легирующего элемента – вольфрама. Например, быстрорежущая сталь Р18 содержит 18% W, сталь Р6М5 содержит 6% W и 5% Мо, сталь Р9Ф5 – 9% W и 5% V, сталь Р10К5Ф5 – 10% W, 5% Со и 5% V.

Штамповые стали в основном легируют хромом. Сталь Х12М содержит более 1% С, 12% Cr, менее 1,5% Мо, сталь Х6ВФ содержит более 1% С, 6% Cr, менее 1,5% W и V, сталь 4Х5В2ФС – 0,4% С, 5% Cr, 2% W, менее 1,5% V и Si.

Все легированные стали условно подразделяют на низколегированные с содержанием легирующих элементов £2,5%, среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные – более 10%. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, магнитные и т.д.), т.е. относятся к сталям с особыми свойствами.

Примером коррозионно-стойкой стали является сталь 12Х18Н9Т, содержащая 0,12% С, 18% Cr, 9% Ni, менее 1,5% Ti.

Примером жаропрочных сталей являются называемая сильхромом сталь 40Х9С2, содержащая 0,40% С, 9% Cr, 2% Si, или сталь 15Х12ВНМФ, содержащая 0,15% С, 12% Cr и менее 1,5% W, Ni, Mo, V.

О широте применения сталей и их эксплуатационных свойствах можно судить уже по специализированным названиям их видов: строительные, машиностроительные, автоматные, высокопрочные, износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, пружинные и рессорные, шарикоподшипниковые, инструментальные, штамповые, для ударных инструментов, для измерительных инструментов, для медицинских инструментов, для нагревательных элементов, электротехнические, трансформаторные, магнитные, окалиностойкие, с особыми упругими свойствами. Ввиду огромного труднообозримого диапазона применения сталей во всех областях техники и соответствующего проявления ими самых разнообразных требуемых эксплуатационных свойств ограничимся лишь указанием их наиболее высоких механических свойств, получаемых с применением термообработки.

В качестве базы для сравнения укажем механические свойства простейшей качественной углеродистой стали 08кп без термообработки: s_т=180 МПа, s_в=300 МПа, НВ 70, d=35%.

Другие стали позволяют обеспечить следующие механические свойства: s_т=2750 МПа (инструментальная сталь 8Х4В2С2МФ, которая имеет сокращённо условное обозначение ЭП761), s_в=4200 МПа (инструментальная сталь Х12Ф1), HRC 69 (НВ 730) (инструментальная сталь Р10М4Ф3К10), d=67% (коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н9Т).

Для сравнительного сопоставления со сталями рассматриваемых далее материалов для них также будут указываться наибольшие значения механических характеристик, соответствующие данному виду материалов после термообработки (упрочнение материалов методами обработки давлением или химико-термической обработки поверхности могут дать значительное дополнительное повышение прочности и твёрдости и здесь не рассматриваются).