Какие классификации сталей существуют: по химическому составу, назначению и т.п.

Сталь имеет широкую сферу применения: от винтов и гвоздей до частей моста. С развитием металлургии было изобретено множество сплавов и марок стали.

Сталь состоит из 2,14% углерода, постоянных примесей и других химических элементов. Хотя, как показывает практика, его концентрация обычно не превышает 1,5%. Доля железа в материале составляет не меньше 45%. Сталь производится путем вторичной переработки белого чугуна различными методами.

Основные преимущества всех типов стали:

твердость и прочность;
широкий функционал;
разнообразие свойств;
вязкость и упругость;
легкая механическая обработка;
высокая износостойкость;
распространенность сырья;
экономическая выгода от использования.

Основные недостатки – это отсутствие устойчивости к образованию ржавчины и способность накапливать электричество.

Чугун – наиболее близкий по составу материал. Однако, в сравнении с ним сталь:

более твердая и прочная;
имеет более высокую температуру плавления;
легче подвергается механической обработке;
имеет более высокую теплопроводность;
легко подвергается процедуре закалки.

Классификация по химическому составу

Химический состав стали бывает углеродистым и легированным. Первые состоят из железа, постоянных примесей и углерода. В свою очередь, они подразделяются на:

низкоуглеродистые (до 0,2-0,3% углерода);
среднеуглеродистые (0,2-0,45%);
высокоуглеродистые (от 0,45%).

Легированная сталь также содержит металлы и неметаллы. Они придают материалу более высокие механические и физикохимические свойства. Легировать – это значит сплавлять. Этот вид стали по химическому составу подразделяется на:

низколегированные (до 2,5% присадок);
среднелегированные (2,5-10%);
высоколегированные (от 10%).

Применение углеродистой стали

Благодаря высокой прочности, хорошей обрабатываемости, долговечности и сравнительной дешевизне углеродистые стали нашли свое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Особенно они популярны в машиностроении, что связано со способностью металла сопротивляться активным нагрузкам, а также с высокими пределами усталости. Так, углеродистая сталь выступает в качестве основного материала для производства:

маховиков;
зубчатых передач редукторов;
корпусов шатунов;
коленчатых валов;
поршней плунжерных насосов.

Из углеродистых сплавов производят технологическую оснастку для легкой, деревообрабатывающей промышленности. Во всех этих случаях используют конструкционные углеродистые стали. После цементации этот тип металла используется в создании износоустойчивых деталей, эксплуатация которых будет сопровождаться значительными динамическими нагрузками.

На основе низко и среднеуглеродистой стали осуществляют выпуск:

уголков;
швеллеров;
труб;
двутавров и других профилей

Начальные свойства конструкционных углеродистых сталей подлежат повышению путем проведения термообработки (закалки).

Выпуск инструментов различного назначения базируется на применении инструментальных стальных сплавов, которые содержат 0,65–1,32% углерода:

молотки, керны, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы (марка инструментальной углеродистой стали У7 и У7А);
ножницы, ножи рубильных машин, ручной столярный инструмент, рамные пилы (марка У8, У8А);
сверла, фрезы малого диаметра, ленточные пилы, развертки (марка У10, У10А);
токарные резцы по дереву, ножовочные полотна по металлу, напильники, граверный инструмент (марка У12, У13).

Инструментальные углеродистые стали применяют для производства измерительных приборов. Чтобы получить небольшую деталь с точностью линейных размеров в несколько сот миллиметров, нельзя допускать нагрева или деформации заготовки в результате оказываемого давления режущим инструментом.

Востребовано использование углеродистых сталей обыкновенного качества в строительстве, некоторые марки применяются в машино-, судостроении.

