Виды стали, классификация и свойства

Сталь – это сплав железа с углеродом (до 2,14%) и, в отдельных случаях, с другими легирующими элементами. От чугуна она отличается более низким содержанием углерода, что обеспечивает главное преимущество — комбинацию высокой прочности с хорошей обрабатываемостью и пластичностью. То есть, это материал, который можно легко формировать, резать, сваривать и подстраивать под любые потребности, не теряя при этом выносливости. Именно поэтому она столь универсальна. В самом широком смысле сталь делится на две большие категории: углеродную и легированную. Дно они делятся на более узкие подвиды в зависимости от содержания углерода, легирующих элементов и назначения.  Благодаря возможности контролировать химический состав и обработку, сталь может быть адаптирована под разные требования: от суперпрочной бронированной защиты до сверхтонкой хирургической иглы. Это открывает безграничные возможности для инженеров и разработчиков. Далее мы подробно рассмотрим классификацию сталей, чтобы лучше понять, какие виды существуют и зачем каждый из них предназначен.

Рис.1 Виды стали

Классификация сталей

Классификация стали – это первый шаг к ее правильному выбору. От того, какую именно сталь вы выберете, будет зависеть ее прочность, износостойкость, обрабатываемость и даже цена. В промышленности и строительстве нет универсальной стали — под каждую задачу подбирают свой оптимальный вид стали.

Классификация по химическому составу

Углеродистая сталь
Это самый простой тип стали, состоящий в основном из железа и углерода. Дополнительных легирующих элементов в больших количествах в ней нет. Углеродные стали делятся на три категории в зависимости от содержания углерода: низкоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,25–0,6%) и высокоуглеродистые (свыше 0,6%). Чем больше углерода, тем твердее и хрупче сталь. Углеродные стали недорогие, хорошо свариваются, но обладают невысокой износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Легована сталь
Это сталь, в состав которой входят дополнительные химические элементы, оказывающие значительное влияние на ее свойства. Чаще добавляют хром, никель, молибден, ванадий или марганец. Они делают материал более стойким к коррозии, крепким, жаростойким или износостойким. По количеству легирующих элементов легированную сталь делят на: низколегированную (до 2,5% легирующих частей); среднелегированную(2,5–10%);высоколегированный (свыше 10%).

Классификация по назначению

Конструкционная сталь
Этот тип стали предназначен для создания несущих каркасов, опорных элементов, балок, шасси машин и т.д. Она обладает хорошей свариваемостью, стабильной прочностью и устойчивостью к механическим нагрузкам. Ее маркируют как Ст3, 10, 20, 45 и т.д. Существует также разделение конструкционных сталей на группы:

Группа А – стали с гарантированными механическими свойствами, но без жесткой регламентации химического состава. Их легко обрабатывать, однако состав может колебаться от партии к партии.
Група Б стали с точно определенным химическим составом, а свойства достигаются через термическую обработку. Используются там, где важна точность.
Группа С — комбинация двух предыдущих: регламентированные и химический состав и механические свойства. Чаще всего применяются в ответственных конструкциях.

Инструментальная сталь
Это стальные сплавы, из которых изготовляют режущие, штамповочные, измерительные и другие типы инструментов. Они обладают высокой твердостью, износостойкостью и сохраняют эти свойства даже при сильном нагревании. Бывают:

Специального назначения
Это стали, применяемые в особых условиях – повышенная температура, агрессивные химические среды, высокое давление. Сюда входят: Шарикоподшипниковые стали – высокая износостойкость и выносливость благодаря содержимому хрома.  Жаропрочные стали работают при температурах свыше 600 °С без потери механических свойств.  Кислотостойкие и коррозионностойкие стали – для химического оборудования, трубопроводов, резервуаров.

Каждая из этих категорий предназначена для четко определенных условий эксплуатации, поэтому грамотный выбор стали — это залог надежной и долговечной работы любого механизма или конструкции.

Основные свойства сталей

Выбор стали всегда основан на ее свойствах. Именно физико-механические и химические характеристики определяют область применения конкретного типа стали. В этой главе рассмотрим ключевые параметры, по которым оценивается качество и эффективность стального сплава.

Механические свойства

• Прочность

Это способность стали противостоять внешним механическим усилиям – давлению, растяжению, изгибу или скручиванию. Чем выше крепкость, тем большие перегрузки может выдержать конструкция без разрушения. Например, конструкционные стали типа 45 обладают высокой прочностью, что позволяет использовать их в ответственных механических узлах.

• Твердость

Означает способность материала сопротивляться проникновению другого тела. Это принципиальная черта для инструментальных сталей. Она измеряется по шкалам Бринелля, Роквелла или Виккерса. Быстрорежущие стали имеют жесткость до 65 HRC и даже больше, что позволяет им сохранять режущую способность при высоких температурах.

• Пластичность

Определение способности стали деформироваться без трещин или разрывов. Углеродистые стали с низким содержанием углерода (типа Ст3) обладают высокой пластичностью и хорошо свариваются. Пластичность важна для деталей, подвергающихся многократным изгибам или ударам.

• Вязкость

Это способность материала поглощать механическую энергию при ударе, не разрушаясь. Вяжущие стали лучше выдерживают динамические нагрузки, возникающие, например, в транспортных средствах или машинных механизмах.

Физические свойства

Теплопроводность
Одна из ключевых характеристик для сталей, используемых в теплообменниках, двигателях, трубопроводах. К примеру, в жаропрочных сталях теплопроводность должна быть стабильной даже при высоких температурах.

Теплостойкость
Это способность стали сохранять механические свойства при нагревании. Для быстрорежущих инструментов важно, чтобы сталь не теряла жесткость даже при температуре до 650 °С.

