Види сталі, класифікація та властивості

Сталь — це сплав заліза з вуглецем (до 2,14%) і, в окремих випадках, з іншими легуючими елементами. Від чавуну вона відрізняється нижчим вмістом вуглецю, що й забезпечує головну перевагу — комбінацію високої міцності з доброю оброблюваністю та пластичністю. Тобто це матеріал, який можна легко формувати, різати, зварювати і підлаштовувати під будь-які потреби, не втрачаючи при цьому витривалості. Саме тому вона настільки універсальна. У найширшому сенсі сталь поділяється на дві великі категорії: вуглецеву та леговану. Далі вони поділяються на більш вузькі підвиди залежно від вмісту вуглецю, легуючих елементів і призначення.  Завдяки можливості контролювати хімічний склад та обробку, сталь може бути адаптована під різні вимоги: від суперміцного броньованого захисту до надтонкої хірургічної голки. Це відкриває безмежні можливості для інженерів і розробників. Далі ми детально розглянемо класифікацію сталей, щоб краще зрозуміти, які види існують і для чого кожен з них призначений.

Рис.1 Види сталі

 

Класифікація сталей

Класифікація сталі — це перший крок до її правильного вибору. Від того, яку саме сталь ви оберете, залежатимуть її міцність, стійкість до зношування, оброблюваність та навіть ціна. У промисловості та будівництві не існує універсальної сталі — під кожне завдання підбирають свій оптимальний вид сталі.

Класифікація за хімічним складом

Вуглецева сталь
Це найпростіший тип сталі, який складається в основному з заліза та вуглецю. Додаткових легуючих елементів у значних кількостях у ній немає. Вуглецеві сталі діляться на три категорії залежно від вмісту вуглецю: низьковуглецеві (до 0,25%), середньовуглецеві (0,25–0,6%) і високовуглецеві (понад 0,6%). Чим більше вуглецю, тим твердіша і крихкіша сталь. Вуглецеві сталі недорогі, добре зварюються, але мають невисоку зносостійкість та корозійну стійкість.

Легована сталь
Це сталь, до складу якої входять додаткові хімічні елементи, що значно впливають на її властивості. Найчастіше додають хром, нікель, молібден, ванадій або марганець тощо. Вони роблять матеріал більш стійким до корозії, міцним, жаростійким чи зносостійким. За кількістю легуючих елементів леговану сталь поділяють на: низьколеговану (до 2,5% легуючих елементів); середньолеговану (2,5–10%); високолеговану (понад 10%).

Класифікація за призначенням

Конструкційна сталь
Цей тип сталі призначений для створення несучих каркасів, опорних елементів, балок, шасі машин тощо. Вона має добру зварюваність, стабільну міцність та стійкість до механічних навантажень. Її маркують як Ст3, 10, 20, 45 тощо. Існує також поділ конструкційних сталей на групи:

Група А — сталі з гарантованими механічними властивостями, але без жорсткої регламентації хімічного складу. Їх легко обробляти, однак склад може коливатися від партії до партії.
Група Б — сталі з точно визначеним хімічним складом, а властивості досягаються через термічну обробку. Використовуються там, де важлива точність.
Група В — комбінація двох попередніх: регламентовані і хімічний склад, і механічні властивості. Найчастіше застосовуються в відповідальних конструкціях.

Інструментальна сталь
Це сталеві сплави, з яких виготовляють різальні, штампувальні, вимірювальні та інші типи інструментів. Вони мають високу твердість, зносостійкість і зберігають ці властивості навіть при сильному нагріванні. Бувають:

Спеціального призначення
Це сталі, які застосовуються в особливих умовах — підвищена температура, агресивні хімічні середовища, високий тиск. Сюди входять: Шарикопідшипникові сталі — висока зносостійкість і витривалість завдяки вмісту хрому.  Жароміцні сталі — працюють при температурах понад 600 °С без втрати механічних властивостей.  Кислотостійкі та корозійностійкі сталі — для хімічного обладнання, трубопроводів, резервуарів.

Кожна з цих категорій створена для чітко визначених умов експлуатації, тому грамотний вибір сталі — це запорука надійної і довговічної роботи будь-якого механізму чи конструкції.

Основні властивості сталей

Вибір сталі завжди базується на її властивостях. Саме фізико-механічні та хімічні характеристики визначають сферу застосування конкретного типу сталі. У цьому розділі розглянемо ключові параметри, за якими оцінюється якість і ефективність сталевого сплаву.

