Основные характеристики, свойства и классификация стали

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%.