Стандартные стали: состав, свойства и применение

Источник изображения: Shutterstock/CHIARI VFX

Сталь — общее название для большой семьи железо-углеродистых сплавов, ковких в определенном температурном диапазоне сразу после застывания из расплава.

Основные сырьевые материалы: железная руда, уголь, известняк. В доменной печи превращаются в «чугун» с высоким содержанием C, Mn, S, P, Si. Чугун твердый, ломкий, непригодный для прямой обработки в ковкие формы. Стальплавка — процесс очистки чугуна, железа и лома от нежелательных элементов и добавления желаемых в заданных количествах. Основная реакция — взаимодействие углерода с кислородом с образованием газа. Если растворенный кислород не удален перед или во время литья, газы продолжают выделяться при застывании. При сильной деоксидации деоксидизаторами газ не выделяется, сталь «успокаивается» в формах — «убитая». С уменьшением деоксидации: «полуубитая», «покрытая», «краевая». Степень деоксидации влияет на свойства. В жидкой стали также растворены водород и азот. Для критичных применений используют специальную деоксидацию и вакуумную обработку для контроля газов.

Углерод в обычных марках — от сотых долей до ~1%. Всегда присутствуют Mn (деоксидизатор, облегчает горячую обработку), Si, P, S (даже в следах). Другие элементы — как остаточные (из сырья/технологии), так и легирующие для изменения свойств.

Сталь можно лить в форму, или слиток/струйку перегревают и горяче деформируют прокатом, ковкой, экструзией в прокатный профиль. Кованая сталь — самый 널리 используемый конструкционный материал, предлагающий множество форм, отделок, прочностей и температурных диапазонов. Никакой другой материал не дает сравнимой универсальности для проектирования.

Классификация стандартных сталей

Кованая сталь систематически классифицируют по химическому составу, практике деоксидации, способу отделки или форме продукта. Химический состав — наиболее частая основа для стандартных обозначений. Хотя углерод — главное закаляющее/укрепляющее элемент, ни один элемент не контролирует характеристики в одиночку. Комбинированное действие нескольких элементов влияет на реакцию на термообработку, твердость, прочность, микроструктуру, коррозионную стойкость, формовочность. Стандартные стали делятся на три основные группы: углеродистые, легированные, нержавеющие.

Углеродистые стали

Сталь считается углеродистой, если Mn ≤ 1,65%, Si ≤ 0,60%, Cu ≤ 0,60%. За исключением деоксидизаторов и бора (при указании), другие легирующие элементы не добавляют намеренно, но могут присутствовать как остаточные. Если остаточные элементы вредны для специальных применений, устанавливают пределы. В отличие от большинства легированных сталей, углеродистые чаще всего используют без заключительной термообработки; однако их могут отжигать, нормализовать, цеменить, закаливать с отпуском для улучшения технологических или механических свойств. Углеродистые стали могут быть убитыми, полуубитыми, покрытыми, краевыми; при необходимости указывают метод деоксидации.

Легированные стали

Легированные стали включают не только марки, превышающие пределы элементов для углеродистой стали, но и любые марки, куда добавляют другие элементы в определенных диапазонах/минимумах для улучшения механических свойств, технологичности или других атрибутов. По этому определению легированные стали охватывают все стали, кроме углеродистых; однако по условности стали с >3,99% Cr считаются «специальными типами» легированных сталей, включая нержавеющие и многие инструментальные.

В техническом смысле термин «легированная сталь» зарезервирован для сталей с умеренным содержанием легирующих элементов (~1–4%), которые в основном зависят от термических обработок для развития специфических механических свойств. Легированные стали всегда убитые, но для критических применений могут указывать специальные практики деоксидации или плавки, включая вакуумную. Легированные стали требуют дополнительной осторожности при производстве из-за большей чувствительности к термическим и механическим операциям.

Нержавеющие стали

Нержавеющие стали — высоколегированные, с превосходной коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистыми и обычными низколегированными, благодаря большому содержанию хрома. Другие элементы также повышают коррозионную стойкость, но их полезность в этом отношении ограничена.

Нержавеющие стали обычно содержат ≥10% Cr, с или без других элементов. В США принято включать в классификацию нержавеющих сталей и те, что содержат всего 4% Cr. Вместе они образуют семейство нержавеющих и теплостойких сталей, некоторые из которых обладают очень высокой прочностью и окислительной стойкостью. Мало nào содержат >30% Cr или <50% Fe.

В широком смысле стандартные нержавеющие стали делятся на три группы по структуре: аустенитные, ферритные, мартенситные. В каждой группе есть базовый универсальный состав. Все остальные производятся из базового с конкретными вариациями для получения специфических свойств.

Аустенитные марки в отожженном состоянии немагнитны, хотя некоторые могут стать слегка магнитными после холодной деформации. Закаляются только холодной деформацией, не термически. Сочетают выдающуюся коррозионную и тепловую стойкость с хорошими механическими свойствами в широком диапазоне температур. Аустенитные марки делятся на две подгруппы: хромо-никелевые и менее используемые хромо-марганцево-никелевые с низким Ni. Базовый состав хромо-никелевой группы известен как 18-8 (Cr-Ni) — универсальная аустенитная марка. Она база для >20 модификаций: изменение соотношения Cr/Ni для формовочности; снижение C для предотвращения межкристаллитной коррозии; добавление ниобия или титана для стабилизации; добавление молибдена или увеличение Cr и Ni для улучшения коррозионной/окислительной стойкости.

Стандартные ферритные марки всегда магнитны, содержат Cr, но не Ni. Могут быть упрочнены холодной деформацией, но не термически. Сочетают коррозионную и тепловую стойкость с умеренными механическими свойствами и декоративной привлекательностью. Ферритные марки ограничены более узким диапазоном коррозионных условий, чем аустенитные. Базовая ферритная марка — 17% Cr. В серии есть свободно режущиеся модификации и марки с повышенным Cr для честостойкости. Также в ферритной группе есть 12% хромовая сталь (база мартенситной группы) с добавками Al или Ti для предотвращения закалки.

Стандартные мартенситные марки магнитны и закаляются закалкой с отпуском. Содержат Cr и, с двумя исключениями, не Ni. Базовая мартенситная марка обычно 12% Cr. В мартенситной серии >10 стандартных составов: некоторые модифицированы для режущей способности, другие с малыми добавками Ni или других элементов для улучшения механических свойств или реакции на термообработку. Есть с сильно повышенным C (в диапазоне инструментальных сталей), закаляемые до высших уровней среди нержавеющих сталей. Мартенситные марки отлично подходят для мягких сред (атмосфера, пресная вода, пар, слабые кислоты), но не устойчивы к сильно коррозионным растворам.

Нумерационные системы металлов и сплавов

Существует несколько нумерационных систем, разработанных торговыми ассоциациями, инженерными обществами, стандартизационными организациями, частными отраслями. Числовой код может не относиться к спецификации (техническим и коммерческим требованиям). Системы: AISI, SAE, ASTM, ANSI, Steel Founders Society, ASME, AWS, Aluminum Association, Copper Development Association, US DoD (военные спецификации), General Accounting Office (федеральные спецификации).

Единая нумерационная система (UNS) разработана ASTM и SAE совместно для корреляции разных систем идентификации металлов и сплавов с коммерческим статусом. Избегает путаницы, когда один материал имеет несколько номеров или один номерassigned разным материалам. Важно: номер UNS — не спецификация, а идентификационный номер для металлов/сплавов, для которых детальные спецификации даны где-то еще. Номера UNS в Таблице 1: буква-префикс + 5 цифр. Буква иногда указывает семейство: A — алюминий, C — медь. По возможности номера UNS содержат последовательности из других систем для облегчения идентификации; например, UNS для AISI 1020 — G10200. UNS номера, соответствующие распространенным AISI-SAE для углеродистых, легированных и инструментальных сталей, в Таблице 2.

Резюме

Статья описывает основные типы стандартных сталей. Узнайте больше о свойствах материалов из «Справочника механика», 30-е издание, издаваемом Industrial Press на Amazon.

Для поиска поставщиков стали посетите платформу Thomas Supplier Discovery, где можно найти источники поставки для более чем 70 000 категорий продуктов и услуг.