Классификация и удельный вес разных видов стали

Сталь — деформируемый сплав небольшого количества углерода (менее 2%) с железом и другими химическими элементами. Это широко распространённый материал, используемый практически во всех промышленных отраслях. Удельный вес стали обусловлен ее типом, который формируется согласно назначению и химическим составляющим металлического сплава.

Классификация и свойства сталей

Сталь имеет множество свойств, так как является конструкционным материалом. Основным из них является прочность: сплав способен переносить достаточную напряженность в условиях эксплуатации. Среди прочих характеристик выделяют:

• пластичность — устойчивость к немалым деформациям без деструкции при изготовлении конструкций и в точках перегруженности при их эксплуатировании;
• вязкость — способность вбирать усилия наружных силовых воздействий, препятствуя расширению разрывов;
• трещиностойкость;
• твердость;
• упругость;
• хладостойкость;
• жаропрочность.

Классифицируют стали по их микроструктуре, содержанию химических элементов, типу и методу изготовления, области применения. Каждая классификация включает в себя множество моментов, характеризующих этот материал.

Химический состав

По химической совокупности сплавы делятся на углеродистые и легированные. Первые классифицируются в соответствии с содержащимся процентом углерода:

• малоуглеродистые — до 0,3%;
• среднеуглеродистые — 0,3−0,7%;
• высокоуглеродистые — от 0,7%.

Технологические параметры металла совершенствуются путем легирования. Сплавы, которые, помимо естественных ферропримесей, содержат внедренные с определенной целью элементы, называются легированными. Обычно сталь обогащается такими химическими элементами:

• молибденом;
• вольфрамом;
• хромом;
• алюминием;
• никелем;
• барием;
• ванадием;
• таллием;
• марганцем;
• кремнием.

Более весомое улучшение свойств сплава достигается при комплексном подходе к легированию. Легированные сплавы классифицируются по своей химической структуре. В зависимости от процентного содержания добавленных элементов выделяются следующие составы:

• низколегированные — до 2,5%;
• среднелегированные — 2,5−10%;
• высоколегированные — от 10%.

Структурные особенности

В соответствии с микроструктурой сплавы и стали, получающиеся при отжиге, разделяются на карбидные или ледебуритные, ферритные, заэвтектоидные, доэвтектоидные, аустенитные. В нормальных условиях производятся перлитные, мартенситные, аустенитные.

Перлитные представлены углеродистыми и легированными образцами с небольшим значением легирующих долей, мартенситные — с уже более высоким содержанием подобных компонентов. Самый высокий процент дополнительных составляющих — у аустенитных сталей.

Содержание примесей

По качеству, а именно по технологии разработки и наличию добавок, металлы распределяются по четырем категориям. Существуют стали рядового (обычного) качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные:

• Сплавы обыкновенного качества выплавляются в конвертерах с использованием кислорода или огромных мартеновских печах и, согласно химической структуре, относятся к среднеуглеродистым с содержанием углерода до 0,6%. Рядовое качество изготовления относит сплавы в разряд дешевых материалов с низкими показателями механических характеристик, по сравнению с другими категориями. Наличие серы — до 0,06%, фосфора — до 0,07%. Известные следующие марки подобной стали: Ст5кп, СтО.
• Стали качественные выплавляют по аналогии в конвертерах или печах, но с соблюдением более жестких требований к структуре шихты, способам плавления и разливки. По химическому составу выделяются углеродистые или легированные материалы. Сера содержится в количестве не более 0,04%, фосфор — до 0,03%. Известные марки — 20кп, 08кп.
• Высококачественный класс сталей поддается процессу переплавки, главным образом в электрических печах с электрошлаковым переплавом или иными технологическими приемами, обеспечивающими высокую чистоту. Содержание неметаллических добавок представлено наличием серы в объёме до 0,04%, фосфора — до 0,03%, а также отсутствием газовых примесей. За счёт этого повышаются механические показатели. Распространённые марки — 15Х2МА, 20А.
• Особовысококачественные сплавы, благодаря электрошлаковой переплавке, эффективно очищаются от оксидов и сульфидов. Такая категория стали выплавляется лишь легированной. Производится она с помощью электрических печей методами электрометаллургии. Содержание серы — менее 0,01%, фосфора — 0,025%. Известные марки — 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.

Разделение по применению

Поскольку себестоимость стали отличается относительно небольшими показателями, а масштабы изготовления, напротив, доходят до очень крупных значений, сфера применения материала обширна и многообразна. По применению стали и их сплавы подразделяют на конструкционные, инструментальные, стали со специальными физическими и химическими характеристиками. Конструкционные стали делятся на такие виды.

• Строительные — низколегированные и углеродистые, обычного качества. Одно из главных технических свойств — высокая свариваемость. Марки: С390К, С440Д, С255.
• Стали для холодной штамповки — качественные низкоуглеродистые марки 08кп, 08Ю в виде листового проката.
• Шарикоподшипниковые — высокоуглеродистые марки стали с добавлением хрома, имеют высокопрочные и износоустойчивые характеристики (ШХ15, ШХ9).
• Улучшаемые стали — со средним содержанием углерода (марки — 35, 45, 50), хромистые (40Х, 50Х), хромистые с бором (ЗОХРА), кремнием и марганцем, никелем, никелем и молибденом. С помощью термической закалки и высокого отпуска повышаются механические характеристики сплавов.
• Автоматные — сплавы с добавлением серы, теллура, селена и свинца, что приводит к созданию хрупкой микростружки и сокращает трение резца и металлической стружки. Находят применение при массовом изготовлении шпилек, гаек, винтов на автоматических металлообрабатывающих станках. Марки стали: А12, А20, А40Г, АС11.
• Цементируемые — малоуглеродистые (15, 25) и легированные сплавы (15Х, 15ХФ, 20ХН, 12ХНЗА). Применяются для производства деталей, подверженных поверхностному перенапряжению и переносящих динамические допнагрузки.
• Высокопрочные — среднеуглеродистые легированные стали (3ОХГСН2А, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ), которые посредством подбора химической структуры и термообработки обладают пределом прочности, в 2 раза превышающим этот показатель у простых конструкционных.
• Пружинно-рессорные — это углеродистые стали марок 65, 70 и сплавы, легированные кремнием, хромом, вольфрамом, марганцем, ванадием и бором, что способствует повышению их предела упругости (50ХГС, 60С2, 60С2ХФА, 55ХГР). Обладают длительной упругостью и способностью к сопротивлению деформации и усталости.
• Износостойкие — используются в производстве деталей, эксплуатируемых в среде абразивных соприкосновений, высокого давления и столкновений (110Г13Л).
• Жаропрочные, жаростойкие — стали с малым количеством углерода (0,1−0,45%), а также легированные кремнием, хромом, никелем, кобальтом и другими компонентами. В обязательном порядке в структуре сплава содержатся марганец и никель, последний гарантирует необходимое увеличение предела долгосрочной коррозийной прочности при небольшом повышении предела текучести и краткосрочного противодействия. Находят применение в производстве клапанных, газотурбинных и паротурбинных звеньев различных механизмов, труб.

Согласно применению, инструментальные сплавы подразделяют на сплавы для режущего и измерительного инструмента, штамповые. При производстве резального инструмента прибегают к использованию углеродистых, инструментальных, легированных, быстрорежущих сплавов.

Наличие углерода в углеродистых инструментальных сплавах — 0,65−1,32%, распространенные марки — У7, У13, У7А, У13А. К этой категории условно причисляют сплавы с малыми долями легирующих компонентов, так как они имеют небольшие различия.

Легированные инструментальные стали в своей химической структуре имеют от 1 до 3% примесей. Широко применяются марки 9ХС, ХВГС для изготовления зенкеров, сверл крупных диаметров, фрез, ХВГ (протяжек, разверток). Инструменты резки, работающие на высокой скорости, изготавливают из быстрорежущих сталей, имеющих высокую теплостойкость. Наиболее используемые марки — Р9, Р6М5, Р9Ф5, РЮК5Ф5.

При производстве измерительных приборов используют марки У8−12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Сплавы обладают твердостью, износостойкостью и стабильностью линейных параметров. Шкалы измерительных приборов, линейки и скобы производят из листовой стали 15. Сплавы подвергают предварительной термообработке, способствующей повышению качества механических характеристик. Критерии, которые предъявляются к штамповым сталям:

• высокая твердость;
• теплостойкость;
• износоустойчивость;
• прокаливаемость.

Показатели удельной массы

Физическая величина плотности или удельной массы стали составляет 7,8 г на 1 см³ объема. Для расчета удельной массы металлопроката существует специальный калькулятор. Удельная масса общераспространенных видов, в граммах на кубический сантиметр:

• 12Х18Н10Т, нержавеющая конструкционная криогенная — 7,9;
• 08Х18Н10Т, нержавеющая коррозионно-стойкая жаропрочная — 7,9;
• 09Г2С, конструкционная низколегированная — 7,85:
• 10,20,30,40, конструкционная углеродистая качественная — 7,85;
• Ст3сп, Ст3пс, конструкционная углеродистая — 7,87;
• 5ХНМ, инструментальная штамповая — 7,8;
• Х12МФ, инструментальная штамповая — 7,7;
• 65 Г, конструкционная рессорно-пружинная — 7,85;
• 30ХГСА, конструкционная легированная — 7,85.

Алюминий, марганец, углерод, хром имеют свойство понижать плотность сплавов. Кобальт, никель, вольфрам и медь, напротив, могут ее повысить.