Классификация, маркировка и применение конструкционных материалов

1.0. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Инженеру в его работе необходимы знания в области применения материалов, поскольку на практике приходится решать вопросы их подбора для конкретных условий эксплуатации. Следствием неправильного выбора является плохое качество и недолговечность конструкций, машин и оборудования. Нередко эти условия являются очень специфичными: низкие или высокие температуры, агрессивные химические среды, знакопеременные циклические нагружения, особые условия трения и т.д. Часто материалы работают в условиях одновременного воздействия многих факторов.

Знания в области применения включают в себя широкий круг вопросов: данные по составу и свойствам материалов, способам изменения и улучшения свойств, а также поведению материалов в тех или иных условиях эксплуатации. Поэтому конструкторы при выборе материала не могут учитывать один или два каких-либо критерия, например, прочность и пластичность при комнатной температуре, так как это не дает правильной оценки возможностей материала. Обычно они пользуются комплексной характеристикой, называемой конструктивной прочностью, которая учитывает одновременно конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы, а также требования экономической целесообразности.

Приняв во внимание многочисленность и разнообразие технических материалов по свойствам и поведению при работе, становится очевидным, что без знания принципов классификация материалов и способов их обозначения или маркировки невозможен выбор нужного материала для конкретных условий эксплуатации изделий.

Целью данной методической разработки является определение круга вопросов, служащих первоначальной основой изучения ряда наук о металлах, без усвоения которых невозможно успешное продвижение в общетехнических и специальных инженерных дисциплинах. Для ее выполнения поставлены следующие задачи:

1. Изложить принципы классификации металлических материалов и способы их маркировки в соответствии с государственными стандартами Российской Федерации (ГОСТ).

2. Ознакомить в общих чертах с областями применения и свойствами металлических материалов.

2.0. Указания к самостоятельной работе

Ознакомиться с разделом "Принципы классификации материалов"

Изучить материал по каждой отдельной группе материалов в следующем объеме:

а) название группы материалов;

б) принцип маркировки: значение букв и цифр марки;

в) по возможности воспроизвести весь ряд сплавов данной группы от первого до последнего;

г) ознакомиться с табличными данными на предмет их соответствия марке материала;

д) ознакомиться с областью применения материалов данной группы;

е) с целью облегчения дальнейшего использования материала в последующих инженерных дисциплинах рекомендуется указывать номер ГОСТа, по которому поставляется изготовителем и принимается заказчиком тот или иной материал.

3.0. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

В технике и быту применяется очень много разнообразных по составу, происхождению, свойствам и назначению материалов. И самой первой и самой простой классификацией всех материалов на группы является деление их на металлы и неметаллы. Поскольку круг рассматриваемых материалов в данной разработке ограничен металлами и их сплавами, приведем отличительные признаки металлов и неметаллов.

Отличительной особенностью металлов является их кристаллическое упорядоченное строение и способность деформироваться ковкой, что было отмечено еще М.В. Ломоносовым. Однако, более типичными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло - и электропроводность, увеличивающиеся с понижением температуры. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления r(Т): у металлов при Т®о, r®0, а у неметаллов r®¥. В ассортимент неметаллов включаются пластмассы, волокна, пленки, резины, клеи, древесина, стекло, керамика, лакокрасочные покрытия и т.д.

Из известных к настоящему времени 111 химических элементов 83 относят к металлам, хотя некоторые с оговоркой (Вi, Sb,Si), поскольку имеют свойства металлов и неметаллов. Заметное производство и применение нашли около 30 металлов, при этом на долю железа приходится более 90%, а на долю всех остальных менее 10%. Кроме того, следует иметь в виду, что в чистом виде металлы применяются редко. Чаще всего используются сплавы на их основе, так как сплавы имеют более высокие механические свойства и обладают комплексом специальных свойств: жаропрочностью, кислотостойкостью, магнитными свойствами и т.д. На основе железа производят сталь и чугун. Объем производства стали является важнейшим показателям технической и экономической мощи страны.

Число металлических сплавов, применяемых в технике, очень велико, при этом оно постоянно возрастает в связи с растущими требованиями многих отраслей промышленности. Классифицировать эти сплавы по одному признаку не удается, так как их состав, свойства, назначение и способы производства слишком многообразны. Поэтому существуют несколько признаков, по которым классифицируют сплавы: по химическому составу, по назначению, по свойствам, по способу выплавки, по степени раскисления, по структуре, качеству и т.д.

