Свойства, составы и применение стандартных сталей

Сталь — это общий термин для большого семейства сплавов железа и углерода, которые поддаются ковке в определенном диапазоне температур сразу после затвердевания из расплавленного состояния.

Основным сырьем, используемым в производстве стали, являются железная руда, уголь и известняк. Эти материалы превращаются в доменной печи в продукт, известный как «чушковый чугун», который содержит значительное количество углерода, марганца, серы, фосфора и кремния. Чугун твердый, хрупкий и непригоден для прямой обработки в кованые формы. Производство стали представляет собой процесс рафинирования чугуна, а также лома черных и стальных металлов путем удаления нежелательных элементов из расплава и последующего добавления желательных элементов в заранее определенных количествах. Основной реакцией в большинстве сталеплавильных производств является соединение углерода с кислородом с образованием газа. Если растворенный кислород не удалить из расплава до или во время заливки, газообразные продукты продолжают выделяться при затвердевании. Если сталь сильно раскислена добавкой раскисляющих элементов, газа не выделяется, и сталь называют «спокойной», потому что она спокойно лежит в формах. Повышение степени газовыделения (уменьшение раскисления) характерно для сталей, называемых «полуспокойными», «кэпированными» или «окантованными». Степень раскисления влияет на некоторые свойства стали. В дополнение к кислороду жидкая сталь содержит измеримые количества растворенных водорода и азота. Для некоторых критических применений стали могут использоваться специальные методы раскисления, а также вакуумная обработка для уменьшения и контроля содержания растворенных газов.

Содержание углерода в обычных сортах стали колеблется от нескольких сотых долей процента до примерно 1 процента. Все стали также содержат различные количества других элементов, главным образом марганца, который действует как раскислитель и облегчает горячую обработку. Кремний, фосфор и сера также всегда присутствуют, хотя и в следовых количествах. Другие элементы могут присутствовать либо в виде остатков, которые добавляются непреднамеренно, а в результате использования сырья или практики производства стали, либо в виде легирующих элементов, добавляемых для изменения свойств стали.

Стали можно отливать в заданную форму, или отлитый слиток или прядь можно повторно нагреть и подвергнуть горячей обработке путем прокатки, ковки, экструзии или других процессов в кованую форму. Кованые стали являются наиболее широко используемыми конструкционными материалами, предлагая множество форм, отделок, прочности и диапазонов рабочих температур. Никакой другой материал не предлагает сравнимой универсальности для дизайна продукта.

Стандартная классификация стали

Кованые стали можно систематически классифицировать на группы на основе некоторых общих характеристик, таких как химический состав, метод раскисления, метод отделки или форма продукта. Химический состав является наиболее часто используемой основой для идентификации и присвоения стандартных обозначений деформируемым сталям. Хотя углерод является основным упрочняющим и упрочняющим элементом стали, ни один элемент не влияет на характеристики стали. Совместное воздействие нескольких элементов влияет на реакцию на термообработку, твердость, прочность, микроструктуру, коррозионную стойкость и формуемость. Стандартные стали можно разделить на три основные группы:углеродистые стали, легированные стали и нержавеющие стали.

Углеродистая сталь

Сталь считается углеродистой, если содержание марганца в ней ограничено 1,65% (макс.), кремния - 0,60% (макс.) и меди - 0,60% (макс.). За исключением раскислителей и бора, если они указаны, никакие другие легирующие элементы не добавляются преднамеренно, но они могут присутствовать в виде остатков. Если какой-либо из этих случайных элементов считается вредным для специальных применений, могут быть указаны максимально допустимые пределы. В отличие от большинства легированных сталей углеродистые чаще всего применяют без окончательной термической обработки; однако они могут быть отожжены, нормализованы, подвергнуты цементации или закалке и отпуску для улучшения изготовления или механических свойств. Углеродистые стали могут быть раскисленными, полуспокойными, с крышками или кромками, и, при необходимости, может быть указан метод раскисления.

Легированные стали

Легированные стали включают не только те сорта, которые превышают пределы содержания элементов для углеродистой стали, но также и любые сорта, в которые добавляются элементы, отличные от тех, которые используются для углеродистой стали, в определенных диапазонах или определенных минимумах для улучшения механических свойств, характеристик изготовления или любой другой атрибут стали. По этому определению легированные стали охватывают все стали, кроме углеродистых; однако по соглашению стали, содержащие более 3,99% хрома, считаются «особыми типами» легированной стали, включая нержавеющие стали и многие инструментальные стали.

В техническом смысле термин легированная сталь зарезервирован для тех сталей, которые содержат умеренное количество легирующих элементов (около 1-4 процентов) и обычно зависят от термической обработки для достижения определенных механических свойств. Легированные стали всегда раскисляются, но для особых критических применений могут быть указаны специальные методы раскисления или плавки, включая вакуум. Легированные стали обычно требуют особого внимания при их производстве, поскольку они более чувствительны к термическим и механическим воздействиям.

Нержавеющая сталь

Нержавеющие стали являются высоколегированными сталями и обладают превосходной коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистыми и обычными низколегированными сталями, поскольку содержат относительно большое количество хрома. Хотя другие элементы также могут повышать коррозионную стойкость, их полезность в этом отношении ограничена.

