Материаловедение

качеству (способу производства и содержанию примесей), и назначению.
По химическому составу

стали классифицируют на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на малоуглеродистые – менее 0,6% С; среднеуглеродистые – 0,6…0,7% С; высокоуглеродистые – более 0,7%С.
Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые и др. Классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов: низколегированные – менее 5%; среднелегированные – 5...10%; высоколегированные – более 10%.
Легированные стали и сплавы делятся на классы по структурному составу:
в отожженном состоянии – доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
в нормализованном состоянии – перлитный, мартенситный и аустенитный классы. К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному классу – с их более высоким содержанием, а к аустенитному – с высоким содержанием легирующих элементов.

и сплавы делятся на следующие группы:

S, менее, % P, менее, %
обыкновенного качества 0,050 0,040;
качественные 0,040 0,035;
высококачественные 0,025 0,025;
особо высококачественные 0,015 0,025.
Стали обыкновенного качества по химическому составу – углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Они выплавляются в кислородных конвертерах или в больших мартеновских печах. Наиболее дешевые, имеют низкие механические свойства, отличаются повышенными ликвацией и количеством неметаллических включений.
Стали качественные по химическому составу могут быть углеродистыми или легированными. Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.
Оба вида сталей по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делят на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так, в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

в электропечах с электрошлаковым переплавом или другими совершенными методами, что

гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств.
По назначению стали и сплавы делят на конструкционные, инструментальные стали и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

инструментальные. Первые в свою очередь делятся на
углеродистые конструкционные стали

обыкновенного качества и углеродистые конструкционные качественные стали.
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) содержит 0,06...0,49%С; 0,25...1,2%Mn; 0,05...0,3%Si. Cr, Ni и Cu должны быть ≤ 0,3% каждого, N – ≤0,01%, S – ≤0,05%, P – ≤0,04%. В равновесном состоянии эти стали имеют ферритно-перлитную структуру.
В маркировке этих сталей буквы Ст означают «сталь обыкновенного качества», цифры – условный номер марки в зависимости от нормируемых показателей (величин механических свойств). Чем больше условный номер стали, тем больше в ней содержание углерода и перлита и тем выше ее прочность и ниже пластичность.
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок: Ст0…Ст6. Стандартом предусмотрена также сталь с повышенным (0,8... 1,2%) содержанием марганца: Ст3Гпс, Ст3Гсп и Ст5Гпс. Наиболее распространенная сталь Ст3сп имеет σв=380...490 МПа, σ0,2= 210...250 МПа и δ = 25...22%, а Ст5сп – σв= 500...600 МПа, σ0,2= 240...280 МПа и δ = 20...17%. Дополнительными индексами в конце марки указываются степень раскисления и характер затвердевания стали (например, Ст3кп, Ст5пс, Ст6сп).

ИСО 630-80 и ИСО 1052-82

(сортового, фасонного различных профилей – балки, швеллеры, уголки, прутки), холоднокатаного

тонколистового проката, слитков, катаных и непрерывно-литых труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки и др.
Для многих конструкций и машин, работающих в северных районах, большое значение приобретает температура перехода стали в хрупкое состояние. Порог хладноломкости для случая полностью хрупкого излома наиболее распространенной мартеновской стали Ст3 (листовая сталь) находится для кипящей стали при 0°С и спокойной при –40 °С. Поэтому применение кипящей, а также полуспокойной стали для северных районов страны недопустимо. Понижение порога хладноломкости спокойной стали до -60…-100 °С возможно путем закалки и высокого отпуска (улучшения) или нормализации. Строительные конструкции и машины, предназначенные для работы в северных районах, следует изготовлять из спокойной, термически обработанной стали. Для мостовых сталей северного исполнения ограничивают содержание P и S (<0,03%Р, <0,025%S).

отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним

предъявляют более высокие требования по химическому составу: S<0,04%, P<0,035…0,04%, а также меньшее количество неметаллических включений, регламентированные макро- и микроструктура.
Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Низкоуглеродистые стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей (прокладок, шайб, капотов тракторов), элементов сварных конструкций и т.д. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий.
Стали 15, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормализованном виде. Стали поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки и предназначаются для менее ответственных деталей. Сталь хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Эти стали используют для цементуемых деталей, работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок (например, кулачковых валиков, рычагов, осей, втулок, шпинделей, вилок н валиков переключения передач, толкателей клапанов, пальцев рессор и многих других деталей автотракторного, сельскохозяйственного и общего машиностроения).

улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей (распределительные валы,

шпиндели, штоки, траверсы, плунжера и т. д.). Эти стали в нормализованном состоянии имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. После улучшения стали 40, 45, 50 имеют следующие механические свойства: в = 600…700, 0,2 = 400…600 МПа,  = 50…40%. Прокаливаемость сталей невелика. Критический диаметр после закалки в воде не превышает 10…12 мм (95% мартенсита). Их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости.
Стали 60, 65, 70, 80 и 85 обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска, или поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т. д.

твердые растворы замещения и внедрения, которые являются основной фазой всех

технических сплавов железа, в которых в большем или меньшем количестве находятся частицы карбидных, карбонитридных или (и) нитридных фаз.
Легирующие элементы, образующие с железом твердые растворы, влияют на температуры фазовых превращений. При анализе этих превращений в разных сплавах надо учитывать сродство вводимых легирующих элементов к углероду. По степени этого сродства легирующие элементы разделяют на карбидообразующие и некарбидообразующие. К числу карбидообразующих относятся Mn, Cr, W, Mo, Та, Nb, V, Zr, Ti, причем способность к образованию карбидов и устойчивость последних в указанном ряду возрастает слева направо. К числу некарбидообразующих относятся: Cu, Ni, Со, Si и Al.

и A4 и тем самым на протяженность области , и

соответственно, -фазы. Легирующие элементы в зависимости от влияния на полиморфизм железа разделяют на два основных и на два промежуточных класса.
К 1 классу относятся элементы, повышающие температуру A4 и снижающие температуру А3. При этом расширяется температурный интервал существования -фазы. Такую диаграмму называют диаграммой с открытой -областью. В этом случае при высоких концентрациях таких элементов полностью исключается    превращение (примеры системы Fe – Ni, Fe – Со и Fe – Mn). В определенном интервале концентраций сплавы при всех температурах будут аустенитными.

Диаграмма состояния сплавов с открытой -областью



и в том случае, когда область -фазы ограничена присутствием другой

фазы, например карбида Ме3С в сплаве Fe – С или нитрида в сплаве Fe – N. Такую диаграмму называют диаграммой с расширенной -областью. Она характерна для сплавов Fe – С; Fe – Ni; Fe – Cu и Fe – Zn.

Диаграмма состояния сплавов с расширенной -областью

А3, и снижение А4). Это изменение температур критических точек в

сплавах железа, может привести даже к тому, что -область будет полностью замкнутой, а область -фазы сильно расширенной (примеры: системы Fe – Cr и Fe – V). При достаточно высоких содержаниях легирующих элементов существуют ферритные сплавы, которые не претерпевают полиморфных превращений при изменении температуры.

Диаграмма состояния сплавов с суженной -областью

Диаграмма состояния сплавов с замкнутой -областью

15Х, 40ХФА, 12ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХГТ и т. д.).
Двузначные цифры,

приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент:
А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен,
К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний,
Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – РЗМ, Ю – алюминий.
Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает, что оно составляет ~1…1,5% и менее. Основная масса легированных конструкционных сталей выплавляется качественными (не более 0,035% серы и фосфора, каждого).
Высококачественные стали содержат меньше вредных примесей (<0,025%S и <0,025%Р), что обозначают буквой А, помещенной в конце марки.

Ni, Si и Mn. Содержание углерода в этой группе сталей

обычно не превышает 0,5…0,6%.
В зависимости от содержания легирующих элементов стали подразделяются:
низколегированные – до 2,5% легирующих элементов;
среднелегированные – 2,5…10% легирующих элементов;
высоколегированные – свыше 10% легирующих элементов.
Низкоуглеродистые и низколегированные стали в горячекатаном состоянии или после нормализации применяют для сварных конструкций, магистральных нефте- и газопроводов и реже для изготовления деталей для машиностроения (примеры: 19Г, 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД). Они обычно не подвергаются термической обработке, имеют более высокое значение пределов прочности и текучести при сохранении хорошей пластичности, по сравнению с углеродистой сталью обыкновенного качества.
Эти стали подвергают цементации. После цементации, закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает высокую твердость и износостойкость, а сердцевина сохраняет вязкость. Цементуемые стали используют для изготовления шестерен, втулок, и др. деталей, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Цементации подвергают хромистые, хромованадиевые, хромомарганцевые и хромоникелевые стали (15Х, 20Х, 20ХФ, 18ХГТ, 20ХГНР, 12ХН4А, 18Х2Н4ВА).
Закалка и отпуск после цементации проводятся с целью устранения сетки цементита в поверхностном слое, которая вызывает хрупкость.

