Какие основные свойства стали

Для производства машин, инструментов, приборов чаще всего используют сталь. Такое широкое применение обеспечили ее технологические, механические и физико-химические характеристики. Разновидностей стальных сплавов существует очень много. В статье поговорим про свойства сталей, какими особенностями обладают различных виды, как они маркируются.

Основные свойства сталей

Сталь является универсальным сплавом, используемым для изготовления уголков 63х63, арматуры и прочих разновидностей металлопроката. Без стальных изделий не обходится машиностроение, строительство и другие области промышленности. Широкому распространению материал обязан своим механическим, физическим, технологическим и химическим свойствам.

• Механические.

Материал отличается прочностью. Благодаря этому механическому свойству стали, она способна без разрушения выдержать большую нагрузку. В количественном выражении для этого показателя имеют значения предел текучести и предел прочности.

Под пределом прочности понимают максимально возможное механическое напряжение, которое способен выдержать металл.

Пределом текучести называют механическое напряжение, после достижения критического значения которого сплав при отсутствии нагрузки продолжает удлиняться.

Для стали характерна пластичность. Это свойство позволяет металлу менять форму за счет воздействия внешней нагрузки и сохранять ее в условиях отсутствия внешних воздействий. Количественным показателем этого параметра является относительное удлинение при растяжении и угол загиба.

Еще одним свойством стали является ее ударная вязкость, за счет которой происходит сопротивление сплава динамическим нагрузкам. Количественным выражением этого параметра является отношение усилия, которое необходимо приложить для того, чтобы разрушить образец, к площади его поперечного сечения.

К свойствам стали относится ее твердость, благодаря которой сплав оказывает сопротивление попаданию в него твердых тел. Количественным выражением твердости является соотношение нагрузки и площади отпечатка, в который вдавливается алмазная пирамида (метод Виккерса) или стальной шарик (метод Бринелля).

• Физические.

Физическим свойством стали является ее плотность, под которой понимается масса металла в объеме одной единицы. Именно высокой плотностью обусловлено повсеместное использование в строительстве арматуры А500С и других стальных конструкций.

Для стали характерна теплопроводность, за счет которой сплав передает тепло от более нагретых элементов к менее нагретым.

Еще одним свойством является электропроводность, благодаря которой сплав способен пропускать электрический ток.

• Химические.

Среди химических свойств стали отметим окисляемость, означающую способность соединения металла и кислорода. Для усиления этого параметра металл нуждается в нагревании. Если концентрация углерода в сплаве низкая, то воздействие воды и влажного воздуха приводит к его окислению с образованием ржавчины (оксидов железа).

Сталь характеризуется коррозионной стойкостью, благодаря которой сплав не вступает в химические реакции и не окисляется. За счет жаростойкости он не подвержен окислению и не образует окалин при воздействии на него высоких температур.

Жаропрочность не позволяет стали утрачивать характеристики прочности под воздействием высокой температуры.

• Технологические.

Ковкость – благодаря этой характеристике сплав принимает новые формы при внешнем воздействии на него.

Сплав легко поддается резке, т. е., его можно обрабатывать режущими инструментами. Это свойство стали обеспечивает ее применение при производстве труб 60х30 и прочих металлопрокатных изделий.

Благодаря текучести расплавленный металл заполняет все имеющиеся пространства и зазоры.

За счет такого свойства нержавеющей стали, как свариваемость с металлом, можно эффективно проводить сварочные работы, получая в итоге не имеющие дефектов надежные конструкции.

Виды сталей и их свойства

Под сталью понимают сплавы железа, в которых присутствует углерод и другие химические элементы. При этом содержание углерода должно варьироваться в пределах от 0,1 % до 2,14 %, а железа не должно быть меньше 45 %. Стали могут быть обычными углеродистыми, легированными и высоколегированными. В двух последних разновидностях сплавов присутствуют легирующие элементы, за счет которых сталь приобретает повышенную прочность.

Под воздействием углерода железо приобретает улучшенные физические характеристики – большую прочность, крепость, снижение пластичности. Влияние на свойства стали оказывают добавляемые в сплав легирующие вещества, усиливая названные параметры.

Стали можно классифицировать в соответствии с различными признаками. Расскажем об упомянутых классах, в основе которых лежат химические свойства металла:

1. Углеродистые стали.