Механічні властивості

• Міцність

Це здатність сталі протистояти зовнішнім механічним зусиллям — тиску, розтягуванню, згину або скручуванню. Чим вища міцність, тим більші навантаження може витримати конструкція без руйнування. Наприклад, конструкційні сталі типу 45 мають високу міцність, що дозволяє використовувати їх у відповідальних механічних вузлах.

• Твердість

Означає здатність матеріалу чинити опір проникненню іншого тіла. Це важлива характеристика для інструментальних сталей. Вона вимірюється за шкалами Брінелля, Роквелла або Віккерса. Швидкорізальні сталі мають твердість до 65 HRC та навіть більше, що дозволяє їм зберігати ріжучу здатність при високих температурах.

• Пластичність

Визначає здатність сталі деформуватись без утворення тріщин або розривів. Вуглецеві сталі з низьким вмістом вуглецю (типу Ст3) мають високу пластичність і добре зварюються. Пластичність важлива для деталей, що піддаються багаторазовим вигинам або ударам.

• В'язкість

Це здатність матеріалу поглинати механічну енергію під час удару, не руйнуючись. В’язкі сталі краще витримують динамічні навантаження, що виникають, наприклад, у транспортних засобах або машинних механізмах.

Фізичні властивості

Теплопровідність
Одна з ключових характеристик для сталей, які використовуються в теплообмінниках, двигунах, трубопроводах. Наприклад, у жароміцних сталях теплопровідність повинна бути стабільною навіть при високих температурах.

Теплостійкість
Це здатність сталі зберігати механічні характеристики при нагріванні. Для швидкорізальних інструментів важливо, щоб сталь не втрачала твердість навіть при температурі до 650 °С.

Електропровідність
Хоча сталь не є добрим провідником, ця властивість важлива для окремих інженерних задач. Електропровідність зменшується з додаванням легувальних елементів.

Магнітні властивості сталі залежать від її складу та обробки. Більш детально про магнітні властивості читайте у статті: Чим відрізняється магнітна нержавіюча сталь від немагнітної? 

Хімічні властивості

Хімічна та корозійна стійкість
Наявність хрому у складі сталі забезпечує утворення пасивної захисної плівки на поверхні, що запобігає корозії. Нержавіючі сталі типу AISI 304 або 316 широко застосовуються у харчовій, медичній та хімічній промисловості саме завдяки цій властивості.

Вплив легувальних елементів

Хром - підвищує зносостійкість, твердість, корозійну стійкість. При вмісті понад 12% створює пасивуючий шар, що запобігає окисленню. Нікель - покращує пластичність, міцність, опір корозії. Сталі з нікелем використовують у холодильному обладнанні, хімічній промисловості. Вольфрам - зберігає твердість при високих температурах. Важливий компонент швидкорізальних і жароміцних сталей. Молібден - сприяє підвищенню жаростійкості та міцності при тривалому нагріванні. Також покращує зварюваність та корозійну стійкість. Ванадій - підвищує ударну в'язкість та дрібнозернистість структури, що позитивно впливає на довговічність сталі.

Таким чином, властивості сталі — це не просто перелік технічних характеристик. Це набір показників, який дозволяє адаптувати матеріал під будь-які технологічні чи експлуатаційні умови, забезпечуючи безпечну, надійну та довговічну роботу у всіх сферах людської діяльності.

Таблиця хімічного складу сталей

Позначення		Cnociб розкислюва-ння	Вуглець для виробів з номінальною товщи- ною у міліметрах, %, не більше ніж			Kремній	Mapганець	Фосфор	Сірка	Aзот	Мідь	Інші
згідно з EN 10027-1 тa CR 10260	згідно з EN 10027-2		>16	>16  40	> 40	%, не більше ніж
S235JR S235JO S235J2	1.0038 1.0114 1.0117	FN FN FF	0,17 0,17 0,17	0,17 0,17 0,17	0,20 0,17 0,17	- - -	1,40 1,40 1,40	0,035 0,030 0,025	0,035 0.030 0,025	0,012 0,012 -	0,55 0,55 0,55	- - -
S275JR S275JO S275J2	1.0044 1.0143 1.0145	FN FN FF	0,21 0,18 0,18	0,21 0,18 0,18	0,22 0,18 0, 18	- - -	1,50 1,50 1,50	0,035 0,030 0,025	.. 0,035 0,030 0,025	0,012 0,012 -	0,55 0,55 0,55	- - -
S355JR	1.0045	FN	0,24	0,24	0,24	0,55	1,60	0,035	0,035	0,012 0,012 - -	0,55	-
S355JO	1.0553	FN	0,20	0,20>	0,22	0,55	1,60	0,030	0,030		0,55	-
S355J2 S355K2	1.0577 1.0596	FF FF	0,20  0,20	0,20> 0,20>	0,22 0,22	0,55 0,55	1,60 1,60	0,025 0,025	0,025 0,025		0,55 0,55	- -
S450J0	1.0590	FF	0,20	0,20>	0,22	0,55	1,70	0,030	0,030	0,025	0,55

