Стали

1. Классификация сталей.

В настоящее время нет единой классификации специальных сталей. Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

Рассмотрим классификацию сталей по наиболее общим признакам.

По химическому составу стали, и сплавы черных металлов условно подразделяют на углеродистые (нелегированные) стали, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные стали, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентированных для примесей соответствующими ГОСТами.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных — от 2,5 до 10 %, в высоколегированных — более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.

В зависимости от наличия тех  или иных легирующих элементов стали  называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, хромованадиевыми, никельмолибденовыми, хромоникельмолибдено- выми, хромомолибденованадиевыми, хромокремнемарганцовоникелевыми и т. п.

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

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и стали и сплавы с особыми свойствами — теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.

Внутри указанной классификации  существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам.

Классификация сталей по структуре  в значительной степени условна.

 

По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтект о и д н ы е.

Легирующие элементы изменяют, содержание углерода к эвтектоиде по отношению к его положению в углеродистой стали. Поэтому в зависимости от сочетания легирующих элементов положение эвтектоидной точки может быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (~900°С). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

Перлитные и бейнитные стали  чаще всего бывают углеродистыми и низколегированными, мартенситные - легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные, как правило, высоколегированные. Однако такая связь между структурой и легированностью стали далеко неоднозначна. Наряду с перечисленными могут быть смешанные структурные классы: феррито-перлитный, феррито-мартенситный, аустенито-ферритный, аустенито-мартенситный. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 % феррита (как второй структуры).

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.

	Р	S
Обыкновенного качества . .	. 0,040	0,050
Качественная	0,035	0,035
Высококачественная .	. 0,025	0,025
Особовысококачественная .	. 0,025	0,015

Главными качественными признаками стали являются более жесткие  требования по химическому составу  и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфора и серы. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы, % (не более), в сталях разной категории качества:

 

 

 

 

 

 

 

Категория обыкновенного качества может относиться только к углеродистым сталям. Все остальные категории  качества могут относиться к любым  по степени легирования сталям.

Наряду с приведенными классификациями  по общим признакам, относящимся  к разным сталям, существуют более  частные классификации определенных групп сталей, которые будут рассмотрены  в соответствующих частях.

 

2. Маркировка сталей.

Углеродистые конструкционные  качественные стали обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; 85).

Для сталей, полностью не раскисленных (при С< 0,20 %), в обозначение добавляются индексы: кп — кипящая сталь, пс — полуспокойная сталь (например, 15кп, 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается. Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У7; У8; У9; У10; У11; У12; У13).

В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами: А — азот, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Ф — ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ю — алюминий.

Цифры после буквы в обозначении  марки стали показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) долях процента.

Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42— 0,50 % С; 0,5—0,8 % Мn; 0,8—1,0 % Сr; 1,3—1,8 % Ni; 0,2—0,3 % Мо и 0,10—0,18 % V, обозначается маркой 45ХН2МФ. Инструментальная сталь (штамповая) состава: 0,32—0,40 % С; 0,80—1,20 % Sі; 0,15—0,40 % Мn; 4,5—5.5%

Сr; 1,20—1,50 % Мо и 0,3—0,5 % V обозначается 4Х5МФС.

Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях 1 % и более, то цифру в начале марки иногда вообще не ставят (например, X, ХВГ).

Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачественной (ЗОХГСА), если та же буква в середине марки — то сталь легированна азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь автоматная повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис в конце марки буквы «Ш» (З0ХГС-Ш или З0ХГСА-Ш).

Сталь, не содержащая в конце марки  букв «А» или «Ш», относится к категории качественных (З0ХГС).

В марках быстрорежущих сталей вначале  приводят букву «Р», за ней следует  цифра, указывающая содержание вольфрама. Во всех быстрорежущих сталях содержится около 4 % Сr, поэтому в обозначении марки буквы «X» нет. Ванадий, содержание которого в различных марках  колеблется в пределах от 1 до 5 %, обозначается, в марке, если его среднее содержание 2,0 % и более. Так как содержание углерода в быстрорежущих сталях пропорционально количеству ванадия, то содержание углерода в маркировке стали не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или кобальт, количество указывается в марке.

Например, сталь состава: 0,7—0,8 % С; 3,8—4,4 % Сr; 17,0 - 18,5 % W; 1,0—1,4 % V обозначается маркой Р18, а сталь: 0,95—1,05 % С;3,8—4,4 % Сr; 5,5—6% W; 4,6— 5,2 % Mo; 1.8—2,4 % V и 7,5—8,5 %

Со обозначается Р6М5Ф2К8.

Высоколегированные стали сложного состава иногда обозначают упрощенно  по порядковому номеру разработки и  освоения стали на металлургическом заводе. Перед номером стали ставят индексы «ЭИ», «ЭП» (завод «Электросталь»).

Например, упомянутая быстрорежущая  сталь Р6М5Ф2К8 упрощенно обозначается ЭП658, а жаропрочная 37Х12Н8Г8МФБ —  ЭИ481.Маркировка марок жаропрочных  и жаростойких сплавов на железоникелевой и никелевой основах состоит только из буквенных обозначений элементов, за исключением никеля, после которого указывается цифра, обозначающая его среднее содержание в процентах.

Например, сплав состава: 0,12 % С; 14,0—16,0 % Сr; 34,0 - 38,0 % Ni; 1,1 —1,5 % Ті; 2,8—3,5 % остальное Fe обозначается ХН35ВТ (ЭИ612), а сплав < 0,07 % С; 19,0 - 22,0% Сr; 2,4—2,8 % Ті; 0,6—1,0 % Аl; 4,0% Fe; остальное — Ni обозначается ХН77ТЮР (ЭИ437).

Принятая  система маркировки наглядна и проста. В других странах применяют другие принципы обозначения сталей.

Так, буквенно-цифровая система используется в ВНР, ВНР, ПНР, ГДР, ФРГ, Италии, Франции  и других странах. В ряде стран применяют цифровое обозначение марок сталей.

 

3. Отпускная хрупкость стали.

 

Конструкционные стали, подвергаемые закалке и отпуску, имеют склонность к отпускной хрупкости.

После отпуска при определенных температурах и условиях наблюдается повышение температуры вязко-хрупкого перехода (рис 1). На многих сталях охрупчивание наблюдается и по снижению ударной вязкости (рис 2). Однако изменение температуры перехода является более надежным критерием склонности стали к отпускной хрупкости. Различают два рода отпускной хрупкости.

 

                                           

Рис. 1. Влияние температуры испытания на переход стали 37ХНЗА из вязкого состояния в хрупкое (В. Д. Садовский, А. В. Смирнов, Е. Н. Соколков):

1—закалка; сталь склонна к отпускной хрупкости; 2 —ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

Рис. 2. Влияние температуры отпуска стали 37ХНЭА на ударную вязкость и твердость (В. Д. Садовский, Л. В. Смирнов, Е. Н. Соколков):

/_ закалка; сталь склонна к  отпускной хрупкости; 2 — ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

Отпускная хрупкость I рода, или необратимая, проявляется при отпуске около 300 °С, и отпускная хрупкость II рода, или обратимая, обнаруживается после отпуска выше 500 °С.

Необратимая отпускная хрупкость (I рода) присуща практически всем сталям, углеродистым и легированным, после отпуска в области температур 250—400 °С. Повторный отпуск при более высокой температуре (400—500 °С) снимает хрупкость, и сталь становится к ней не склонной даже при отпуске вновь в район опасных температур. В связи с этим эта хрупкость получила название необратимой. Этот род хрупкости не зависит от скорости охлаждения после отпуска.

Легирующие элементы, за исключением кремния, не влияют существенно на развитие хрупкости I рода. Кремний сдвигает интервал развития хрупкости в область более высоких температур отпуска (350—450 °С). Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) уменьшает склонность к отпускной хрупкости (см. рис. 2). На практике для исключения охрупчивания стали избегают проведения отпуска в области опасных температур.

Хотя природа необратимой отпускной хрупкости стали окончательно не установлена, считается, что наиболее вероятной причиной охрупчивання является выделение карбидных фаз по границам зерен на начальных стадиях распада мартенсита. Вследствие этого создается неоднородное состояние твердого раствора, возникают пики напряжений, и сопротивление разрушению по границам заметно меньше, чем по телу зерна, происходит межкристаллитное разрушение (В. И. Саррак, Р. И. Энтин).

Обратимая отпускная хрупкость (II рода) в наибольшей степени присуща легированным сталям после высокого отпуска при 500—650 °С и медленного охлаждения от температур отпуска. При быстром охлаждении после отпуска (в воде) вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска. Отпускная хрупкость усиливается, если сталь длительное время (8— 10 ч) выдерживается в опасном интервале температур.

Отпускная хрупкость II рода может быть устранена повторным высоким отпуском с быстрым охлаждением и вызвана вновь высоким отпуском с последующим медленным охлаждением. Поэтому такую отпускную хрупкость называют обратимой. Развитие обратимой отпускной хрупкости не сопровождается какими-либо изменениями других механических свойств, а также видимыми при световой и электронной микроскопии структурными изменениями. Лишь при травлении шлифов поверхностно-активными реактивами наблюдается повышенная травимость по границам аустенистных зерен. По этим границам происходит и межзеренное хрупкое разрушение.

Легирование стали Cr, Ni, Mn усиливает отпускную хрупкость. Особенно сильно охрупчивается сталь при совместном легировании Сr+Ni, Сr+Мn, Сr + Мn+Si и др.

Введение до 0,4—0,5% Мо и до 1,2—1,5% W уменьшает, а иногда полностью подавляет склонность стали к обратимой отпускной хрупкости; при более высоком содержании этих элементов хрупкость вновь усиливается.

Исследованиями этими же методами выявлена значительная сегрегация на границах зерен легирующих элементов (хрома, никеля, марганца и др.), которые значительно увеличивают термодинамическую активность примесей и их приток к границам. Молибден и вольфрам при оптимальных содержаниях не сегрегируют к границам. Вследствие падения поверхностной энергии межзеренного сцепления более чем на порядок происходит разрушение стали по границам аустенитных зерен.

Разработаны и нашли широкое практическое применение методы борьбы с обратимой отпускной хрупкостью:

1. Легирование стали молибденом (0,2—0,4%) или его аналогом вольфрамом в количестве, в три раза большем (0,6-1,2 %).

2. Ускоренное охлаждение (вода или масло) после высокого отпуска.

3. Снижение содержания вредных примесей, особенно фосфора.

Необходимо также отметить, что применение вместо обычной закалки высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) позволяет подавить склонность как к необратимой, так и к обратимой отпускной хрупкости (см. рис. 2). Причина такого влияния ВТМО состоит в том, что при такой обработке увеличивается протяженность границ благодаря образованию зубчатых большеугловых границ и развитой структуры, вследствие чего уменьшается сегрегация примесей и возрастает прочность межзеренного сцепления.

 

4. Старение стали.