Эта группа представлена сплавами железа и углерода при отсутствии в них дополнительных легирующих элементов. Предназначены они для решения конструкторских и инструментальных задач.

Отличительными свойствами сплава стали является высокая прочность и твердость, а также минимальное присутствие примесей.

2. Легированные стали.

Легирующими элементами могут быть хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo). Свойствами легированных сталей, получаемыми при взаимодействии названных элементов с железом и углеродом, является высокая износостойкость и прочность.

Также существует классификация сталей в соответствии с их структурой:

1. Аустенитная сталь.

В аустенитных сталях в процессе кристаллизации образуется однофазная аустенитная структура γ-Fe, для которой характерна гранецентрированная кристаллическая решетка, сохраняющаяся при охлаждении до криогенных температур.

Иначе входящие в эту группу сплавы называют сталями аустенитного класса.

2. Ферритная сталь.

Такое название носит сталь, в составе которой присутствует легированный феррит с включением карбидов. Для ее получения (ферритного класса) железо соединяют с небольшим количеством углерода и значительной концентрацией легирующих веществ (ванадия, кремния).

3. Мартенситная сталь.

Мартенситом называют игольчатую микроструктуру, которая встречается в ряде чистых металлов, а также в закаленных сплавах металлов. В структуре мартенситных сталей преобладает мартенсит. Кроме железа, их состав характеризуется незначительным содержанием углерода (примерно 0,2 %) и заметной концентрацией хрома (в пределах 11–17 %). В сплавах можно встретить также никель, ванадий или молибден. Среди свойств сталей мартенситного класса отмечается устойчивость к воздействию щелочей, невысокая пластичность, повышенная жаропрочность, способность к самозакаливанию.

4. Бейнитная сталь.

Бейнит – структура стали, образующаяся при промежуточном превращении аустенита, в связи с чем она также носит название промежуточной структуры. Для сплавов бейнитного класса характерно присутствие легирующих веществ и низкая концентрация углерода.

5. Перлитная сталь.

Для них характерна относительно невысокая концентрация легирующих веществ.

Маркировка сталей с разными свойствами

В настоящее время отсутствует общая система маркировки сталей, что приводит к возникновению ошибок при заказах и в целом отрицательно сказывается на торговых операциях.

В России для маркировки используют буквенно-цифровую систему, при этом буквы означают названия входящих в состав сплава элементов, а цифры – их количественное содержание. Кроме того, буквы используют для обозначения способа раскисления. Маркировка «КП» свидетельствует о кипящих сталях, «ПС» – о полуспокойных, «СП» – о спокойных.

Для сплавов с обыкновенными свойствами характерен индекс Ст, за которым следует условный номер марки от 0 до 6. После этого указывается степень раскисления. На первом плане стоит номер группы: А – стали с гарантированными механическими качествами, Б – химическим составом, группе В присущи оба свойства. Индекс группы А встретить практически невозможно. В качестве примера маркировки можно привести Б Ст.4 ПС.

Обозначить конструкционные качественные углеродистые сплавы помогает поставленное впереди двухзначное число, которое указывает на концентрацию углерода в сотых долях процента. В конце следует степень раскисления. К примеру, сталь 06ПС. При маркировке качественных инструментальных углеродистых сталей сначала проставляется буква У, затем следует массовая доля углерода, обозначаемая двухзначным числом в десятых долях процента (к примеру, сталь У7). Определить высококачественную сталь поможет буква А, проставленная в конце маркировки.

При маркировке легированных сплавов буквы используют для обозначения легирующих веществ (Н – никель, Ю – алюминий, Х – хром, Т – титан, М – молибден, В – вольфрам). Маркируя конструкционные легированные стали, производитель сначала обозначает концентрацию углерода в сотых частях процента. Для инструментальных легированных сталей характерна маркировка углерода десятыми долями процента, при превышении его массовой доли 1,5 % – ее не указывают.

Для обозначения быстрорежущих инструментальных сплавов используют индекс «Р» и содержание вольфрама в процентах, к примеру, Р16.

