Полезные свойства стали

Сталь представляет собой сплав железа и углерода. Иногда добавляют другие металлы. В процентном соотношении в сплаве углерода должно быть не более 2 %. Существует три способа производства стали: мартеновский способ, конвертерный и выплавление электростали. Первый способ заключается в выплавке стали в мартеновских печах. Металл получается хорошего качества, в больших объемах, с низкой себестоимостью. Несмотря на эти плюсы, такой процесс очень долгий и трудоемкий. Поэтому в настоящее время очень популярен второй способ – конвертерный. Сталь получается также качественная и значительно снижено время ее выплавления. Третий способ заключается в выплавке стали в высокочастотных электропечах. Сталь, полученная таким образом, — самая качественная, чистая, без примесей газов и серы. Ее используют для изготовления режущих инструментов. Сталь бывает также легированной и углеродистой.

Название сталь происходит от немецкого «Stahl», означающего сплав из железа. Этот металл соотносится с планетой Марс и обозначается как круг с косой стрелочкой направо.

Сталь используют в машиностроении, строительстве, военной промышленности, медицине и др.

Легенды о стали

Сталь умели производить еще до нашей эры. По легенде в Древнюю Индию с Гималаев пришли мудрые кузнецы. Они сделали индийским воинам новые доспехи, оружие, и сказали, что никто не сможет их победить. Царь племени Пенджаб захотел это проверить, так как близился бой с македонцами. Македонские мечи не смогли даже поцарапать новые индийские доспехи, тогда как прочные стальные клинки воинов царя Пенджаба разрубали доспехи противников как нож масло. Через несколько лет македонцам удалось открыть секрет прочности индийского оружия. Вскоре эти знания были распространены по всему свету.

Магические свойства стали

Сталь обладает магическими свойствами. Так как этот металл представляет собой сплав из углерода и железа, он имеет и защитные свойства железа. То есть, сталь способна изгонять из человеческого организма энергетические образования, которые доставляют много проблем своему «хозяину». Эти образования могут вытягивать энергию из человека, ухудшать его состояние здоровья. Если человек будет носить сталь на теле, например, браслеты, кольца и другую бижутерию, то энергетические сущности не смогут навредить человеку, они просто напросто покидают его тело.

Защитные свойства стали этим не ограничиваются. Человек, который носит украшения из этого металла, никогда не подвергнется негативным воздействиям. Из этого сплава делают различные обереги и амулеты, особенно для воинов.

Сталь способна восстанавливать энергетический баланс в организме. Также она делает человека более активным, стойким. Больные люди быстрее выздоравливают, люди, которые подвержены депрессии, выходят из этого состояния, становятся более жизнерадостными и позитивными.

Целебные свойства стали

Люди с давних времен применяют металлы для лечения многих заболеваний и недугов. Сталь не является исключением. Пластины и иглы, изготовленные из высококачественной стали, прикладывают к больным местам, к местам переломов костей, разрывов связок и сухожилий. Сталь благоприятно воздействует на пораженные области. Мягкие ткани начинают усиленно регенерироваться, кости быстрее срастаться, боль утихать.

Стальную пыль добавляют в свиной жир, и мажут кожу тела при таких заболеваниях, как прыщи, фурункулы, аллергические сыпи. В древности людей излечивали от ухудшения зрения, накладывая на глаза стальные пластины.

Связь стали с астрологическими знаками зодиака

Сталь в первую очередь подходит таким знакам зодиакального круга, как Овен, Скорпион, Стрелец. Так как считается, что представители этих знаков – люди, обладающие сильным характером, непреклонной волей, сталь еще больше закалит их. Этот металл обладает очень сильной энергетикой, вырабатывает в людях непреклонность, решительность, активность, силу воли, и не каждый человек способен выдержать ее воздействие.

Остальным знакам зодиака сталь либо вообще не рекомендуется носить, либо носить, периодически снимая. Например, Деве сталь противопоказана. Этот металл будет подавлять и без того мягкий характер представителей этого знака.

Стали по ГОСТ, классификация, свойства.

Классификация стали

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Это важнейший материал, который применяется в большинстве отраслей промышленности. Существует большое число марок сталей, различающихся по структуре, химическому составу, механическим и физическим свойствам. Посмотреть основные виды продукции металлопроката и ознакомиться с ценами можно здесь.

Основные характеристики стали:

• плотность
• модуль упругости и модуль сдвига
• коэффициент линейного расширения
• и другие

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (0,1-1,0%), кремний (до 0,4%).

Сталь содержит также вредные примеси (фосфор, серу, газы — несвязанный азот и кислород). Фосфор при низких температурах придает ей хрупкость (хладноломкость), а при нагревании уменьшает пластичность. Сера приводит к образованию мелких трещин при высоких температурах (красноломкость).

Чтобы придать стали какие-либо специальные свойста (коррозионной устойчивости, электрические, механические, , магнитные, и т.д.), в нее вводят легирующие элементы. Обычно это металлы: алюминий, никель, хром, молибден, и др. Такие стали называют легированными.