используют для изготовления пружин и рессор (65Г, 50С2, 55С2А, 70СЗА,

60С2ХФА, 60С2ВА).

(σв до 2500 МПа). Представляют собой сплавы железа с Ni

(8…20%), а часто и с Co. Для протекания процесса старения добавляют также Ti, Be, Al, Nb, W, Mo. Упрочнение этих сталей достигается в результате получения мартенситной структуры после закалки и старения.
Наиболее широко применяется высокопрочная мартенситостареющая сталь Н18К9М5Т, содержащая <0,03%С; ~18%Ni; ~9%Со; ~5%Мо; ~0,7%Ti. Температура нагрева при закалке – 800…850°С, охлаждение на воздухе. После закалки сталь имеет в структуре безуглеродистый мартенсит, обладающий наряду с высокой прочностью, хорошей пластичностью и вязкостью. В закаленном состоянии сталь сравнительно легко обрабатывается давлением, резанием и хорошо сваривается.
После закалки проводят искусственное старение при 480…520°С. Прочность повышается, пластичность и вязкость снижаются. Механические свойства после старения: σв = 1900…2100 МПа; σ0,2 = 1800…2000 МПа; δ = 8…12%. Упрочнение этой стали связано с выделением при старении мартенсита интерметаллидных фаз типа Ni3Ti, NiTi и Fe2Mo.
Мартенситостареющие стали используют для изготовления узлов и деталей конструкций, от которых требуется высокая удельная прочность в сочетании с большой эксплуатационной надежностью.

жаропрочные.
Коррозией называют разрушение металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия

их с внешней (коррозионной) средой. Электрохимическая коррозия возникает при действии на материалы кислот, щелочей, влаги или воды и представляет для деталей механизмов и конструкций наибольшую опасность.
Значительное увеличение коррозионной стойкости сталей достигается введением в ее состав повышенного количества Cr. Объясняется это тем, что при легировании стали хромом свыше 12,5% величина электрохимического потенциала стали смещается в положительную сторону. Это происходит вследствие образования тончайшей плотной пленки оксидов, которая защищает сталь от разрушения.
Кроме Cr, для увеличения стойкости против коррозии и улучшения качества стали добавляют и другие легирующие элементы (особенно Ni). Наилучшими коррозионными свойствами обладают хромистые и хромоникелевые стали (12Х13, 20Х13, 12Х18Н9, 20Х13Н4Г9).

с 13% Cr обладают лучшей стойкостью против коррозии только при

условии, что все содержание Cr в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае он образует на поверхности изделия плотную защитную оксидную пленку типа Cr2O3. Увеличение содержания углерода, приводящее к образованию карбидов, создает двухфазную структуру, уменьшает количество Cr в твердом растворе и поэтому понижает коррозионную стойкость стали.
Стали 12Х13 и 20Х13 применяют для клапанов гидравлических насосов, лопаток гидротурбин, предметов домашнего обихода и т.д. Стали 30Х13 и 40Х13 используются для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т.д. Эти стали подвергают закалке и низкому отпуску.
Более высокой коррозионной стойкостью обладают низкоуглеродистые высокохромистые стали 12Х17, 15Х25Т и 15Х28. Они относятся к ферритному классу, т.е. высокая концентрация Cr повышает критическую точку А3 и понижает А4, расширяя область α-Fe. Эти стали используют без термической обработки, т.к. при нагреве и охлаждении никаких изменений в структуре не происходит и она представляет собой твердый раствор легирующих элементов в феррите. Используют эти стали для оборудования заводов пищевой и легкой промышленности.

18 до 25% Cr и от 8 до 20% Ni.
Все

хромоникелевые стали благодаря высокому содержанию никеля относятся к аустенитному классу. Они обладают более высокими механическими и химическими свойствами.
Аустенитные стали имеют очень низкий порог хладноломкости и поэтому с успехом используются для конструкций, работающих при температурах до – 200°С (сталь 07Х21Г7АН5).
Для получения особо коррозионностойких материалов аустенитные стали дополнительно легируют медью или медью с молибденом, например, сталь 06Х23Н28МДТ.

высокой твердостью (НRС 60…65), прочностью и износостойкостью и применяемые для

изготовления различного инструмента. Структура после закалки и низкого отпуска – мартенсит + избыточные карбиды.
Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), т. е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы. Инструментальные стали подразделяют на три группы:
1) не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3…5%Сr),
2) полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6…0,7%С и 3…18%Сr) и
3) теплостойкие (высоколегированные стали, содержащие Сr, W, Мо, V, Со, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.

