Классификация сталей по составу, назначению и другим характеристикам

Сталь — это смесь железа (Fe) (не менее 45%) с углеродом (C) (не превышающим 2,14%) и прочими химическими элементами.

Классификация металлов стали

Классификация сталей по назначению необходима для последующего использования, определения химического состава, качества и структуры. В зависимости от предназначения они делятся на конструкционные, устойчивые к коррозии (нержавеющие), инструментальные, теплостойкие и криогенные.

• Легированные металлы — это металлы, содержащие специально добавляемые элементы в определенных пропорциях, которые обеспечивают необходимые физические или механические свойства. Эти элементы называются легирующими. Обычно легирование повышает прочность и устойчивость к коррозии металла, а также снижает его хрупкость.
• Легированные металлы классифицируются по степени легирования на: низколегированные (с содержанием легирующих элементов до 2,5%); среднелегированные (с содержанием от 2,5 до 10%); высоколегированные (с содержанием от 10 до 50%).
• Конструкционные металлы — это металлы, используемые при производстве различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве, обладающие определенными механическими, физическими и химическими свойствами.
• Нержавеющие металлы — это легированные металлы, устойчивые к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.
• Инструментальные углеродистые металлы — это металлы с содержанием углерода от 0,7% и выше. Они характеризуются высокой твердостью и прочностью и используются для изготовления инструментов.
• Теплостойкие металлы — это типы металлов, предназначенные для эксплуатации при высоких температурах (не менее 30% от температуры плавления).

Классификация марок стали

По химическому составу металлы делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые металлы, в свою очередь, подразделяются по содержанию углерода на: низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3–0,55%) и высокоуглеродистые (0,6–2%).

Углеродистые металлы обычного качества

Углеродистые металлы обычного качества содержат углерод в пределах 0,06–0,49%. К этой группе относятся металлы следующих марок: М1, М2, М3, М4, М5, М6, М0. По химическому составу данный тип металла должен соответствовать стандарту 380-94, а производимый из него металлопрокат должен соответствовать общим техническим условиям стандарта 535-2005.

Наиболее часто для изготовления металлопродукции используется металл марки М3сп/пс1-5: из него изготавливают сортовой, фасонный, листовой и рулонный прокат, а также горячекатаные трубы.

Качественные углеродистые металлы

1. Низкоуглеродистые качественные конструкционные металлы (марки 08, 08кп, 08пс) используются при изготовлении листового проката. Они обладают мягкостью и хорошо поддаются обработке штамповкой, давлением и профилированием.
2. Качественные конструкционные металлы (марки 10, 15, 20, 25) применяются при изготовлении стальных труб и в машиностроении. Они обладают более высокой прочностью и устойчивостью к коррозии по сравнению с маркой М3.
3. Твердые качественные металлы (марки 30, 35, 40, 45) используются в машиностроении при изготовлении сильно нагруженных деталей машин. Эти марки металла обладают высокой износостойкостью и еще большей устойчивостью к коррозии.
4. Для улучшения свойств металлов часто применяется их легирование. Цель легирования — повышение прочности, устойчивости к коррозии, термостойкости, теплостойкости и т. д.
5. Легирование представляет собой процесс добавления примесей в состав материала для изменения его свойств.
6. Легированные металлы по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные (до 4%), среднелегированные (до 11%) и высоколегированные (более 11%).
7. В зависимости от технологии производства металлы могут содержать различное количество примесей. Уровень примесей определяет качество металла: обычное, качественное, высококачественное и особо высококачественное.
8. По структуре металлы делятся на аустенитные, ферритные, мартенситные, бейнитные, перлитные, двухфазные и многофазные.
9. Производство металла заключается в переработке чугуна, при которой в чугуне уменьшается концентрация углерода и других ненужных примесей.

Физические и химические свойства металла определяются его составом и структурой, которые зависят от присутствия и процентного содержания основных составляющих:

• Углерод — его присутствие увеличивает твердость и прочность металла, но снижает его пластичность.
• Сера — это вредная примесь, влияющая на хрупкость металла и снижающая его пластичность, прочность, износостойкость и коррозионную стойкость.
• Фосфор — это также вредная примесь, которая влияет на хрупкость металла при низких температурах.
• Феррит — это примесь, которая придает металлу мягкость и пластичность.
• Цементит — это примесь, придающая металлу твердость и хрупкость.
• Кремний и марганец, при содержании около 0,5–0,7%, практически не влияют на свойства металла.

Неподвергнутый обработке металл очень пластичен и может быть обработан путем деформации, такой как ковка, прокатка и штамповка.

Термическая обработка металла

Одной из ключевых особенностей металла является его способность изменять механические свойства после термической обработки. В процессе термической обработки металла, при его подогреве, выдержке и последующем охлаждении по определенным режимам, происходит изменение его структуры.

Существуют различные виды термической обработки:

• Отжиг металла — включает в себя нагрев металла до определенной температуры, выдержку при этой температуре в течение определенного времени и последующее охлаждение до окружающей температуры.
• Нормализация металла — процесс аналогичен отжигу, но отличается температурой нагрева металла и временем выдержки. В результате нормализации металл приобретает мелкозернистую, однородную структуру, а его твердость и прочность повышаются на 10-15% по сравнению с отжигом. Иногда нормализацию используют для подготовки металла к закалке.
• Закалка металла — это процесс нагрева металла до температуры изменения типа кристаллической решетки (критической температуры) с последующим быстрым охлаждением. Металл, пройдя закалку, становится более твердым, но при этом более хрупким и менее пластичным. Для уменьшения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки проводится отпуск.
• Отпуск металла — процесс термической обработки закаленного сплава или металла, включающий полигонизацию и рекристаллизацию. Цель отпуска — достижение более высокой пластичности и снижение хрупкости металла при сохранении приемлемого уровня его прочности. Для этого изделие подвергается нагреву с последующим медленным остыванием.

Чем больше содержание углерода в металле, тем выше его твердость после термической обработки.

Химико-термическая обработка металла

Химико-термическая обработка металла приводит к изменению химического состава его поверхностного слоя путем добавления различных химических веществ до определенной глубины поверхностного слоя. Основные цели этого типа обработки металла включают:

• Повышение твердости поверхности при сохранении высокой пластичности сердцевины;
• Уменьшение коэффициента трения;
• Увеличение износостойкости;
• Повышение устойчивости к усталости;
• Улучшение коррозионной стойкости.

Основные технологии химико-термической обработки металла включают:

• Цементация (C) — увеличивает твердость поверхности мягкого металла за счет увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.
• Азотирование (N) — повышает поверхностную твердость и износостойкость металла.
• Цианирование и нитроцементация (N + C) — одновременное обогащение поверхности металла углеродом и азотом. После цианирования и нитроцементации проводится закалка и низкий отпуск металла.
• Сульфатирование (S) — насыщение поверхности металла серой для улучшения приработки трущихся поверхностей деталей и уменьшения коэффициента трения.

Сертификация продукции изготавливаемой из металла

Продукция, изготовленная из металла (металлопрокат), обязательно подлежит сертификации. Металлопрокат может быть изготовлен из черного, легированного, нержавеющего металла, а также из меди, алюминия и других металлов. Использование конкретных типов металла для изготовления продукции регламентируется соответствующими ГОСТами или ТУ и определяется условиями применения металлопроката. Сертификат качества выдается производителем и подтверждает соответствие продукции действующим нормам: ГОСТам или ТУ.