Свойства стали можно изменять путем применения различных видов обработки: термической (закалка, отжиг), химико-термической (цементизация, азотирование), термо-механической (прокатка, ковка). При обработке для получения необходимой структуры используют свойство полиморфизма, присущее стали так же, как и их основе – железу. Полиморфизм – способность кристаллической решетки менять свое строение при нагреве и охлаждении. Взаимодействие углерода с двумя модификациями (видоизменениями) железа — α и γ – приводит к образованию твердых растворов. Избыточный углерод, не растворяющийся в α-железе, образует с ним химическое соединение — цементит Fe₃C. При закалке стали образуется метастабильная фаза — мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Сталь при этом теряет пластичность и приобретает высокую твердость. Сочетая закалку с последующим нагревом (отпуском), можно добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов. Инструментальные стали служат для изготовления резцов, штампов и других режущих, ударно-штамповых и измерительных инструментов. К сталям с особыми свойствами относятся электротехнические, нержавеющие, кислотостойкие и др.

По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (кипящей, спокойной и полуспокойной). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы, она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь — это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, марганец, алюминий), которые соединяясь с растворенным кислородом, превращаются в оксиды и выплывают на поверхность массы стали. Такая сталь имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10-15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.

В современной металлургии сталь выплавляют в основном из чугуна и стального лома. Основные виды агрегатов для ее выплавки: мартеновская печь, кислородный конвертер, электропечи. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конвертерный способ производства стали. В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т.д. При выплавке стали в сталеплавильную печь загружают чугун, добавляя к нему металлические отходы и железный лом, содержащий оксиды железа, которые служат источником кислорода. Выплавку ведут при возможно более высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов. При этом железо, содержащееся в чугуне, частично окисляется:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q

Образующийся оксид железа (II) FeO, перемешиваясь с расплавом, окисляет, кремний, марганец, фосфор и углерод, входящие в состав чугуна:

Si +2FeO = SiO₂ + 2 Fe + Q

Mn + FeO = MnO + Fe + Q

C + FeO = CO + Fe – Q

Чтобы довести до конца окислительные реакции в расплаве, добавляют так называемые раскислители – ферромарганец, ферросилиций, алюминий.

Марки стали

Марки стали углеродистой

Углеродистая сталь обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

• группа А — поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б — поставляемая по химическому составу;
• группа В — поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей стали группы А подразделяются на три категории: А1, А2, А3; стали группы Б на две категории: Б1 и Б2; стали группы В на шесть категорий: В1, В2, В3, В4, В5, В6. Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б марки БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способом. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. С повышением номера стали возрастают пределы прочности (σ_в) и текучести (σ_т) и уменьшается относительное удлинение (δ₅).

Марку стали Ст0 присваивают стали, отбракованной по каким-либо признакам. Эту сталь используют в неответственных конструкциях.

В ответственных конструкциях применяют сталь Ст3сп.

Буквы Б и В указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается.

Если сталь относится к кипящей, ставится индекс «кп», если к полустойкой — «пс», к спокойной — «сп».

Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций. Качественные стали по ГОСТ 1050-74 маркируются двузначными цифрами, обзначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т.д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10%, 0,15%, 0,2% углерода.

Сталь по ГОСТ 1050-74 изготовляют двух групп: группа I — с нормальным содержанием марганца (0,25-0,8%), группа II — с повышенным содержанием марганца (0,7-1,2%). При повышенном содержании марганца в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание марганца.

Марки стали легированной

Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются лигирующими. Лигированные стали подразделяются в зависимости от содержания лигирующих элементов на низколегированные (2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10% и высоколегированные (свыше 10%).

Лигирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.

Легированные стали маркируются цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали (Г — марганец, С — кремний, Х -хром, Н — никель, Д — медь, А — азот, Ф — ванадий), а стоящие за ней цифры — среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Нержавеющая сталь. Свойства. Химический состав

Нержавеющая сталь — легированная сталь, устойчивая к коррозии на воздухе, в воде, а также в некоторых агрессивных средах. Наиболее распространены хромоникелевая (18% Cr b 9%Ni) и хромистая (13-27% Cr) нержавеющая сталь, часто с добавлением Mn, Ti и других элементов.

Добавка хрома повышает стойкость стали к окислению и коррозии. Такая сталь сохраняет прочность при высоких температурах. Хром входит также в состав износостойких сталей, из которых делают инструменты, шарикоподшипники, пружины.

Примерный химический состав нержавеющей стали ( в %)

Дамасская и булатная сталь.

Дамасская сталь — первоначально то же, что и булат; позднее — сталь, полученная кузнечной сваркой сплетенных в жгут стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода. Название получила от города Дамасск (Сирия), где производство этой стали было развито в средние века и, отчасти, в новое время.

Булатная сталь (булат) — литая углеродистая сталь со своеобразной структурой и узорчатой проверхностью, обладающая высокой твердостью и упругостью. Из булатной стали изготовляли холодное оружие исключительной стойкости и остроты. Булатная сталь упоминается еще Аристотелем. Секрет изготовления булатной стали, утерянный в средние века, раскрыл в XIX веке П.П.Аносов. Опираясь на науку, он определил роль углерода как элемента, влияющего на качество стали, а также изучил значение ряда других элементов. Выяснив важнейшие условия образования лучшего сорта углеродистой стали — булата, Аносов разработал технологию его выплавки и обработки (Аносов П.П. О булатах. Горный журнал, 1841, № 2, с.157-318).