Организации по стандартизации США разрабатывают, а производители применяют различные системы маркировки сталей. Нержавеющие стали чаще маркируются по системе AISI, используемой и в Европе. В соответствии с AISI, для обозначения стали используют 3 цифры, в ряде случаев они дополняются одной или несколькими буквами. По первой цифре можно судить о классе стали («2» или «3» свидетельствует об аустенитном классе, «4» – о ферритном или мартенситном). Следующими двумя цифрами обозначается порядковый номер металла в группе.

Отличие используемой в Европе системы EN от российской заключается в перечислении сначала легирующих элементов, а затем указании на их массовую долю. По первой цифре можно судить о содержании углерода в сотых долях процента.

Если в составе легированных, конструкционных и инструментальных сталей, за исключением быстрорежущих, присутствует свыше 5 % хотя бы одного легирующего элемента, то прежде чем указать содержание углерода, ставится буква «Х».

В странах ЕС используется система EN, в ряде случаев она дополняется национальной маркировкой, помеченной как «устаревшая».

Основные параметры

От других материалов сталь отличается своими параметрами: плотностью, удельной тепловой ёмкостью, температурой плавления, показателями линейного теплового расширения и другими. Среди основных характеристик стали следует выделить:

1. Плотность: от 7,6 до 7,8 г/см³.
2. Удельная тепловая ёмкость при температуре 20 °C: 462 Дж.
3. Температура плавления стали: 1400—1500° Цельсия.
4. Удельная масса: 75500—77500 Н/м³.
5. Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг.
6. Показатель линейного теплового расширения (нержавеющей): 11,0 * 10 − 6 / °C.
7. Коэффициент тепловой проводимости при t = 100° Цельсия (хромоникельвольфрамовой: 15,5; дюралюминиевой: 56,3 Вт/(м·К).
8. Лимит прочности при растяжении и сопротивлении (для конструкций: 373−412 мПа; кремнехромомарганцовистой: 1,52 ГПа).
9. Модуль упругости стали (или модуль Юнга): 200 тысяч (Е, мПа). В таблице упругости некоторых веществ приводится также значение, равное 2 039 400 (Е, кгс/см²).
10. Коэффициент Пуассона: 0,3 единицы.

Качества стали меняются с помощью различных типов обработки: термической, термомеханической, химико-термической. При обрабатывании с целью получить требуемую структуру пользуются полиморфическим свойством — возможностью кристаллической решётки изменять строение при нагревании и охлаждении. Производя закаливание с дальнейшим нагреванием (отпуском), можно добиться получения оптимальной формулы, сочетающей пластичность, твёрдость и плотность стали.

Преимущества и недостатки

Стали сочетают большую жёсткость с высокой прочностью. На эти характеристики можно влиять в большом диапазоне с помощью варьирования концентрации углерода, легирующих добавок и технологических процессов (химико-термической и термической обработки).

К основным достоинствам стали можно отнести следующие характеристики:

• высокая твёрдость и прочность;
• множество различных свойств, которые обуславливаются разным составом и способами обрабатывания;
• упругость и вязкость;
• очень высокая износоустойчивость;
• большое распространение сырья и выгодный с экономической точки зрения способ изготовления, что приводит к невысокой цене сплавов.

У стали и продукции, изготовленной из нее, имеются и недостатки. Их меньше, чем достоинств, но все же знать о них необходимо:

• отсутствие временной устойчивости к коррозии (за исключением нержавейки);
• способность накапливать электрическую энергию;
• большой вес;
• многоэтапность изготовления обыкновенных изделий.

Стоит иметь в виду, что сталь — довольно сложный в обработке материал, поэтому для производства продукции из нее необходимы дорогостоящие станки и приспособления.

Классификация и виды

Сталь классифицируется по химическому составу, по содержанию добавок, по способу изготовления, по уровню раскисления и по другим группам.

По химическому составу она бывает углеродистая и легированная. В углеродистой, помимо углерода и железа, присутствует кремний (до 0,3%) и марганец (до 1,1%).

Для придания особенных качеств в сплав вводят легирующие добавления (обычно металлы): хром, алюминий, титан, азот, фосфор, кремний, углерод, бор и др.

Низкоуглеродистые высококачественные конструкционные стали по определению имеют небольшую прочность и высокую пластичность.

Среднеуглеродистые высококачественные (Ст 30−55) применяются после поверхностного закаливания и нормализации для создания деталей, имеющих высокую прочность сердцевины. Ст 60 — Ст 85 имеют большую прочность, износоустойчивость, свойства упругости.

