Маркировка легированных сталей.

В России обозначение марки стали содержит сочетание букв отечественного алфавита и цифр. Буквы означают:

А – содержание азота, если А стоит не последней, или чистую по примесям сталь, если А стоит последней

Б – содержание ниобия

В – содержание вольфрама

Г – содержание марганца

Д – содержание меди

К – содержание кобальта

Л – ставится в конце, если сталь только для литых деталей

М – содержание молибдена

Н – содержание никеля

Р – если стоит первой , сталь быстрорежущая и цифра означает содержание вольфрама, если стоит не первой, то сталь содержит бор

С – содержание кремния

Т - содержание титана

Ф – содержание ванадия

Х – содержание хрома

Ш - ставится в конце, если сталь прошла электрошлаковый переплав

Ю – содержание алюминия.

Стоящая после буквы цифра означает среднее содержание элемента в целых процентах, при содержании менее 1% цифру не ставят.

Цифры в начале марки относятся к среднему содержанию углерода:

2 или 3цифры – сталь конструкционная, углерод – в сотых долях %

20Х13 – 0,20%С и 13% хрома, 110Г13Л – 1,1%С и 13% марганца

1 цифра – сталь инструментальная, углерод – в десятых долях %

9ХС – 0,9%С, нет цифры – в инструментальной стали более 1%С.

Единого международного стандарта маркировки (обозначения марки) сталей не существует.

Конструкционные стали.

Конструкционные стали должны иметь достаточно высокую прочность и вместе с тем запас пластичности и ударной вязкости. Эти стали должны сопротивляться коррозии в атмосфере и быть достаточно технологичными при пластической деформации. Большинство таких сталей должно соединяться с помощью сварки. Вместе с тем стараются, чтобы стали были относительно дешевы и не содержали дефицитных химических элементов.

Основные типы конструкционных сталей перечислены в таблице 8.1

Таблица 8.1 – Типы конструкционных сталей

Название	Содержание углерода
Строительные стали	0,1 – 0,25%
Цементуемые стали	0,15 – 0,25%
Улучшаемые стали	0,3 – 0,5%
Высокопрочные стали	не более 0,03%
Пружинные стали	0,5 – 0,7%
Износостойкие стали	более 1%С
Судостроительные стали	0,08 – 0,22%

СТРОИТЕЛЬНЫЕ стали применяют для строительства домов(железобетон, перекрытия), мостов, дорог и т.д. Низкое содержание углерода необходимо для получения сварных конструкций без трещин. Предел текучести углеродистых строительных сталей не превышает 240 МПа. При содержании в стали 1,5% Mn и 0,7% Si предел текучести увеличится до 360 МПа. Похожие по составу стали применяют для строительства газопроводов из сварных труб большого диаметра. Например, сталь 16Г2САФ имеет предел текучести не менее 420 МПа.

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ стали применяют для работы в условиях износа поверхности деталей при трении (валы, шестерни и т. д.). С целью повышения твердости поверхности для таких деталей делают цементацию, затем закалку с низким отпуском. Сталь без легирующих элементов применяют для деталей малых размеров или в случаях, когда не требуется упрочнение при закалке средней части детали.

Если деталь имеет средний размер и не требуется сильное упрочнение при закалке средней части детали, применяют низколегированные стали типа 15Х, 15ХФ.

Для больших деталей сложной формы или при необходимости противостоять ударным нагрузкам применяют стали 18ХГТ, 18Х2Н4МА. В этих сталях легирующие элементы обеспечивают сквозную прокаливаемость, средняя часть деталей приобретает структуру мартенсита отпуска.

УЛУЧШАЕМЫЕ стали содержат не более 5% легирующих элементов. Для этих сталей всегда проводится закалка с высоким отпуском при 550 – 650С (термическое улучшение).

Улучшаемые стали имеют высокую прочность, пластичность и ударную вязкость. Если обеспечена сквозная прокаливаемость, прочность всех сталей данной группы близка между собой. При выборе марки стали учитывают максимальное сечение детали (чем оно больше, тем выше требуется прокаливаемость) и минимальную температуру эксплуатации.

В качестве примера сравним свойства нескольких улучшаемых сталей (таблица 8.2).

Таблица 8.2 – Характеристики улучшаемых сталей

Марка стали	Dкр,мм	Т50, С
40	10	- 20
30ХГС	25	- 20
40ХНМ	50	- 70
38ХН3МФ	100	- 100

Сравнение показывает, что введение в химический состав стали примерно 3%Ni одновременно повышает прокаливаемость и снижает допустимую температуру эксплуатации до – 100С. Получается, что для самых больших и тяжелых деталей мы вынуждены применять наиболее дорогие стали.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ стали – это стали с пределом прочности не менее 1500 МПа.

Указанный уровень прочности может быть получен, если для легированной улучшаемой стали после закалки провести низкий отпуск. Но в этом случае пластичность и ударная вязкость стали будет очень мала, возникает опасность хрупкого разрушения.

Сталь 03Н18К9М5Т подвергают закалке на мартенсит с температуры 800 – 850С. В стали мало углерода, после закалки на мартенсит ее пластичность не менее 20%, предел прочности примерно 1200 МПа. В закаленном состоянии (!!!) сталь можно подвергать холодной пластической деформации, обработке резанием, сварке. Затем проводят отпуск при 450-500С. В структуре мартенсита выделяется до 20% (от веса стали) химического соединения – интерметаллидов Ni₃Ti . Появление в структуре мелких равномерно распределенных частиц новой фазы повышает предел прочности до 2000 МПа, предел текучести не менее 1800 МПа. Сохраняется пластичность не менее 12%.