Плотность стали, удельный вес стали и другие характеристики стали

Плотность стали — (7,7-7,9)*10 3 кг/м 3 ;

Удельный вес стали — (7,7-7,9) г/cм 3 ;

Удельная теплоемкость стали при 20°C — 0,11 кал/град;

Температура плавления стали — 1300-1400°C ;

Удельная теплоемкость плавления стали — 49 кал/град;

Коэффициент теплопроводности стали — 39ккал/м*час*град;

Коэффициент линейного расширения стали

(при температуре около 20°C) :

сталь 3 (марка 20) — 11,9 (1/град);

сталь нержавеющая — 11,0 (1/град).

Предел прочности стали при растяжении :

сталь для конструкций — 38-42 (кГ/мм 2 );

сталь кремнехромомарганцовистая — 155 (кГ/мм 2 );

сталь машиноподелочная (углеродистая) — 32-80 (кГ/мм 2 );

сталь рельсовая — 70-80 (кГ/мм 2 );

Плотность стали, удельный вес стали

Плотность стали — (7,7-7,9)*10 3 кг/м 3 (приблизительно 7,8*10 3 кг/м 3 );

Плотность вещества (в нашем случае стали) есть отношение массы тела к его объему (другими словами плотность равна массе единицы объема данного вещества):

d=m/V, где m и V — масса и объем тела.

За единицу плотности принимают плотность такого вещества, единица объема которого имеет массу, равную единице:
в системе СИ это 1 кг/м 3 , в системе СГС — 1 г/см 3 , в системе МКСС — 1 тем/м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:

Удельный вес стали — (7,7-7,9) г/cм 3 (приблизительно 7,8 г/cм 3 );

Удельный вес вещества (в нашем случае стали) есть отношение силы тяжести Р однородного тела из данного вещества (в нашем случае стали) к объему тела. Если обозначить удельный вес буквой γ , то:

С другой стороны, удельный вес можно рассматривать, как силу тяжести единицы объема данного вещества (в нашем случае стали). Удельный вес и плотность связаны таким же соотношением, как вес и масса тела:

За единицу удельного веса принимают: в системе СИ — 1 н/м 3 , в системе СГС — 1 дн/см 3 , в системе МКСС — 1 кГ/м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:

1 н/м 3 =0,0001 дн/см 3 =0,102 кГ/м 3 .

Иногда используют внесистемную единицу 1 Г/см 3 .

Так как масса вещества, выраженная в г, равна его весу, выраженному в Г, то удельный вес вещества (в нашем случае стали), выраженный в этих единицах, численно равен плотности этого вещества, выраженной в системе СГС.

Аналогичное численное равенство существует и между плотностью в системе СИ и удельным весом в системе МКСС.

Плотность стали

Модули упругости стали и коэффициент Пуассона

Величины допускаемых напряжений стали (кГ/мм 2 )

Свойства некоторых электротехнических сталей

Нормируемый химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Нормируемые показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Основные свойства и характеристики стали

В промышленном производстве для создания наиболее качественных материалов очень часто используют комбинации из нескольких химических элементов. Особенно распространен такой подход в металлургии, где получаемые сплавы способны работать в таких условиях, которые неподвластны чистым металлам.

Соединения нескольких элементов позволяет добиться уникальных свойств, которые необходимо в той или иной отрасли. Одним из наиболее распространенных сплавов является сталь. Она получается в результате соединения железа с углеродом. Также в массовую долю материала входит незначительное количество примесей. При необходимости в сплав вводят легирующие присадки или покрывают поверхность металла защитным слоем.

Химический состав стали

Свойства и характеристики стали зависят от количественного состава химических элементов в ее структуре. Углерод придает материалу твердости и вязкости, но его повышенное содержание приводит к хрупкости и ухудшает свариваемость. Наиболее качественная сталь получается после обработки отжигом, когда углерод внедряется в структуру металлической решетки железа на молекулярном уровне и образует устойчивое соединение цементит. Содержание кремния в сплаве повышает текучесть и прочность, а также упругость. Но избыток этого элемента ухудшает свариваемость и ударную вязкость. Марганец массовой долей до 2% позволяет повысить прочность материала. При большем процентном содержании сварка становится затруднительной.

Хром защищает сталь от окисления и значительно продляет срок ее эксплуатации. Но при неправильной термической обработке образует карбид, который препятствует сварке. Никель улучшает пластичность, вязкость и ковкость, а также является одним из немногих элементов, повышенное содержание которых не приводит к побочным эффектам. Молибден повышает термическую стойкость стали, а также предельно допустимые нагрузки, поэтому, активно используется в качестве присадок в конструкционных сплавах.

Ванадий улучшает вязкость и упругость, активно способствует процессу закалки, но ухудшает свариваемость. Вольфрам добавляет материалу твердости и стойкости при работе с высокими температурами. Титан повышает коррозийную стойкость стали, но его избыток может приводить к горячим трещинам при сварке. Медь повышает коррозионную стойкость и ковкость металла и не несет негативных эффектов при избытке. Кроме перечисленных элементов, наделяющих сталь положительными свойствами, есть и вещества, чье присутствие несет только негативную нагрузку.

Сера повышает ломкость материала при высоких температурах и затрудняет свариваемость. Фосфор влияет на повышение параметра ломкости при нормальных температурах и тоже ухудшает свариваемость. Азот, кислород и водород отрицательно влияют на прочность и приводят к быстрому старению стали. Содержание негативных элементов должно сводиться к минимуму, чтобы качество материала удовлетворяло потребностям рынка.

Характеристики стали

Твердость стали зависит от массовой доли углерода, а также количества специальных присадок. В основном твердые материалы используются в тех случаях, когда они не будут находиться под воздействием динамической нагрузки, так как с твердостью обычно повышается и хрупкость сплава. Предел прочности стали на растяжение составляет 60 килограммосил на миллиметр квадратный. Остальные значения прочностей напрямую зависят от марки материала. Стойкости к определенному виду негативного воздействия достигаются при помощи закалки металла или введения в сплав нужных присадок.

Предел прочности стали всегда отражается в маркировке, чтобы покупатель мог быстро выбрать нужный ему материал. Удельное сопротивление стали варьируется от 0,103 до 0,137 Ом*миллиметр в квадрате/метр. Величина зависит от количественного содержания химических элементов в сплаве. Для электротехнических сталей показатель сопротивления составляет 0,25-0,6 Ом*миллиметр в квадрате/метр. Столь высокое значение по сравнению с обычной сталью объясняется условиями эксплуатации и соответствует техническим требованиям. Расчетное сопротивление стали может быть разным даже для одной партии изделий, так как количество примесей распределяется не равномерно по всей структуре сплава.

Стальные проводники на практике применяются очень редко, так как есть металлы, обладающие гораздо лучшими параметрами, необходимыми для использования в электротехнике. А вот электротехническая сталь является одним из основных материалов, применяемых при изготовлении корпусов электроприборов и трансформаторов. Теплопроводность стали находится на высоком уровне, что позволяет с успехом использовать материал в отопительных системах. С ростом температуры этот показатель несколько снижается, но общие потери не критичны по сравнению с затратами энергии. Конечно, есть металлы и сплавы с гораздо более высокими параметрами теплопроводности, но их использование является нерентабельным ввиду больших затрат на их производство.

Удельная теплоемкость стали составляет 0,462 килоджоуля/килограмм*Кельвин. Это является неплохим показателем для металла. Данная характеристика показывает, сколько тепловой энергии необходимо передать телу, чтобы его температура изменилась на один градус. То есть, чем меньше этот показатель, тем быстрее нагревается вещество. Фактическое значение теплоемкости стали позволяет еще раз доказать оправданность ее использования в отопительных сетях. К тому же сталь очень хорошо сохраняет полученное тепло и медленно остывает, так что на поддержание температуры на нужном уровне понадобится меньше топлива.

Коэффициент трения сталь-сталь в состоянии покоя составляет 0,15 без использования смазки и 0,1 с ней. При скольжении этот параметр составит 0,15 и 0,05 соответственно. Химические свойства стали зависят от количественного и качественного содержания элементов в сплаве. При необходимости эксплуатации материала в агрессивной среде в его состав вводятся дополнительные присадки, позволяющие не допустить или сильно замедлить протекания разрушительных химических реакций.

13) Примеси в сталях. Влияние примесей на свойства сталей.

Св-ва углеродистых сталей определятся количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродрм. В сыросном содержании углерода в стали увеличивается процентное содержание цементита при снижении доли феррита, это приводит уменьшению пластичности и повышению твердости (прочности). Прочность повышается при процентном содержании около 1%, затем она уменьшается, потому что образуется грубая сетка Ц2. Увеличение содержания углерода снижает ударную вязкость,и повышается порог хладоломкости. Повышение содержания углерода ухудшает литейное свойство стали(до 0.4% сод. углерода), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость.

Влияние примесей:в сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы:

постоянные: кремний, марганец, фосфор,сера. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они называются технологическими примесями. Содержание марганца 0.5-0.8%, он повышает прочность не снижая пластичности. Содержание кремния 0.35-0.4%, он повышает плотность слитка, но снижает пластичность. Содержание фосфора 0.025-0.045%, он увеличивает прочность и предел текучести, и увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, увеличивает хладоемкость. Содержание серы 0.025-0.06%, она уменьшает пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость(вредная примесь).

Скрытые примеси: газы: азот, кислород, водород подают в стали при выплавке, они находятся в стали в виде крупных неметаллических включений:окисловFeO и тд., и нитридов Fe2N и располагаются в дефектах, раковинах и трещинах(Al2O3, SiO2)

Очень вредным является растворенный в стали водород, он охрупчивает сталь и приводит к образованию в поковках флокены- тонкие трещины овальной или округлой формы в виде пятен серебристого цвета.

Специальные примеси вводятся в сталь для получения заданных свойств, и называются легирующими элементами, а стали — лигированные.

Назначение легирующих элементов:хром — основной лег. элемент(содержание 0.8- 1.2%), повышает прокаливаемость, способствует получению равномерной и высокой твердости стали. Порог хладоемкости хромистой стали до -100 градусов.Бор(сод. до 0.003%) увеличивает прокаливаемость, повышает порог хладоемкости до -60 градусов.Титан(до 0.1%) измельчает зерно хромомаргонцевойстали.Молибден(0.15-0.46%) увел. прокаливаемость, снижает хладоемкость до -120 градусов.Ванадий(0.1-0.3%) измельчает зерно, повышает прочность и вязкость.Никель(до 50%) повышает прочность, прокаливаемость, порог хладоемкости. Хромоникилевые стали имеют лучшие св-ва.