Электропроводность
Хотя сталь не является хорошим проводником, это свойство важно для отдельных инженерных задач. Электропроводность уменьшается с добавлением легирующих элементов.

Магнитные свойства стали зависят от ее состава и отделки. Более подробно о магнитных свойствах читайте в статье: Марки нержавеющей стали 

Химические свойства

Химическая и коррозионная стойкость
Наличие хрома в составе стали обеспечивает образование пассивной защитной пленки на поверхности, предотвращающей коррозию. Нержавеющие стали типа AISI 304 или 316 широко применяются в пищевой, медицинской и химической промышленности именно благодаря этому свойству.

Воздействие легирующих элементов

Хром – повышает износостойкость, твердость, коррозионную стойкость. При содержании более 12% создает пассивирующий слой, предотвращающий окисление. Никель – улучшает пластичность, прочность, сопротивление коррозии. Стали с никелем используются в холодильном оборудовании, химической промышленности. Вольфрам – сохраняет твердость при высоких температурах. Важный компонент быстрорежущих и жаропрочных сталей. Молибден – способствует повышению жаростойкости и прочности при длительном нагревании. Также улучшает сварку и коррозионную стойкость. Ванадий – повышает ударную вязкость и мелкозернистость структуры, что положительно влияет на долговечность стали.

Таким образом, свойства стали – это не просто перечень технических характеристик. Это набор показателей, позволяющий адаптировать материал под любые технологические или эксплуатационные условия, обеспечивая безопасную, надежную и долговечную работу во всех областях человеческой деятельности.

Таблица химического состава сталей

Обозначение		Способ раскисления	Углерод для изделий номинальной толщиной в миллиметрах			Кремний	Марганец	Фосфор	Сера	Aзот	Медь	Прочие
в соответствии с EN 10027-1 и CR 10260	в соответствии с EN 10027-2		>16	>16  40	> 40	%, не более чем
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

*К таблице возможны исключения, относящиеся к химическому составу стали в зависимости от типа изделия, его толщины или специальной обработки. Например, допускается увеличение содержания серы или фосфора для длинномерных изделий или изменение содержания углерода и азота по согласованию, если это подтверждено соответствующей документацией. Подробные технические условия, включая все исключения и дополнительные требования, приведены в НАЦИОНАЛЬНОМ СТАНДАРТЕ УКРАИНЫ. IDT) ДСТУ EN 10025-2:2007"

Маркировка сталей обычно включает цифры и буквы, указывающие на состав материала, его характеристики и назначение. Это позволяет быстро определить тип стали, ее свойства и возможные сферы использования. Более подробно читайте в статье:  Чем отличается магнитная нержавеющая сталь от немагнитной?

Контроль качества сталей

Контроль качества стальных изделий – это важная часть производства, гарантирующая соответствие продукции техническим требованиям и стандартам. В зависимости от условий поставки контроль может быть специфическим или неспецифическим. В неспецифическом контроле производят базовые испытания, а результаты оформляют как сертификат соответствия. В специфическом же перечень проверок шире, и все фиксируется в подробной технической документации. Вид контроля и форма отчетности определяются в соответствии с требованиями европейского стандарта EN 10025-1. Частота испытаний устанавливается в зависимости от группы качества стали и способа ее снабжения — по партиям или плавкам. Испытательные единицы формируются из материалов одинаковой марки, толщины и состояния снабжения. Обязательны при контроле проверки на растяжение, химический состав и ударную вязкость. Отдельные дополнительные испытания могут быть согласованы при оформлении заказа. В общем, основное внимание уделяется именно группам качества, ведь они определяют способность стали выдерживать ударные нагрузки, особенно при низких температурах. Группы качества обозначаются как JR, J0, J2 и K2. Чем выше группа, тем лучше устойчивость стали к ударам. Например, сталь группы JR имеет базовую ударную вязкость, тогда как J2 и K2 обеспечивают значительно лучшую устойчивость к хрупкому разрушению. Это важно в условиях повышенной нагрузки или холодном климате, где материал может быстро выйти из строя без должного качества. Что касается методов испытания, то химический анализ проводится в соответствии с требованиями стандарта EN 10025-1. Механические испытания также производятся в соответствии с этим же стандартом. Ультразвуковое испытание производится согласно EN 10025-1. В случае необходимости повторные испытания также проводят в соответствии с положениями EN 10025-1. Таким образом, система контроля позволяет уверенно оценить качество стали и обеспечить ее надежность в любых условиях использования.

В общем, преимущества стали заключаются в ее высокой прочности и долговечности: благодаря высокой прочности на растяжение и сжатие сталь способна выдерживать большие нагрузки без разрушения, что делает ее идеальным материалом для использования в промышленных конструкциях. Кроме того, ее изготовление сравнительно недорогим, а срок службы — десятилетие, что делает сталь экономически выгодным материалом. Благодаря легировочным элементам, таким как хром, никель или молибден или термической обработке, можно изменять свойства стали, делая ее жаростойкой, нержавеющей, износостойкой или чрезвычайно жесткой. Это позволяет получать множество разных вариантов стали для разных целей. В целом, стали для метизов часто изготавливаются на основе углеродных и легированных сплавов, где содержание углерода и легировочных элементов определяет свойства стали и ее обрабатываемость, механические характеристики и износостойкость. Одним из наиболее распространенных типов является сталь марок 45, 50, 65 и хромо-никелевые стали для производства высококачественных метизов.

В ассортименте Dinmark представлены крепёжные изделия из различных видов стали, что позволяет выбрать оптимальное решение для любых условий эксплуатации — от бытовых до промышленных. Качество, надёжность и разнообразие продукции делают Dinmark надёжным партнёром в сфере крепёжных решений.