У (углеродистые); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т. д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная.
Легированные инструментальные стали X, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т. д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание <1%. Если содержание углерода ~1%, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры – содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента.
Быстрорежущие стали маркируют буквой Р. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама (в процентах). Среднее содержание ванадия в стали обозначают цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта – цифрой за буквой К и т. д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4% и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

должны иметь высокую твердость по режущей кромке (HRC 60…65), высокую

износостойкость, достаточную прочность при некоторой вязкости, и теплостойкость, когда резание выполняется с повышенной скоростью.
Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, поэтому их применяют для инструментов небольших размеров. Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла и др.) применяют заэвтектоидные стали (У10 и У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура – мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, топоры и т. п. изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обработки трооститную структуру.
Углеродистые стали в отожженном состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки У8…У12 – 760…810°С (для получения мартенситной структуры). Отпуск – 150…170°С (HRC 62…63).
Сталь У7 – закалка с температуры Ac3 + 30…50°С, отпуск – 275…325°С (HRC 48…58) или 400…500°С (HRC 44…48).
Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью, так как их твердость сильно снижается при нагреве выше 190…200°С.

только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью. Их

используют для инструмента, подвергаемого в работе нагреву не свыше 200…250°С. Структура этих сталей: после отжига – зернистый перлит (легированный феррит и карбид Mе3C) после закалки – мартенсит и карбиды Ме3C. Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большей прокаливаемостью. Инструменты из этих сталей можно охлаждать при закалке в масле и в горячих средах (ступенчатая закалка), что уменьшает деформацию и коробление инструмента.
Марки: Низколегированные стали 11Х (11ХФ) и 13Х.
Стали повышенной прокаливаемости Х, 9ХС и ХВСГ.
Вольфрамовые стали В2Ф и ХВ4 имеют очень высокую твердость и применяются для пил (по металлу) и граверных инструментов. Сталь В2Ф содержит в структуре карбид VC.

при нагреве до 600…620°С, поэтому применение их позволяет повысить скорость

резания в 2…4 раза и стойкость инструмента в 10…30 раз по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.
Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, являются в первую очередь вольфрам и молибден. Сильно повышают теплостойкость (до 645…650°С) и твердость после термической обработки (HRC 67…70) кобальт и ванадий.
Составы широко применяемых быстрорежущих сталей:
Р18: С – 0,7…0,8; Cr – 3,8…4,4; W – 17,5…19; V – 1…1,4; Mo – 0,5…1
Р6М5: С – 0,8…0,88; Cr – 3,8..4,4; W – 5,5…6,5; V – 1,7…2,1; Mo – 5…5,5
Наиболее широко используют сталь Р6М5 с меньшим содержанием вольфрама. Стали Р12 и Р18 рекомендуется использовать при чистовом резании твердых сталей.

в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит и карбиды Ме6С,

Ме23С6, МеС, Mе3C. Основным карбидом быстрорежущей стали является Ме6С, в котором также растворен ванадий. В феррите растворена большая часть хрома; почти весь вольфрам (молибден) и ванадий находятся в карбидах. Количество карбидной фазы в стали Р18 достигает 25…30 и 22% в стали Р6М5.
Для снижения твердости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 840…860°С (сталь Р6М5 при 800…830°С).

отпуску. Температура закалки стали Р18 – 1270…1290°С, Р12 – 1225…1245°С,

Р6М5 – 1210…1230°С. Высокие температуры закалки необходимы для полного растворения вторичных карбидов и получения высоколегированного аустенита.
Во избежание образования трещин при нагреве применяют подогрев инструмента при 450°С и 800…850°С в течение 10…15 мин.
Структура после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит с 0,3…0,4%С, остатки избыточных карбидов и остаточный аустенит. Обычно содержание остаточного аустенита в стали Р18 составляет 25…30%, а в стали Р6М5 28…34%.

в мартенсит и дисперсионного твердения за счет частичного распада мартенсита

и выделения дисперсных карбидов.
В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Чтобы весь остаточный аустенит перешел в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют 3х­кратный отпуск. Продолжительность каждого отпуска 45…60 мин. Многократный отпуск повышает прочность быстрорежущей стали и снимает напряжения, созданные закалкой и превращением остаточного аустенита в мартенсит. Твердость стали после закалки составляет 62…63, и после отпуска HRC 63…65.