По химическому составу классификация основана на указании главного или основного компонента сплава, на основе которого сплав составлен: железо, медь, алюминий и т.д. Такая классификация позволяет распределить сплавы на небольшое число основных классов: а) сплавы на основе железа (стали, чугуны), б) медные сплавы (бронзы и латуни), в) алюминиевые сплавы (авиали, дюрали, силумины), г) магниевые сплавы, д) титановые сплавы, е) оловянистые и свинцовистые сплавы для подшипников (баббиты) и т.д. А самая большая группа сплавов - стали, в свою очередь, делится по химическому составу на 2 группы: углеродистые (нелегированные) стали и легированные.

По назначению стали делятся на 3 основные группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционные стали должны обладать высокими прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться и т.д. Стали конструкционные используются для изготовления деталей машин, механизмов в машиностроении и металлоконструкций в строительстве. Инструментальные стали должны обладать повышенной или высокой твердостью и износостойкостью, которые должны сохраняться при нагреве. Инструментальные стали применяются для изготовления инструмента для обработки металлов резанием, давлением, для изготовления мерительного инструмента. Специальные стали должны обладать какими-либо особыми свойствами: кислотостойкостью, жаропрочностью, магнитными или,наоборот, немагнитными свойствами и т.д. Основными потребителями сталей с особыми свойствами являются приборостроение, химические производства, ракетостроение, авиастроение, военная спецтехника и т.д.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Основными признаком качества является содержание вредных примесей в сталях: серы и фосфора. Предельно допустимое содержание примесей в сталях разных категорий качества следующее:

	Р	S
сталь обыкновенного качества	0,040%	0,050%
Качественная сталь	0,035%	0,035%
Высококачественная сталь	0,025%	0,025%
Особовысокачественная сталь	0,025%	0,015%

Категория обыкновенного качества относится только к сталям простым углеродистым (нелегированным), а две остальные категории относятся и к углеродистым, и к легированным сталям.

По степени раскисления (удаление кислорода из металла) стали могут быть спокойные (сп), полуспокойные (пс), и кипящие (кп), что указывается в марке. При одинаковым содержании углерода спокойные, полуспокойные и кипящие стали имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие в пластичности, что отражается на штампуемости в холодном состоянии. Это обусловлено содержанием остаточного кремния в стали:

Кипящая < 0,05%;

Полуспокойная сталь 0,05-0,15%;

Спокойная сталь 0,15 - 0,35%.

Чем больше кремния в стали, тем хуже штампуемость. Легированные стали выплавляются только спокойными в мартеновских или электрических печах. В качестве раскислителей металлурги используют марганец, кремний, алюминий.

По способу производства различают стали конверторные, мартеновские, электросталь и стали особых методов выплавки: электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-индукционная плавка (ВИП), вакуумно-диффузионная плавка (ВДП), электронно-лучевой переплав (ЭЛП), плазменно-дуговая плавка (ПДП). Применение особых методов выплавки позволяет получить более чистый качественный материал.

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к различным сталям, существуют более частные классификации отдельных групп сталей, которые требуют специальных знаний в области материаловедения и будут рассмотрены в соответствующих разделах этой дисциплины, например, классификация сталей по микроструктуре.

4.0.СПОСОБЫ МАРКИРОВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Обозначение марок сталей и других сплавов в нашей стране производят по буквенно-цифровой системе. Но для различных металлов и сплавов способы маркировки различаются информацией, заложенной в марке. Известны 3 принципиально различных способа маркировки.

Самым распространенным способ является "марка-состав", когда в марке заложена информация о составе по основным компонентам, входящим в сплав. Так обозначаются качественные углеродистые и легированные стали, медные сплавы, твердые сплавы, часть алюминиевых сплавов.

Более узкое применение имеет способ "марка-свойство". Таким способом обозначаются графитосодержащие чугуны. В марке заложена информация о прочности и пластических свойствах чугунов.