Высококачественная отличается сложным химсоставом с уменьшенной долей фосфора и серы. Сталь обычного качества (доля углерода меньше 0,6%) обозначается Ст 1−6. Символы «Ст» указывают на материал обычного качества, а цифры − номер маркировки исходя из свойств.

В качественной стали доля углерода приводится в сотых процента, добавочно могут указываться характер затвердения и уровень раскисления. Она характеризуется высоким уровнем свариваемости и большой пластичностью.

По уровню раскисления подразделяется на следующие виды:

1. Спокойную (Ст3сп) — проходит полное раскисление с минимумом содержащихся в ней примесей и шлаков.
2. Полуспокойную (Ст3пс) — полученную при раскислении жидкого металла, менее полном, чем при выплавливании спокойной, но большем, чем при изготовлении кипящей.
3. Кипящую (08кп) — неокисленная с большим содержанием включений неметаллов.

По области применения сталь бывает строительной, инструментальной, конструкционной и легированной.

Строительная имеет прекрасную свариваемость. Цифра показывает условный номер состава по ГОСТ. Чем он выше, тем прочнее сплав (например, чугун) и тем меньше его пластичность.

Легированная — универсальная, которая содержит специальные примеси. В ней кремния больше 0,6%, марганца — 0,9%. Если содержание легирующего компонента выше 1,5%, то оно записывается цифрой, следующей за определённой буквой:

1. Низколегированная — легирующих составляющих до 2,4% (09Г2С, 18ХГТ, 10ХСНД). Отличается большой прочностью благодаря повышенному лимиту вязкости, что крайне необходимо для конструкций большой ответственности.
2. Среднелегированная (от 2,4 до 10%).
3. Высоколегированная (от 10 до 50%).

Сталь 09Г2С используется для парового оборудования, работающего под температурой от -70 до +450°C и давлением, а также для ответственных сварных листовых конструкций в нефте- и химмашиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД применяют для сварных конструкций химмашиностроения, профилей в вагоностроении, судовом строении. 18ХГТ используется для элементов, которые функционируют на больших скоростях, нагрузках и давлении.

Сталь специального назначения — сплав с особенными физическими качествами. Используется в электротехнической отрасли и точном судовом строении.

По нормируемым параметрам делится на категории: от 1 до 5. Ими обозначают химсостав, предельную вязкость, механические качества при растяжении. К примеру, категория 1 — химсостав не нормируем, категория 3 — имеет нормируемую максимальную вязкость при t = +20°C. Для Ст0 не нормируют ни химсостав, ни ударную текучесть.

Марки стали

Конструкционные сплавы, характеризующиеся обычным качеством и не содержащие легирующие добавки, обозначают символами «Ст». По цифре, следующей за буквами в наименовании марки, устанавливается объём в данном сплаве углерода (приводится в десятых долях). За цифрами могут следовать символы «КП»: по ним определяют, что над конкретным сплавом не полностью был проведён в печи раскислительный процесс, а следовательно, сталь относится к кипящей. Если в наименовании марки отсутствуют такие буквы, то стальной сплав принадлежит к спокойному.

Конструкционная высококачественная нелегированная сталь содержит в своём наименовании 2 цифры, устанавливающие усреднённое содержание в ней углерода (исчисляемая в сотых долях).

В маркировке легированных сплавов возможно указание следующих символов в виде букв: Х, С, Т, Д, В, Г, Ф, Р и других.

В начале наименования таких марок указываются цифры (одна либо две), определяющие содержащийся в сплаве объём углерода. Если цифры отсутствуют, значит, углерода содержится в подобных сплавах не выше 1%.

Символы, идущие за первыми цифрами наименования марки, раскрывают состав конкретного сплава. За буквами, приводящими сведения об определённом компоненте в составе сплава, могут следовать цифры. Если цифра стоит, то по ней устанавливается (в целых процентах) усреднённое содержание обозначенного буквой компонента, а если она отсутствует, то содержание подобного элемента находится в диапазоне от 1 до 1,5%.

В окончании маркировки некоторых типов сталей может идти буква «А». Это свидетельствует о том, что сплав является высококачественным. К этим маркам относятся стали с легирующими включениями и углеродистые. В эту категорию входят стали, в которых содержание фосфора и серы не превышает 0,03%.