Классификация сталей: виды, химический состав и свойства

Систематизация сталей по ГОСТ/ИС 7598-1974: нелегированные (углеродистые) и легированные. Детальный разбор по углероду (низко/средне/высокоуглеродистые, инструментальные), по степени деоксидации (успокоенные, полууспокоенные, кипящие), по химическому составу (углеродистые, нержавеющие, легированные, инструментальные). Состав нержавеющих сталей, элементы-легирующие добавки, constitutents стали (C, Si, Mn, S, P) и их влияние на свойства.

Классификация по ИС 7598-1974

1. Нелегированные (углеродистые) стали
2. Легированные стали

Нелегированные (углеродистые) стали

Ключевые факторы: содержание углерода и микроструктура. Углерод — главный фактор: укрепляет, закаляет, снижает пластичность (удлинение/сужение), обрабатываемость и сварку. Рост C -> падение тепло-/электропроводности, магнитной проницаемости, коррозионной стойкости. Микроструктура зависит от состава (C, Mn, Si, P, S + остаточные O, H, N) и финальной деформации/термообработки. Часто используют без финальной термообработки -> структура от прокатки/ковки.

По фазовому составу (приводя к перлите): гипоэвтектойдные (C ≤ 0,87%) — феррит + перлит; гиперевтектойдные (C ≥ 0,87%) — цементит + перлит.

По содержанию углерода

• Низкоуглеродистые/мягкие (Low carbon/Mild) — 0,05–0,30% C.
• Среднеуглеродистые (Medium carbon) — 0,30–0,60% C.
• Высокоуглеродистые (High carbon) — 0,60–1,50% C.
• Инструментальные (высокоуглеродистые) — 0,90–1,50% C.

Границы условны, возможны перекрытия.

По степени деоксидации

1. Успокоенные стали (Killed steels)

Сильная деоксидация. Высокая однородность состава/свойств. Все ковальные стали и все с C > 0,25% — успокоенные. Главное качество — здоровость (нет пор/газовых полостей, сегрегации). При достаточной деоксидации газ не выделяется, вершина слитка затвердевает сразу. Обозначение: K.

2. Полууспокоенные (Semi-killed / Balanced)

Промежуточные между успокоенными и кипящими. Конструкционные с C 0,15–0,25% — обычно полууспокоенные. Цель: чистая поверхность без газовых пор и раковины. Толстая здоровая кожа. Листы и профиль — из полууспокоенных. 90% производства. Обозначения нет.

3. Кипящие стали (Rimmed steels)

Частичная деоксидация. Цель: чистая поверхность при низком углероде. Глубокая штамповка/вытяжка — легкость формовки и чистота поверхности. Отличные для прокатки. Листы/ленты — высокая качество поверхности, холодная формовка. Обозначение: R.

По химическому составу (4 базовые группы)

1. Углеродистая сталь — 0,05–2,1% C. >90% производства. Подгруппы: низко-, средне-, высокоуглеродистая.
2. Нержавеющая сталь — Fe-сплавы с ~12%+ Cr (мин. 10,5% Cr). Коррозионная стойкость за счет тонкого Cr₂O₃ (пассивный слой). Больше Cr -> выше стойкость. Добавки Ni, Mo для улучшения свойств. Также C, Si, Mn.
3. Легированная сталь — варьируемые доли легирующих элементов для заданных свойств (сварка, пластичность, обрабатываемость, прочность, закаляемость, коррозионная стойкость). Влияние элементов:
   • Mn — прочность/твердость ↑, пластичность/сварка ↓.
   • Si — деоксидатор.
   • P — прочность/твердость ↑, пластичность/ударная вязкость ↓.
   • S — пластичность/ударная вязкость/сварка ↓ (сульфидные включения).
   • Cu — коррозионная стойкость ↑.
   • Ni — закаляемость/ударная вязкость ↑.
   • Mo — закаляемость/ползучесть низколегированных сталей ↑.
4. Инструментальная сталь — высокий C (0,5–1,5%). Больше C -> выше твердость/прочность. Инструменты, штампы. Примеси W, Co, Mo, V -> тепло-/износостойкость, долговечность. Идеальны для режущих/сверлящих инструментов.

Классификация нержавеющих сталей

1. Ферритные — Fe-Cr (BCC). Магнитные, не закаляются термически, укрепляются холодной деформацией.
2. Аустенитные — самые коррозионностойкие. Немагнитные, не закаляются, хорошо сварятся.
3. Мартенситные — "обычные хромовые". 10–14% Cr. Закаляемые, прочные, твердые, магнитные, обрабатываемые. Коррозионная стойкость ниже.
4. Дуплексные — двухфазные (феррит + аустенит). Прочность ~в 2 раза выше.
5. Вытяжечно-закаляемые (PH) — экстремальная прочность за счет вытяжечного закаления.

Конституенты стали и их влияние

• Углерод (C) — 0,08–1,5%. Прочность, эластичность (предел текучести), твердость ↑; пластичность (удлинение), ударная вязкость ↓. >0,3% C -> закаляется нагревом/закалкой в воде/масле.
• Кремний (Si) — 0,05–0,30%. Деоксидатор: удаляет газы/оксиды, предотвращает поры -> сталь тверже/вязче.
• Марганец (Mn) — деоксидатор, связывает S (MnS менее вреден FeS). В низкоуглеродистых -> пластичность, гибкость. Обычно <1%, типово 0,3–1,0%.
• Сера (S) — FeS (низкотемпературное плавление -> краснотупость/хрупкость при нагреве) или MnS (менее вредно). MnS предпочтительнее. Сернистые включения ухудшают σв, σт, предел усталости, коррозионную стойкость.
• Фосфор (P) — холодную хрупкость (при нормальных/низких температурах). σв ↑, но ударная вязкость и пластичность ↓. При P > 0,2% ударная вязкость ~0. Влияние усиливается с ростом C. Сумма C+P обычно ≤0,25%. Лучшие инструментальные стали — P ≤ 0,02%.

S и P строго лимитированы из-за вредного действия.

Частые вопросы

• Что содержит нержавеющая сталь? Мин. 10,5% Cr, <1,2% C, другие легирующие элементы. Коррозионная стойкость улучшается Ni, Mo, Ti, Nb, Mn и др.
• Чего 10% в нержавейке? 10,5% хрома (минимум).
• Есть ли медь в нержавейке? Как остаточный элемент — да. Иногда добавляют для вытяжечного закаления или коррозионной стойкости в морской среде/сернистой кислоте.
• Самый прочный металл? Вольфрам — высокая предел прочности на разрыв (500 кpsi при комнатной температуре), сохраняет до 1500 °C. Но хрупкий в чистом виде.
• Лучший маркер нержавейки? 304 (18/8) — самый популярный в мире: отличная коррозионная стойкость, цена/качество, легко дезинфицировать -> кухня/пищепром.