Классификация по структуре

Структура стали формируется в процессе ее изготовления, во время отливки и обработки под воздействием высоких температур. Химические связи материала определяют ее отношение к какому-либо классу. Это отношение учитывается для применения стали в той или иной области. Рассмотрим эти классы подробнее:

Аустенит. Этот класс отличается прочностью и однородностью. Они устойчивы к жару и образованию ржавчины, могут использоваться для работы в опасных условиях или перевозки агрессивных элементов.
Феррит. Представители класса ферритов – магнетики, благодаря чему оптимальны для использования в радиотехнике и электронике для изготовления антенн и другого оборудования.
Мартенсит. Этот вид стали получают при помощи процедуры легирования и термической обработки. Материал может возвращать форму после механической обработки. Применение представителей мартенсита осложняется дополнительными требованиями к обработке.
Перлит. Перлитом называется распад при охлаждении после нагрева. Такое состояние создается искусственным способом для пластической деформации.
Цементит. Представители вида физически упругие и твердые.

В кислородных конвертерах

Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:

Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.

Кислородно-конвертерный способ

Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.

В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей

Классификация по степени раскисления

Раскисление – это процесс, который приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Этот процесс необходим для того, чтобы избежать появления ржавчины на металлопрокате. Степень раскисления предусматривает следующую классификацию:

спокойные (СП) – имеют однородную структуру, содержат минимальное количество газов и неметаллов; используются для дорогостоящих сплавов и изготовления металлоконструкций;
полуспокойные (ПС) – их свойства позволяют выпускать несущие элементы сварных и клепаных конструкций; из ПС изготавливают болты и гайки, которые можно использовать при низкой влажности воздуха и высокой температуре;
кипящие (КП) – хрупкий вид стали; подходит для производства деталей котлов и конструкций, контактирующих со взрывоопасными веществами; главный минус – быстрое появление ржавчины.

В реакции раскисления обычно участвуют следующие добавки: алюминий, марганец, кремний.

История

Документированная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:

В Турции откопаны образцы возрастом почти 4 тысячи лет.
Европейцам материал стал доступен со времен Античности.
Самыми известными артефактами Средневековья стали булатные мечи. С той эпохи это был главный материал холодного оружия.

Веками сохранялся втайне секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей.

Расцвет стального производства наступил в связи с войнами XIX века. XX век пополнил ассортимент танковой броней, корпусами самолетов, шлемами.

В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций перед материалами нового поколения.

Классификация стали по содержанию примесей

Классификация предусматривает три вида. Тем меньше в материале вредных элементов, тем более качественным он считается. Этот параметр определяется методом производства и выявление содержания S и P.

Обыкновенного качества

К этому виду относятся углеродистая сталь. Она производится в печи или на конвертере с применением кислорода. Сталь обыкновенного качества имеет доступную цену, широкую сферу применения, легко обрабатываются, но не отличаются устойчивостью к износу или прочностью.

Качественные

Она может быть как углеродистой, так и легированной. По сравнению с предыдущим типом этот состав произведен в соответствии с более строгими требованиями. Они производятся с соблюдением строгих характеристик плавления. Качественная сталь стоит дороже и применяется для изготовления элементов, предназначенных для высокого уровня нагрузок.

Высококачественные

Такой вид стали производится более современными методами, например, выплавке в электрических печах. Этот способ позволяет добиться минимального содержания включений газов и вредных неметаллических примесей, что обеспечивает высокие механические свойства материала. Сталь высокого качества имеет более высокую стоимость и используется для создания особо прочных конструкций.

Особовысококачественные

Это сплавы с минимально возможным количеством примесей. Они имеют самое высокое качество из представленных и имеют соответствующую цену, приближенную к драгоценностям. Особовысококачественная сталь – это легированная сталь, которая используется в уникальных случаях. Например, для производства деталей космических кораблей.

О чем говорит маркировка

Мы перечислили основные причины для классификации сталей – это назначение, структура, содержание компонентов. Именно по данным факторам происходит определение марки. Так, например, самый распространенный подвид – конструкционные сплавы обыкновенного качества без легирующих добавок — можно маркировать как «Ст». Потом идет цифра, которая определяет количество углерода.