Классификация и маркировка сталей: 1) по химическому составу: углеродистые и легированные. 2) по содержанию углерода: низкоуглеродистые(до 0.25%), среднеуглеродистые (до 0.3-0.6%), высокоуглеродистые (больше 0.8%). 3) по равновесной структуре: доэфтектоидные, эфтектоидные(0.8%), заэфтектоидные. 4) по качеству : в зависимости от содаржания вредных примесей(S,P): обычного качества, качественные, высококачественные(S,P меньше 0.03%). 5) по способу выплавки: мартеновские печи, кислородно-корверторные печи, электропечи(электродуговые). 6) по назначению: конструкционные( изготовление деталей машин и др. деталей); инструментальные; специальные(с особыми свойствами).

Маркировка сталей:( принято буквенно-цифровое обозначение) 1) углеродистые стали обыкновенного качества ГОСТ 380. Ст2кп, БСт3кп, ВСт3пс.Ст- индекс стали; кп,пс,сп- степени раскисленности стали(кп- кипящая, пс- полуспокойная, сп- спокойная).С увеличением номера марки увеличивается прочность, и снижается пластичность группы: А,Б,В- свойства сталей.Качественно углеродистые стали маркируются двухзначным числом указывая среднее содержание углерода. Сталь 08 кп, сталь 10 пс.Инструментальные стали маркируются группой У и число указывающее содержание углерода в прцентах. У8-0,8%; У13-1.3%.

Легированные стали:Х-хром,N-никель,М-молибден,В-вольфрам,К-кобальт,А-азот,Г-марганец,Д-медь,Ф-ванадий, С-кремний,Т-титан,Р-фосфор,R-бор,Q-алюминий,Ц-цирконий. Сталь 12Х18Н10Т- нержавейка(1.2% углерода, 18% хлора, 10% никеля, титана меньше 1%)

Инструментальные легированные стали: Сталь 9ХСХВF- сод.углерода 0.9%;

Быстрорежущая сталь Р18, шарико-потшибниковая сталь ШХ6,сталь 15ГС.

Что такое сталь?

Часть 1- «Cтруктура»

«Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда».

Все знаю, что сталь является важнейшим инструментальным и конструкционным материалом для всех отраслей промышленности.

Металлургическая промышленность Украины насчитывает более 50 металлургических заводов и является стратегически важной для страны. В Украине производится широкий ассортимент металлопроката, таких, как: арматура, круги, квадрат, катанка, проволока, полоса, уголок, балка, швеллер, листы, трубы и метизы.

Рассматривая данный вопрос, начнем с химического состава.

Сталь – это соединение железо (Fe) + углерод (С) + другие элементы растворенные в железе.

Железо в чистом виде имеет очень низкую прочность, а углерод ее повышает.

Углерод улучшает и некоторые другие показатели:

• твердость,
• упругость,
• устойчивость к износу,
• выносливость.

Содержание «Fe» в стали должно быть — не менее 45%, «С»- не более 2,14% — теоретически, однако на практике % концентрации углерода имеет следующий диапазон значений:

• Низкоуглеродистые стали — 0,1-0,13 %
• Углеродистые стали 0,14-0,5%
• Высокоуглеродистые – от 0,6%

Чем выше процент содержания углерода в стали , тем выше ее прочность и меньше пластичность.

УГЛЕРОД — является неметаллическим элементом. Его плотность равна 2,22 г/см3, а плавится при t -3500 °С. В природе он присутствует 2х полиморфных модификаций – графит (стабильная модификация) и алмаз (метастабильная модификация), а в сплаве с железом:

• в свободном — графит (в серых чугунах),
• в связанном — твердое состояние -цементит.

Углерод в соединении с железом находится в состоянии цементита, т.е в химической связи с железом (Fe3C). Структура цементита может быть очень разной, а зависит она от процесса образования, содержания углерода и методов термообработок.

Углерод в свободном состоянии присутствует в сером чугуне (СЧ), в виде графита. Серый чугун имеет пористую металлическую структуру и является весьма хрупким; на нем легко появляются трещины (особенно в процессе сварки).

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-71)

Система железо- углерод

Структура стали изучается по диаграмме состояния системы железо- углерод. Она характеризует структурные превращения стали и выражает зависимость структурного состояния от температурных режимов и химического состава.

Диаграмма состояния системы железо- углерод

Диаграмма состояния содержит критические точи, которые очень важны теоретически и практически для процессов термообработки стали и их анализа. С помощью диаграммы Fe-C — можно определить вид термообработки, температурный интервал изменения структуры и прогнозировать микроструктуру.

Структуры стали

Сплавы железа с углеродом при различных температурах и различном содержании «С» имеют различную структуру, а соответственно и физические и химические свойства. Одним из таких состояний и является описанный выше цементит. А теперь о них:

Аустенит – твердая структура углерода в гамма-железе — содержит «С» до 1,7% (t > 723° С). При снижении температуры аустенит распадается на феррит и цементит и возникает пластинчатая структура — перлит.