*До таблиці можливі винятки, що стосуються хімічного складу сталі залежно від типу виробу, його товщини чи спеціальної обробки. Наприклад, допускається збільшення вмісту сірки чи фосфору для довгомірних виробів або зміна вмісту вуглецю та азоту за узгодженням, якщо це підтверджено відповідною документацією. Детальні технічні умови, включно з усіма винятками та додатковими вимогами, наведені в "НАЦІОНАЛЬНОМУ СТАНДАРТІ УКРАЇНИ. ВИРОБИ ГАРЯЧЕКАТАНІ З КОНСТРУКЦІЙНОЇ СТАЛІ. Частина 2. Технічні умови постачання нелегованих конструкційних сталей (EN 10025-2:2004, IDT) ДСТУ EN 10025-2:2007"

Маркування сталей зазвичай включає цифри та літери, що вказують на склад матеріалу, його характеристики та призначення. Це дозволяє швидко визначити тип сталі, її властивості та можливі сфери використання. Більш детально читайте у статті: Марки нержавіючої сталі

Контроль якості сталей

Контроль якості сталевих виробів — це важлива частина виробництва, яка гарантує відповідність продукції технічним вимогам і стандартам. Залежно від умов постачання, контроль може бути специфічним або неспецифічним. У неспецифічному контролі проводять базові випробування, а результати оформлюють як сертифікат відповідності. У специфічному ж — перелік перевірок ширший, і все фіксується у докладній технічній документації. Вид контролю і форма звітності визначаються відповідно до вимог європейського стандарту EN 10025-1. Частота випробувань встановлюється залежно від групи якості сталі та способу її постачання — за партіями або за плавками. Випробні одиниці формуються з матеріалів однакової марки, товщини та стану постачання. Обов’язковими під час контролю є перевірки на розтяг, хімічний склад та ударну в’язкість. Окремі додаткові випробування можуть бути погоджені під час оформлення замовлення. Загалом основна увага приділяється саме групам якості, адже вони визначають здатність сталі витримувати ударні навантаження, особливо при низьких температурах. Групи якості позначаються як JR, J0, J2 та K2. Чим «вище» група, тим краща стійкість сталі до ударів. Наприклад, сталь групи JR має базову ударну в'язкість, тоді як J2 та K2 забезпечують значно кращу опірність крихкому руйнуванню. Це важливо в умовах підвищеного навантаження або в холодному кліматі, де матеріал може швидко вийти з ладу без належної якості. Щодо методів випробування, то хімічне аналізування проводиться згідно з вимогами стандарту EN 10025-1. Механічні випробування також здійснюються відповідно до цього ж стандарту. Ультразвукове випробування виконується згідно з EN 10025-1. У випадку потреби повторні випробування також проводять відповідно до положень EN 10025-1. Таким чином, система контролювання дозволяє впевнено оцінити якість сталі та забезпечити її надійність у будь-яких умовах використання.

Загалом переваги сталі полягають у її високій міцності та довговічності: завдяки високій міцності на розтяг і стиск сталь здатна витримувати великі навантаження без руйнування, що робить її ідеальним матеріалом для використання у промислових конструкціях. Крім того, її виготовлення є порівняно недорогим, а термін служби — десятиліття, що робить сталь економічно вигідним матеріалом. Завдяки легувальним елементам, таким як хром, нікель чи молібден, або ж термічній обробці, можна змінювати властивості сталі, роблячи її жаростійкою, нержавіючою, зносостійкою або надзвичайно твердою. Це дозволяє отримувати безліч різних варіантів сталі для різних цілей. Загалом, сталі для метизів часто виготовляються на основі вуглецевих і легованих сплавів, де вміст вуглецю та легувальних елементів визначає властивості сталі та її здатність до обробки, механічні характеристики та зносостійкість. Одним із найпоширеніших типів є сталь марок 45, 50, 65 та хромо-нікелеві сталі для виробництва високоякісних метизів.

В асортименті Dinmark представлені засоби кріплення з різних видів сталі, що дозволяє обрати оптимальне рішення для будь-яких умов експлуатації — від побутових до промислових. Якість, надійність та різноманітність продукції роблять Dinmark надійним партнером у сфері кріпильних рішень.