Классификация стали по назначению

Она является достаточно условной, так как в одной группе могут находиться множество марок, а в другой – всего несколько. Некоторые из них применимы для смежных значений. Для определения классификации стали продукция подвергается различным испытаниям: кислотам, экстремальным нагрузкам, ударным нагрузкам.

Конструкционные

Она относится к классу обыкновенного качества и является одной из самых обширных групп. Они способны выдерживать различные механические нагрузки: удары, изгибы, растяжения. Конструкционный материал устойчив к усталости, а также воздействию негативных факторов внешней среды. Используются для производства конструкций и деталей повышенной прочности.

Строительные

К ним относится углеродистая и низколегированная сталь. Из нее изготавливают сложные конструкции, в которых нагрузка распределяется одинаково на все области. К строительной стали не предъявляются особые требования, кроме податливости к сварке.

Для холодной штамповки

Холодная штамповка значительно меняет форму и размеры металлической заготовки. К этому виду предъявляются следующие требования – высокий уровень пластичности и стойкости на разрыв.

Цементируемые

Назначение цементируемой стали – производство деталей и узлов, которые подвергаются периодическим нагрузкам. Цементация – это процедура, в ходе которой повышается стойкость материала к износу.

Улучшаемые

Назначение улучшаемой стали – специальные виды термической обработки, например, отпуск или закалка. Эти процедуры применяются для повышения прочности и других характеристик.

Высокопрочные

Для создания высокопрочного вида сталей подбирается специальный состав и соотношение легированных элементов, а также программы обработки. В ходе процедуры достигается высокая прочность материала, которая в несколько раз превосходит параметры конструкционной стали. Высокопрочные элементы используются в узлах особой прочности.

Пружинные

Пружинные марки стали могут выдерживать многократные упругие деформации «усталости», присущей металлам. Они широко применяются в производстве автомобилей, транспортной отрасли и других сферах, где есть необходимость в амортизации, возврате элементов в первоначальное положение после выполнения рабочих функций. Углеродистые сплавы могут легироваться кремнием, бором и другими химическими элементами.

Подшипниковые

Назначение подшипниковой стали – эксплуатация оборудования и механизмов, использующих подшипники. В этом случае материал должен иметь высокую прочность, устойчивость к износу и быть выносливым. К минимуму должны быть сведены посторонние вещества и неоднородная текстура. Подшипниковая сталь подвергается специальной термической обработке и уплотнению.

Автоматные

Главные требования к автоматной стали – высокая податливость обработке, образование короткой стружки и пониженной трение между деталью и инструментом. Такой вид применяется для массового изготовления крепежей на автоматизированном производстве. Недостаток автоматной стали – сниженная пластичность.

Износостойкие

Износостойкую сталь получают благодаря добавлению большого количества марганца. Ее назначение – изготовление узлов, которые постоянно подвергаются трению и большим нагрузкам (как динамическим, так статистическим). Например, из износостойкой стали производят гусеницы, горное оборудование и оборудование для рельсов.

Коррозионностойкие нержавеющие

Низкоуглеродистая сталь подвергается процедуре легирования при помощи хрома и марганца. Хром кристаллизуется и формирует тонкий слой поверхности из окислов, которые защищает деталь от воздействия химических сред. Коррозионностойкие нержавеющие стали могут эксплуатироваться при температурном режиме до 60 градусов в слабоагрессивных (например, пар или вода) и в очень агрессивных (щелочах и кислотах).

В свою очередь, коррозионностойкие нержавеющие стали подразделяются на:

Коррозионностойкие. Они предназначены для изготовления пружин, клапанов и валов, способных выдерживать температуру до 600 градусов.
Жаростойкие. Они могут работать при ограниченных нагрузках и температурном режиме до 1200 градусов Цельсия.
Жаропрочные. Сталь легируется при помощи кремния, никеля или других элементов. Она может выдерживать серьезные нагрузки и взаимодействовать с высокими температурами (до 75% от температурного режима плавления).
Криогенные. Они могут взаимодействовать с низкими температурами (до -200 градусов), при этом сохраняя вязкость и упругость. Их можно применять для производства комплектующих холодильных установок (научных или промышленных).

Основные свойства стали

При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, чтобы подойти под конкретную область применения. Если не понимать такой особенности, есть риск покупки сырья, не соответствующего прочности, уровню защиты от коррозии, качеству свариваемости и другим характеристикам.

Рассмотрим основные характеристики материала.

Механические

Показывают, какие варианты обработки можно выбирать и где использовать. Есть несколько основных параметров:

Прочность. Показывает, какую нагрузку можно прикладывать к детали, пока не появятся первые признаки разрушения. Для каждой марки материала указывается этот параметр, а также предел текучести.
Предел прочности. Указывает на защищенность материала от механического напряжения.
Предел текучести. Дает представление о растягиваемости материала. Это помогает понимать, насколько сильно можно растянуть материал до момента, пока процесс будет продолжаться, даже когда нагрузка перестанет прикладываться.
Пластичность. Чтобы материал можно было использовать в изготовлении различных типов деталей и заготовок. Такая характеристика помогает сырью менять форму, прописывается, чтобы определить параметры относительного угла изгиба и удлинения.
Ударная вязкость. Напрямую связана с пределами динамических нагрузок. Характеристика указывает, насколько сильный удар сможет выдержать готовое изделие или заготовка, прежде чем начнет окончательно разрушаться.
Твердость. Показывает предельную нагрузку по площади до момента возникновения вдавливания. Может определяться разными методами, как Бринелля, так и Виккерса.

Физические

Параметры дают понять, возможно ли применение стали в строительстве или различных областях промышленности. Есть три значимых центральных показателя:

Плотность. В характеристике зашифровано, какая масса стали содержится в указанном объеме. Чем выше прочность, тем больше защищенность от деформации, сильного давления и других потенциальных угроз.
Теплопроводность. Параметр дает представление, насколько быстро тепло передается по заготовке. Параметр очень важен для промышленности, к примеру, при изготовлении радиаторов или труб для теплотрасс.
Электропроводность. Позволяет оценить безопасность применения материала в местах, где есть риск удара током. Также сплав можно выбрать и для установки в сферах, где имеют значение его проводниковые характеристики.

Химические

Весь набор параметров дает представление о том, как поведет себя материал в разных температурах или средах с разной степенью агрессивности. Есть четыре основных параметра:

Окисляемость. Процесс окисления вызывается контактом металла с кислородом, может стимулироваться увеличением температуры. На уровень окисляемости влияет содержание углерода и среда, в которой используются изделия. Чем больше подверженность окислению, тем быстрее на поверхности появится ржавчина.
Защищенность от коррозии. Указывается для разных сред. Может меняться при использовании на открытом воздухе, а также при контакте с водой или почвой.
Жаростойкость. Помогает понять, при каком нагреве на металле начинает постепенно развиваться коррозия. Характеристика напрямую связана с окисляемостью.
Жаропрочность. От жаростойкости отличается тем, что затрагивает не коррозийную стойкость и защиту от окалины, а саму прочность. Знание параметров поможет вам понять, до какой температуры нагреется заготовка, прежде чем ее можно будет сломать или деформировать.

Технологические

Показывают возможность обработки с применением различных технологий. Центральные параметры:

Ковкость. Чем она выше, тем быстрее можно будет придать форму постоянным внешним механическим воздействием.
Жидкотекучесть. Если этот параметр находится на высоком уровне, расплавленный материал сможет лучше заполнять пустоты.
Свариваемость. Помогает соединять различные заготовки между собой. Отличается как в зависимости от типа использованной сварки, так и самого сплава.
Обрабатываемость резанием. Сталь можно обрабатывать разными видами режущих инструментов для создания металлопроката и деталей с разными параметрами и областью применения.