Выделение новой фазы при распаде пересыщенного твердого раствора называют СТАРЕНИЕМ. Поэтому рассматриваемые стали называют мартенситостареющими высокопрочными. Их применяют в авиации и в космической технике – там, где требуется высокая УДЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ (то есть прочность на единицу веса материала). Эти стали могут работать при нагреве не более 450С и при охлаждении до – 200С.

Недостатком таких сталей является очень высокая цена. Очень низкое содержание углерода требует использовать дорогие чистые металлы и вести выплавку в вакуумных печах.

ПРУЖИННЫЕ стали используют в упругих элементах. Главное требование к этим сталям – обеспечить высокий предел упругости при значениях предела текучести не менее 800 МПа.

Пружинные стали подвергают закалке на мартенсит и отпуску при 350 – 450С. Пружинные стали содержат 0,5 – 0,7% углерода и обычно около 1% Mn и Si – это дополнительно повышает прочностные свойства стали и увеличивает прокаливаемость.

ИЗНОСОСТОЙКИЕ стали используют там, где требуется высокая стойкость к износу в условиях ударных нагрузок. Такие условия работы не выдерживают цементуемые стали. Сталь 110Г13Л после закалки имеет структуру аустенита благодаря высокому содержанию Mn и С. Твердость стали после литья около 20 HRC. Но если при эксплуатации поверхностный слой подвергается пластической деформации, в деформированном слое образуется высокоуглеродистый мартенсит деформации с твердостью не менее 50 HRC.

Недостатком рассматриваемой стали является плохая обрабатываемость резанием – произойдет упрочнение поверхности при деформации инструментом. Кроме того, эти стали плохо работают при чисто абразивном износе (песок и т.д.), когда отсутствует заметная пластическая деформация.

СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ стали – это не только материалы для изготовления корпусов кораблей. В данную группу также входят стали для стационарных и плавучих морских буровых платформ, глубоководных аппаратов и других механизмов, используемых в море и в морских портах.

Все судостроительные стали используют в сварных конструкциях в интервале рабочих температур от – 60 до + 100С в условиях коррозионного воздействия морской воды, многократных статических и динамических нагрузок. Требование к этим сталям – при достаточно высокой прочности обеспечить стойкость к коррозии и технологичность при сварке, холодной и горячей пластической деформации.

Содержание углерода в судостроительных сталях, как правило, составляет от 0,08 до 0,22%. Низкое содержание углерода (а это вызовет снижение прочности стали) вызвано следующими причинами:

1. Необходимо обеспечить сварку в больших сечениях без образования трещин в сварном шве и в ЗТВ (зоне термического влияния). Сварка сопровождается быстрым разогревом стали до ~1600*С и быстрым охлаждением – тепло отводится в окружающий металл. Если содержание углерода превышает 0,22%, на границе сварного шва образуется высокоуглеродистый мартенсит с низкой пластичностью, появляются «холодные трещины». Стали с более высоким содержанием углерода сваривают в подогретом до 250 – 350С состоянии с последующим отжигом для снятия напряжений, что для судостроительных конструкций невозможно.

2. Повышение содержания углерода отрицательно влияет на хладноломкость и ударную вязкость стали.

3. Необходимо обеспечить, снижая содержание углерода в стали, высокую технологическую пластичность, чтобы проводить без подогрева гибку толстого листа после окончательной термической обработки.

4. Чем ниже содержание углерода в стали, тем выше ее стойкость к коррозии.

В судостроительные стали вводят Mn и Si – это повышает прочность стали. Содержание Mn, как правило, не превышает 1,5%, а Si – 1%. При дальнейшем повышении содержания в сталях Mn и Si снижается пластичность и кривые хладноломкости сдвигаются вправо.

Введение в состав судостроительных сталей Ni и Cu повышает прочность.

Кроме того, Ni снижает порог хладноломкости, а Cu повышает стойкость к коррозии. Содержание Cu не должно превышать предельной растворимости, выделение кристаллов Cu не желательно.

Микролегирование V, Nb, Al и Ti способствует формированию мелкозернистой структуры и препятствует росту зерна в зоне термического влияния при сварке.

При производстве судостроительных сталей часто используют специальные методы выплавки и очистки сталей (плавка в электропечах, вакуумирование в ковше, ЭШП).Это позволяет обеспечить содержание серы и фосфора менее 0,04%. Минимальное содержание фосфора и серы снижает порог хладноломкости и уменьшает анизотропию (повышается сопротивляемость слоистым разрушениям при высоких растягивающих напряжениях, действующих в поперечном или Z – направлении).

Применяют при производстве судостроительных сталей специальные технологии пластической деформации. На последней операции листовой прокатки температуру деформируемой стали понижают, а степень деформации стараются сделать максимально высокой. В процессе рекристаллизации образуется более мелкое зерно, повышается прочность стали, пластичность и ударная вязкость. Сразу после окончания прокатки лист охлаждают на воздухе (нормализация) или с помощью сильной струи воды с двух сторон листа (закалка).

Существует международная классификация судостроительных сталей. Они разделены не 4 группы (А,В,D и E). Сталь каждой группы может поставляться с гарантированной прочностью (предел текучести) не менее 235(стали нормальной прочности), 315, 355 и 390 МПа (стали повышенной прочности). Например, В32 – сталь с пределом текучести не менее 315 МПа. Также должно быть обеспечено определенное значение ударной вязкости при испытании на образцах с V – образным надрезом при температуре:

А – не подвергается испытанию

В при 0С

D при – 20С

E при – 40С.