Феррит — твердый раствор «C» в α-железа- при t> 723-768° С , концентрация «С» составляет — 0,02%, а при t 20°С около 0,006% «С». Он очень пластичен, не тверд и имеет низкие магнитные свойства.

Цементит — карбид железа Fe3C. Концентрация «С» 6,63% . Цементит является хрупким , а его твердость — НВ760-800.

(на рисунке структура: цементит + перлит)

Перлит — механическая смесь феррита и цементита, образуемая при постепенном охлаждении в процессе распада аустенита. Исходя из размера частиц цементита перлит имеет различные механические свойства. Содержание «С» -0,8%.

(на рисунке структура: феррит + перлит)

Ледебурит (структура чугуна) — смесь образующаяся из кристаллизация жидкого сплава цементита и аустенита. Ледебурит очень твердый, но хрупкий. Концентрация «С»-4,3%

Свойства стали

Конечно, не только углерод влияет на свойства стали. Состав дополнительных элементов и их количество придают стали определенные свойства. Примеси бывают полезными и вредными. Хорошие примеси влияют исключительно на сами кристаллы, а вредные негативно воздействуют на связь кристаллов между собой. К хорошим примесям относят : марганец (Mn), кремний (Si). К плохим: фосфор (Р), серу (S), азот, кислород и другие.

Физические и механические свойства стали

Основными физическими свойствами стали являются:

• теплоемкость;
• теплопроводность;
• модуль упругости.

Понятие модуля упругости стали (Е) заключается в соотношении твердого вещества упруго деформироваться при воздействии силы. Данная характеристика на прямую зависит от напряжения, а точнее, является производной соотношения напряжения к упругой деформации.

• модуль сдвига (упругость при сдвиге) (G )– величина измеряемая в Паскалях (Па), определяющая упругие свойства тела или материала и их способность сопротивляться сдвигающим деформациям. Он применяется для расчета на сдвиг, срез, кручение.
• коэффициент линейного и коэффициент объемного расширения при изменении температуры – это величина показывающая относительное изменение линейных размеров или объема материала или тела при увеличении температуры при неизменном давлении.

Основными механическими свойствами стали являются:

• — прочность
• — твердость
• — пластичность
• — упругость
• — выносливость
• — вязкость

Показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества ( ГОСТ 380-71)

Основными химическими свойствами стали являются:

• степень окисления
• устойчивость к коррозии
• жаростойкость
• жаропрочность

Качество стали определяется различными показателями всех ее свойств и структуры. Учитываются и свойства и изделий из этой стали.

По качеству стали разделяют на:

• обыкновенного качества,
• качественная сталь,
• высококачественная сталь.

В данной статье мы рассматриваем только структуру стали и связанные с ней понятия. Качество стали, состав дополнительных примесей и их свойства будут рассмотрены в следующей публикации.

Полезные свойства стали

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОВКИ

СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА

В подавляющем большинстве случаев материалом для изготовления поковок в колхозной кузнице служит сталь. Применение стали в широких пределах объясняется ее ценными физическими, механическими и технологическими свойствами, а также большими природными ресурсами железной руды и освоением производства стали в крупных масштабах.

К физическим свойствам стали относятся удельный вес, блеск, плотность, теплопроводность, способность поглощать тепло (теплоемкость), электропроводность, температура плавления, изменение размеров при изменении температуры, способность намагничиваться.

Под механическими свойствами стали понимается совокупность свойств, характеризующих сопротивление ее внешним механическим усилиям. Основными технологическими свойствами металлов являются: способность изменять форму не разрушаясь, способность свариваться и изменять свои механические свойства в результате тепловой (термической) обработки.

Механические свойства стали

Из всех свойств стали наиболее важными являются твердость, прочность, пластичность и ударная вязкость, которые определяют работоспособность изделия (поковки), изготовляемого из стали.

Твердостью называется способность металла сопротивляться вдавливанию в него постороннего тела. Условно твердость в зависимости от прибора, на котором испытывается образец, обозначается символами Нв, Н_Rс Н_Rв и пр. Испытание

твердости производится несколькими способами. Если острым концом куска стали провести черту по испытываемому образцу, то на нем остается царапина в том случае, если сталь с острым концом обладает большей твердостью, чем испытываемая, и,
наоборот, если царапины не остается, то испытываемая сталь обладает большей твердостью, чем кусок с острым концом. Точные и исчерпывающие результаты дает испытание, проводимое на специальных приборах-прессах Бринеля (вдавливанием в испытуемый металл стального шарика), Роквелла (вдавливанием алмазного конуса), Шора (отскакиванием стального шарика с

заданной высоты), а также на приборах Польди (получением отпечатков на эталонном образце и на испытуемом металле при ударе молотком по прибору). Метод определения твердости с помощью первых трех приборов состоит в том, что по отпечатку вдавливаемого тела (шарика, конуса, пирамиды) судят о твердости испытываемого металла.

Рис. 15. Прибор Польди

В условиях колхозной кузницы наиболее подходящим для определения твердости является прибор Польди, представленный в схематическом виде на рис. 15. Он состоит из наружного полого цилиндра 1 и внутреннего цилиндрического тела 2, опускающегося от удара молотком по его торцу 3 и поднимающегося в первоначальное положение под действием пружины 4. Для испытания металла [(.поковки) прибор ставится на испытуемый металл 5 так, чтобы шарик 6 снизу касался металла, а сверху упирался в эталон 7. После удара молотком по верхнему торцу отпечатки от шарика остаются и на эталоне и на испытуемом образце. Твердость эталона в кг/см2 известна. Сравнивая размеры отпечатков, легко можно установить твердость испытуемого металла: если отпечаток на металле больше отпечатка на эталоне, твердость металла меньше твердости эталона, и наоборот. Вычисление величины твердости (приближенно) производится по формуле:

Прочностью называется способность металла сопротивляться разрушению вследствие воздействия механических усилий (нагрузок). Различают три вида нагрузок, приложенных к металлу (поковке, литью, детали):

статическую, при которой нагрузка постепенно и плавно возрастает от нуля до максимума;

динамическую, когда нагрузка прилагается ;не постепенно, а сразу, ударом;

колебательную, когда прилагается нагрузка, колеблющаяся от нуля до какой-либо величины и затем опять до нуля или превращающаяся из растягивающей в сжимающую.

В зависимости от вида нагрузок различают прочность при растяжении стали, изгибе, кручении, ударе, а также зависящую от усталости металла.

Испытание на прочность при растяжении обычно производят на образцах стали длиной 200 мм и диаметром 10 мм.

При растяжении такого образца на специальных разрывных машинах длина его увеличивается, а площадь поперечного сечения уменьшается. Величина силы в кг, которая приходится в момент разрыва на один квадратный миллиметр площади поперечного сечения образца, носит название предела прочности и обозначается сигма (греческая буква сигма и латинская бе).

Величина полученного при испытании приращения длины образца, отнесенная к первоначальной его длине и выраженная в процентах, называется относительным удлинением и обозначается дельта (греческая буква дельта).

Величина уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва, выраженная в процентах, по сравнению с величиной первоначального сечения образца называется относительным сужением и обозначается пси (греческая буква пси).

Прочность стали характеризуется также пределом текучести, т. е. величиной напряжения, при котором нагрузка не изменяется (или незначительно изменяется), а деформация (течение) металла продолжается. Предел текучести обозначается бг.

Показатели прочности наиболее употребительных углеродистых конструкционных сталей приведены в приложении 1.

Пластичностью называется способность стали, не разрушаясь, изменять форму под действием механических усилий

и сохранять эту форму после того, как усилия (нагрузка) перестанут действовать.

Пластичность характеризуется показателями относительного удлинения и относительного сужения . Чем больше испытуемый образец способен удлиняться при растяжении, тем больше его поперечное сечение может сужаться, т. е. чем больше удлинение и меньше сужение, тем сталь пластичнее, ковкость заготовки будет хорошая и поковка прочная.

Свойство, противоположное пластичности, называется хрупкостью. Хрупкая сталь под ударами кувалды, молота разрушается (крошится), мало изменяя свою форму.

Ударной вязкостью называется способность стали оказывать сопротивление действию ударных нагрузок. Для установления степени ударной вязкости образцы стали подвергают испытанию на особых машинах — маятниковых копрах.

Технологические свойства стали

Из технологических свойств стали наибольшее значение имеет обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, текучесть в расплавленном состоянии, прокаливаемость и др. Пригодность металла по его технологическим свойствам оценивают при помощи специальных испытательных машин. В некоторых случаях, когда не требуется точной оценки пригодности стали, ее испытывают посредством технологических проб.

Технологические пробы представляют собой несложные способы испытания стали без точных измерений испытываемых свойств. Например, для определения степени пластичности металла производят пробу на загиб полос или листов на заданный угол в тисках, на наковальне и пр. Если при испытании не возникает трещин или других дефектов на металле, то его можно считать пригодным для обработки.

Методом технологической пробы испытывают и другие свойства металла, например способность стали на осадку в холодном состоянии, труб на изгиб и сплющивание в горячем и холодном состоянии, проволоки на скручивание и навивание на стержень, листовой стали на двойной кровельный замок и на глубину вдавливания и т. п.

Сталь: состав, свойства, виды и применение. Состав нержавеющей стали

Многие знают, что сталь — это продукт, получаемый в процессе плавки других элементов. Но каких? Что входит в состав стали? На сегодняшний день эта субстанция представляет собой деформируемый сплав железа с углеродом (его количество составляет 2,14%), а также малой долей других элементов.

Общие сведения

Стоит отметить, что сталью называют сплав, имеющий именно до 2,14% углерода в своем составе. Сплав же, в котором есть более 2,14% углерода, уже называется чугуном.

Известно, что состав углеродистой стали и обычной неодинаков. Если в обычный субстрат входит углерод и другие легирующие (улучшающие) компоненты, то в углеродистом продукте легирующих элементов нет. Если же говорить о легированной стали, то ее состав намного богаче. Для того чтобы улучшить эксплуатационные характеристики данного материала, в его состав добавляют такие элементы, как Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др. Важно отметить, что наилучшие свойства этой субстанции обеспечиваются именно за счет добавления легированных комплексов, а не одного или двух веществ.

Классификация

Провести классификацию рассматриваемого нами материала можно по нескольким показателям:

• Первый показатель — это химический состав стали.
• Второй — это микроструктура, которая также очень важна.
• Конечно же, стали отличаются по своему качеству и способу получения.
• Также каждый вид стали имеет свое применение.

Более подробно состав можно рассмотреть на примере химического состава. По этому признаку различают еще два вида — это легированные и углеродистые стали.

Среди углеродистых сталей существуют три разновидности, главное отличие которых заключается в количественном содержании углерода. Если в состав субстанции входит менее 0,3% углерода, то ее относят к малоуглеродистой. Содержание этого вещества в районе от 0,3% до 0,7% переводит конечный продукт в разряд среднеуглеродистых сталей. Если же сплав содержит более 0,7% углерода, то сталь относится к разряду высокоуглеродистых.

С легированными сталями дела обстоят примерно также. Если в составе материала содержится менее 2,5% легирующих элементов, то он считается малолегированным, от 2,5% до 10% — среднелегированным, а от 10% и выше — высоколегированным.

Микроструктура

Микроструктура стали отличается в зависимости от ее состояния. Если сплав является отожженным, то его структура будет делиться на карбидную, ферритную, аустенитную и так далее. При нормализованной микроструктуре субстанции, продукт может быть перлитным, мартенситным или аустенитным.

Состав и свойства стали определяют принадлежность продукта к одному из этих трех классов. Наименее легированные и углеродистые стали — это перлитный класс, средние относятся к мартенситному, а высокое содержание легирующих элементов или углерода переводит их в разряд аустенитных сталей.

Производство и качество

Важно отметить, что такой сплав, как сталь, может включать и некоторые негативные элементы, большое содержание которых, ухудшает показатели продукта. К таким веществам относят серу и фосфор. В зависимости от содержания этих двух элементов состав и виды стали разделяют на следующие четыре категории:

• Рядовые стали. Это сплав обыкновенного качества, содержит до 0,06% серы и до 0,07% фосфора.
• Качественные. Содержание вышеуказанных веществ в этих сталях снижается до 0,04% серы и 0,035% фосфора.
• Высококачественные. Содержат всего лишь до 0,025% как серы, так и фосфора.
• Высшее качество сплаву присваивается в том случае, если процентный показатель содержания серы не более чем 0,015, а фосфора — не более 0,025%.

Если говорить о процессе производства рядового сплава, то чаще всего его получают в мартеновских печах или же в бессмеровских, томасовских конвертерах. Разлив данного продукта производится в большие слитки. Важно понимать, что состав стали, ее строение, а также качественные характеристики и свойства определяются именно способом ее изготовления.

Для получения качественной стали также используются мартеновские печи, однако к процессу плавки здесь предъявляют более строгие требования, чтобы получить качественный продукт.

Плавка же высококачественных сталей осуществляется лишь в электропечах. Это объясняется тем, что применение этого типа промышленного оборудования гарантирует практически минимальное содержание неметаллических добавок, то есть снижает процентное соотношение серы и фосфора.

Для того чтобы получить сплав особо высокого качества, прибегают к методу электрошлакового переплава. Производство этого продукта возможно лишь в электропечах. После окончания процесса изготовления эти стали всегда получаются только легированными.

Виды сплавов по применению

Естественно, что изменение состава стали сильно влияет на эксплуатационные характеристики этого материала, а значит меняется и сфера его использования. Существуют конструкционные стали, которые могут применяться в строительстве, холодной штамповке, а также могут быть цементируемыми, улучшаемыми, высокопрочными и так далее.

Если говорить о строительных сталях, то к ним чаще всего относят среднеуглеродистые, а также низколегированные сплавы. Так как применяются они в основном для возведения зданий, то наиболее важной характеристикой для них является хорошая свариваемость. Из цементируемой стали чаще всего изготавливаются различные детали, основным предназначением которых являются работа в условиях поверхностного износа и динамическая нагрузка.

Другие стали

К другим типам стали можно отнести улучшаемую. Этот вид сплава используют только после проведения термообработки. Сплав подвергается воздействию высоких температур для закалки, а после этого подвергается отпуску в какой-либо среде.

К типу высокопрочных сталей относят те, у которых после подбора химического состава, а также после прохождения термообработки прочность достигает практически максимума, то есть примерно вдвое больше, чем у обычного типа этого продукта.

Можно выделить также пружинные стали. Это сплав, который в результате своего производства получил наилучшие качества по пределу упругости, сопротивлению нагрузкам, а также усталости.

Состав нержавеющей стали

Нержавеющая сталь относится к типу легированных. Основное ее свойство — это высокое сопротивление коррозии, которое достигается за счет добавления такого элемента, как хром, в состав сплава. В некоторых ситуациях вместо хрома может быть использован никель, ванадий или марганец. Стоит отметить, что при плавке материала и добавлении в него нужных элементов, он может получить свойства одной из трех марок нержавеющей стали.

Состав этих видов сплава, конечно же, отличается. Самыми простыми считаются обычные сплавы с повышенной устойчивостью к коррозии 08 Х 13 и 12 Х 13. Последующие два типа этого коррозионностойкого сплава, должны обладать высоким сопротивлением не только при нормальных, но и при повышенных температурах.