Инструментальные стали

Инструментальные стали – это изделия без легирования, которые являются прочными. Для уплотнения некоторых участков используют присадки. К ним предъявляются особые требования, связанные с особенностями использования.

Инструментальные стали также подразделяются на несколько подвидов:

для режущих инструментов;
для измерительных инструментов;
штамповые;
валковые.

Для режущих инструментов

Стали для режущих инструментов стоят достаточно дорого, поэтому создавать из них изделия сможет не каждый. Обычно некоторые части инструментов делают из конституционной стали, например, пластины или лезвия.

Сталь данного вида, в свою очередь, подразделяется на следующие подвиды:

углеродистые инструментальные сплавы (обычно содержат 0,5-1,3% углерода, распространены для использования в процессе производства);
легированные инструментальные (из них можно изготовить фрезы, сверла и протяжки);
быстрорежущие (могут создавать изделия с теплостойкостью до -660 градусов).

Стали для измерительных инструментов

Сталь для измерительных инструментов должны иметь стабильную форму и размеры в процессе изменения и хранения. Также ее поверхность должна быть идеально гладкой, хорошо обрабатываться и шлифоваться.

Такая сталь бывает углеродистой и легированной при помощи хрома, никеля и других элементов. Для повышения устойчивости к износу и улучшения качества поверхности изделия цементируют и закаливают. Сталь по-прежнему востребована при изготовлении самых современных измерительных инструментов.

Штамповые стали

Штамповая сталь отличается твердостью, устойчивостью к температурным перепадам и прокаливаемостью. Она должна быть износостойкой и иметь постоянную форму. К ним этому виду относятся следующие сплавы:

штамповки холодным методом (кроме твердости, устойчивости к износу, стабильности габаритов и формы добавляются высокий уровень вязкости и устойчивость к температурным перепадам; они могут работать в условиях ударов и высокого уровня давления; производятся на основе лигатур с хромом и другими элементами);
штамповки горячим методом (они должны быть повышенной прочности и вязкости при нагревании до 500 градусов и высокой теплопроводности для того, чтобы избежать перегрева; они подвергаются процедуре легирования при помощи хрома, никеля, ванадия и т.д.).

Валковые стали

При помощи валковой стали производятся прокатные станы, матрицы, пуансоны, лезвия для работы с металлическими изделиями. С их помощью также можно изготовить комплектующие для горного и бумагоделательного оборудования.

Основные требования к валковой стали:

высокий уровень прокаливаемости для прочности изделия (закалку стали проводят медленно, опуская ее в масло для охлаждения);
высокая устойчивость к износу (она позволяет долго и бесперебойно работать всему прокатному стану, обеспечивает стабильные параметры);
контактная прочность (она должна быть больше напряжения, которое возникает в ходе процесса, с учетом нагрузки от сопротивления и массы устройства).

Обозначение сталей с легирующими элементами

Далее сложнее, так как вступает в игру легирующий состав. Ниже покажем таблицу – буквенное сочетание:

Литера в маркировке	Знак химэлемента	Наименование
Х	Cr	Хром
С	Si	Кремний
Т	Ti	Титан
Д	Cu	Медь
В	Wo	Вольфрам
Г	Mn	Марганец
Ф	W	Ванадий
H	Ni	Никель
K	Co	Кобальт
M	Mo	Молибден

Покажем на примере определенной марки: Первая цифра всегда указывает на количество сотых частей углерода. Затем перечисляются буквенные обозначения, которые отвечают за добавки. Если рядом с ним не стоит буква, значит этого компонента меньше, чем 1%. Сзади самая последняя буква (в примере не указана) может быть «А» или «Ш» – это высококачественная или особовысококачественная сталь, соответственно.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Достоинства стали:

Прочность, твердость.
Вязкость, упругость.
Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
Износостойкость, долговечность.
Распространенность сырья.
Простота, рентабельность производства.
Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Плюс ценовая доступность продукции.

Недостатки материала:

Массивность.
Беззащитность перед коррозией.
Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.