Нержавеющие стали обычно содержат не менее 10 процентов хрома с другими элементами или без них. Однако в Соединенных Штатах принято включать в классификацию нержавеющих сталей те стали, которые содержат всего 4 процента хрома. Вместе эти стали образуют семейство, известное как нержавеющие и жаропрочные стали, некоторые из которых обладают очень высокой прочностью и стойкостью к окислению. Однако лишь немногие из них содержат более 30 % хрома и менее 50 % железа.

В самом широком смысле стандартные нержавеющие стали можно разделить на три группы в зависимости от их структуры:аустенитные, ферритные и мартенситные. В каждой из трех групп присутствует один состав, представляющий собой базовый сплав общего назначения. Все остальные составы получены из основного сплава с особыми вариациями состава для получения очень специфических свойств.

Аустенитные марки стали немагнитными в отожженном состоянии, хотя некоторые из них могут стать слегка магнитными после холодной обработки давлением. Они могут быть упрочнены только холодной обработкой, а не термической обработкой, и сочетают в себе выдающуюся коррозионную и термостойкость с хорошими механическими свойствами в широком диапазоне температур. Аустенитные марки подразделяются на две подгруппы:хромо-никелевые и менее часто используемые хромомарганцево-низконикелевые. Основной состав группы хрома и никеля широко известен как 18-8 (Cr-Ni) и является аустенитной маркой общего назначения. Эта марка является основой для более чем 20 модификаций, которые можно охарактеризовать следующим образом:изменено соотношение хрома и никеля для изменения формообразующих характеристик; содержание углерода снижено для предотвращения межкристаллитной коррозии; элементы ниобий или титан были добавлены для стабилизации структуры; или был добавлен молибден, или было увеличено содержание хрома и никеля для улучшения устойчивости к коррозии или окислению.

Стандартные ферритные марки всегда являются магнитными и содержат хром, но не содержат никель. Их можно до некоторой степени упрочнить холодной обработкой, но не термической обработкой, и они сочетают коррозионную и термостойкость с умеренными механическими свойствами и декоративной привлекательностью. Ферритные марки обычно ограничиваются более узким диапазоном коррозионных условий, чем аустенитные марки. Базовая ферритная марка содержит 17 процентов хрома. В этой серии есть легкообрабатываемые модификации и сплавы с повышенным содержанием хрома для повышения стойкости к окалине. Также в эту ферритную группу входит сталь с 12-процентным содержанием хрома (основной состав мартенситной группы) с добавлением других элементов, таких как алюминий или титан, для предотвращения затвердевания.

Стандартные мартенситные марки обладают магнитными свойствами и могут упрочняться закалкой и отпуском. Они содержат хром и, за двумя исключениями, не содержат никель. Основной мартенситный сплав обычно содержит 12 процентов хрома. В мартенситном ряду более 10 стандартных составов; некоторые модифицированы для улучшения обрабатываемости, а другие содержат небольшие добавки никеля или других элементов для улучшения механических свойств или их реакции на термическую обработку. Третьи имеют значительно повышенное содержание углерода в диапазоне инструментальных сталей и закаляются до самых высоких уровней из всех нержавеющих сталей. Мартенситные марки отлично подходят для работы в мягких средах, таких как атмосфера, пресная вода, пар и слабые кислоты, но не устойчивы к сильно коррозионным растворам.

Системы нумерации металлов и сплавов

Несколько различных систем нумерации металлов и сплавов были разработаны различными торговыми ассоциациями, профессиональными инженерными обществами, организациями по стандартизации и частными предприятиями для собственного использования. Числовой код, используемый для идентификации металла или сплава, может быть связан или не связан со спецификацией, которая является изложением технических и коммерческих требований, которым должен соответствовать продукт. Используемые системы нумерации включают системы, разработанные Американским институтом чугуна и стали (AISI), Обществом автомобильных инженеров (SAE), Американским обществом испытаний и материалов (ASTM), Американским национальным институтом стандартов (ANSI), Американским обществом производителей стали, Американское общество инженеров-механиков (ASME), Американское общество сварщиков (AWS), Алюминиевая ассоциация, Ассоциация разработчиков меди, Министерство обороны США (военные спецификации) и Главное бухгалтерское управление (федеральные спецификации).

Унифицированная система нумерации (UNS) была разработана совместными усилиями ASTM и SAE, чтобы обеспечить средства корреляции различных систем нумерации для металлов и сплавов, имеющих коммерческую репутацию. Эта система позволяет избежать путаницы, возникающей, когда для обозначения одного и того же материала используется более одного идентификационного номера или когда один и тот же номер присваивается двум совершенно разным материалам. Важно понимать, что номер UNS не является спецификацией; это идентификационный номер для металлов и сплавов, для которых подробные спецификации приведены в другом месте. Номера UNS приведены в таблице 1; каждый номер состоит из буквенного префикса, за которым следуют пять цифр. В некоторых буква указывает на семейство металлов, обозначенных сериями, например, A для алюминия и C для меди. Когда это возможно, номера в группах UNS содержат последовательности нумерации, взятые непосредственно из других систем, чтобы облегчить идентификацию материала; например, соответствующий номер UNS для стали AISI 1020 — G10200. Номера UNS, соответствующие обычно используемым номерам AISI-SAE, которые используются для идентификации простых углеродистых, легированных и инструментальных сталей, приведены в таблице 2.

Обзор

В этой статье описаны основные типы стандартных сталей. Узнайте больше о свойствах материалов из 30-го издания Machinery's Handbook, которое опубликовано и доступно в Industrial Press на Amazon.

Чтобы найти источники поставок стали, посетите платформу поиска поставщиков Thomas, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг.