Влияние легирующих элементов на критические точки железа

Легирующие элементы вводятся в сталь для получения необходимой структуры и свойств. Большинство их образуют с железом твердые растворы замещения. Они влияют на положение точек А₃ (911 °С) и А₄ (1392 °С), которые определяют температурные области существования a - и g -железа. По влиянию на эти температурные области легирующие элементы можно разделить на две группы.

К первой группе относятся никель и марганец. Эти элементы понижают температуру точки А₃ и повышают температуру точки А₄. На диаграмме состояния железо-легирующий элемент происходит расширение области g -железа и сужение области a -железа. При определенной концентрации легирующего элемента в сплавах не происходит фазовых превращений a g. При всех температурах сплавы являются твердым раствором легирующего элемента в -железе. Такие сплавы называют аустенитными. Если в сплавах произошло частичное превращение a g, то такие сплавы называют полуаустенитными.

Ко второй группе относятся Cr, Mo, V, W, Si и ряд других элементов. Они понижают температуру критической точки А₄ и повышают температуру точки А₃, то есть расширяют область существования a -железа.

При определенной концентрации легирующих элементов критические точки А₃ и А₄ сливаются. Сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в a -железе. Такие сплавы называют ферритными. Если же в сплавах произошло частичное превращение a g, то такие сплавы называют полуферритными.

 

Классификация сталей

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные.

По концентрации углерода те и другие стали делят на низкоуглеродистые (С<0,3 %), среднеуглеродистые (С=0,3…0,6 %) и высокоуглеродистые (С>0,6 %).

Легированные стали в зависимости от введенных элементов делятся на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.д.

По количеству введенных элементов легированные стали делят на низколегированные (до 5 % л.э.), среднелегированные (5…10 % л.э.) и высоколегированные (более 10 % л.э.).

По назначению стали делят на конструкционные (С<0,6 %), инструментальные (С>0,6 %) и с особыми свойствами.

Конструкционные – это стали, которые предназначены для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. К конструкционным также относятся стали со специальными свойствами (жаропрочные, жаростойкие, корозионностойкие, износостойкие).

Инструментальные – это углеродистые и легированные стали, имеющие высокую твердость, прочность и износостойкость. Они служат для изготовления различного инструмента.

К сталям с особыми свойствами относятся магнитные, трансформаторные, с высоким электрическим сопротивлением и т.п.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, которые определяются металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали во многом зависит от содержания газов и вредных примесей – серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества содержат до 0,055 % S и 0,045 % Р, качественные – не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

По степени раскисления и характеру затвердения стали делят на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Спокойные сталираскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без газовыделения.

Кипящие стали раскисляют только марганцем. Содержание кислорода в этих сталях повышенное. Взаимодействуя с углеродом, кислород образует пузырьки СО, которые при выделении в процессе кристаллизации создают впечатление кипения.

Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием. По своему поведению они занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными.

Маркировка сталей

 

Углеродистые конструкционные стали делят на стали обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируют: Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6.

Буквы Ст обозначают «сталь», цифры – условный номер марки. Чем больше условный номер марки, тем выше содержание углерода в стали (табл. 7.1)

Таблица 7.1

Содержание углерода в углеродистых сталях обыкновенного качества

 

Марка стали	С, %
Ст 0	0,23
Ст 1	0,06…0,12
Ст 2	0,09…0,15
Ст 3	0,14…0,22
Ст 4	0,18…0,27
Ст 5	0,28…0,37
Ст 6	0,28…0,49

 

После условного номера марки указывают способ раскисления: «сп» – спокойная; «пс» – полуспокойная; «кп» – кипящая. В спокойных сталях содержится 0,15… 0,30 % Si: Ст 1 сп, Ст 2 сп, Ст 3 сп, Ст 4 сп, Ст 5 сп, Ст 6 сп.

В полуспокойных сталях содержится 0,05…0,15 % Si: Ст 1 пс, Ст 2 пс, Ст 3 пс, Ст 4 пс, Ст 5 пс, Ст 6 пс.

В кипящих сталях содержится не более 0,05 % Si и около 0,02% О₂: Ст 1 кп, Ст 2 кп, Ст 3 кп, Ст 4 кп.

Если в стали повышенное содержание марганца (0,8…1,1 %), то после номера марки ставится буква Г: Ст 3Г пс, Ст 3Г сп, Ст 5Г пс.

Углеродистые стали обыкновенного качества являются наиболее дешевыми и допускают повышенное содержание вредных примесей.

С повышением условного номера марки стали увеличивается прочность стали и снижается пластичность. Наиболее распространенная сталь Ст 3 сп имеет s _в =380…490 МПа, s _m =210…250 МПа и d=25…22 %, а Ст 5 сп s _в =500…540 МПа, s _m =240…280 МПа и d=20…17 %.

Углеродистые конструкционные качественные стали маркируют двумя цифрами, которые показывают среднее содержание углерода в этой стали в сотых долях процента. После этих цифр указывают способ раскисления: «кп» – кипящая; «пс» – полуспокойная; для спокойной буквы не указываются.

Кипящая (Si£0,7 %) – 05 кп, 08 кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп.

Полуспокойные (Si£0,17 %) – 08 пс, 10 пс, 15 пс, 20 пс.

Спокойные (Si=0,17…0,37 %) 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 и т.д.

Качественные углеродистые стали имеют более низкое содержание вредных примесей и неметаллических включений по сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качества.

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У (углеродистые). После буквы У стоят цифры, показывающие среднее содержание углерода в десятых долях процента. Эти стали могут быть качественные и высококачественные. Если сталь высококачественная, то после цифр ставится буква А.

Качественные углеродистые инструментальные – У7, У8, У9,…,У13.

Высококачественные углеродистые инструментальные стали – У7А, У8А, У9А,…,У13А.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью. Высокая твердость этих сталей значительно снижается при нагреве выше 190 °С.

Легированные стали производят качественными, высококачественными и особо высококачественными.

Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих химический состав. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий.

Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание легирующего элемента в целых процентах. Если цифра отсутствует, то среднее содержание легирующего элемента не превышает 1…1,5 %.

Цифры, стоящие в начале марки, показывают среднее содержание углерода в этой стали. Если сталь конструкционная, то в сотых долях процента, если инструментальная, то в десятых долях процента. Если же в начале марки цифры отсутствуют, это означает, что содержание углерода в этой стали не менее 1 % (С³1 %).

Если буква А расположена в середине марки, значит сталь легирована азотом. Если буква А стоит в начале марки, это означает, что сталь автоматная, то есть хорошо обрабатывается резанием. Если буква А стоит в конце марки – сталь является высококачественной.

Буква Л в конце марки означает, что данная сталь является литейной.

Особо высококачественные стали в конце марки имеют букву Ш.

Примеры:

18Х2Н4МА – сталь легированная, конструкционная, высококачественная. Химический состав: С»0,18 %, Cr»2 %, Ni»4 %, Mo»1 %;

9ХС – сталь легированная, инструментальная, качественная. Химический состав: С»0,9 %; Cr»1 %; Si»1 %;

ХВГ – сталь легированная, инструментальная, качественная. Химический состав: С³1 %; Cr»1 %; W»1 %; Mn»1 %;

А40Г – сталь легированная, конструкционная, автоматная, качественная. Химический состав: С»0,4 %; Mn»1 %.

Особо маркируют следующие классы легированных сталей:

1) быстрорежущие стали. Марка стали начинается с буквы Р, после которой следуют одна или две цифры, которые показывают в целых процентах содержание основного легирующего элемента – вольфрама:

Р18 С»0,7…0,8 %, W»18 %. Содержание других элементов в марке стали не указывается.

2) шарикоподшипниковые стали. Марка стали начинается с буквы Ш. За буквой Ш идет буква Х (хром), содержание которого дается в десятых долях процента:

ШХ15 С³1 %, Cr»1,5 %.

3) электротехнические стали начинаются с буквы Э и далее следуют цифры. Первая цифра соответствует содержанию кремния в процентах, вторая цифра – удельным потерям на перемагничивание (1 – нормальные удельные потери, 2 – пониженные, 3 – низкие).

4) нестандартные легированные стали маркируют по-разному, например, буквами ЭИ («Электросталь» исследовательская) или ЭП («Электросталь» пробная) и порядковым номером ЭИ 415, ЭП 716.

После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.