Следует отметить, что это два наиболее простых и одновременно информативных способа. Специалисту для начала уже достаточно этой информации, чтобы получить представление о возможностях данного сплава. К тому же по сравнению с принципами обозначения сплавов в других странах наша система считается наиболее наглядной и простой, чего нельзя сказать о третьем способе маркировки "марка-каталог". Согласно этому способу сплавам присваиваются номера, перед которыми для углеродистых сталей общего назначения стоят буквы "Ст" (сталь), для высоколегированных сталей сложного состава - индексы "ИЭ" или "ЭП" (марки исследовательские или пробные). В этом случае для расшифровки состава или свойств нужны соответствующие ГОСТы, технические условия или каталоги марок.

5.0.УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Основный продукцией черной металлургии является сталь-сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали колеблется в широких пределах от 0,1 до 2%. Сталь промышленного производства является сплавом сложным по химическому составу. Кроме основы-железа в ней содержится много элементов, наличие которых обусловлено различными причинами:

а) невозможностью их полного удаления: S,Р, О₂, N_2, Н₂;

б) технологическими особенностями производства: марганец и кремний, например, вводятся как раскислители;

в) случайные примеси из руды или шихты: Сr, Мn, Ni, Сu, Аs и др.

Содержание всех этих примесей будет зависеть от состава шихты и способа выплавки стали: конверторный, мартеновский, электроплавка, специальные способы выплавки.

Один элемент - углерод вводится в простую сталь намеренно, умышленно. Объясняется это тем, что углерод очень сильно влияет на свойства сталей даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому углерод и является основным элементом, изменяющим свойства сталей. С увеличением содержания углерода растут твердость - НВ, прочность - s_в, уменьшается пластичность d и вязкость (рис.5.1.)

Количество постоянных примесей в углеродистой стали ограничивается следующими пределами:

Мn ≤ 0,7%

Si ≤ 0,5%

Р ≤0,05%

S 0, ≤05%

Рис 5.1. Влияние углерода на механические свойства сталей.

При большем содержании этих элементов сталь следует отнести к сорту легированных сталей, где эти элементы специально вводятся с целью изменения свойств стали.

Марганец и кремний в углеродистой стали являются технологическими добавками, без них невозможно выплавить сталь. Их вводят при выплавке как раскислители, элементы, удаляющие кислород из стали. Марганец к тому же устраняет вредное действие серы, называемое красноломкостью, переводя серу в тугоплавкое соединение МnS.

Сера и фосфор являются вредными примесями железа и попадают в сталь из руды. Сера придает стали красноломкость, образуя соединение, плавящееся в районе температур горячей обработки давлением. Фосфор сообщает стали хладноломкость, что делает его опасным для изделий, работающих в районах с холодным климатом.

Вредными примесями в стали являются газы, особенно такие как кислород и водород. Кислород образует окислы, снижающие усталостную прочность сталей, а водород может образовать трещинки-надрывы, называемые флокенами.

Углеродистые стали по назначению могут быть конструкционными и инструментальными. По качеству конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества и качественные, а инструментальные на качественные и высококачественные.

5.1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ.

К этой группе относят стали, содержащие до 0,5% углерода, при производстве которых не предъявляют высоких требований. Эти стали поставляются по ГОСТ 380-94. Стали маркируются порядковым номером от 0 до 6 после букв "Ст", обозначающих слово "сталь". Для обозначения степени раскисления после номера марки добавляют индексы: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

Стали согласно этому ГОСТу поставляются по химическому составу, который должен соответствовать нормам, указанным в таблице 5.1. Гарантируются: содержание углерода, которое растет с увеличением номера стали от 0,06 до 0,49%, содержание марганца колеблется от 0,25% до 0,8%. Имеются 3 марки с повышенным содержанием марганца (0,8 - 1,2%), в маркировку этих сталей входит буква Г, обозначающая повышенное его содержание: Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс. Содержание кремния колеблется в зависимости от степени раскисления: для кипящих сталей не более 0,05%, для полуспокойных 0,05% - 0,15%, для спокойных сталей 0,15-0,30%. Ограничивается содержание вредных примесей серы и фосфора, а также случайных примесей, вносимых в сталь из шихты, - хрома, никеля, меди, мышьяка.

СОТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА, % (ГОСТ 380-94)

Таблица 5.1

Марка стали	Углерод	Марганец	Кремний	Сера	Фосфор
Ст0	Не более 0,23	-	-	Не более 0,06	Не более 0,07
Ст1кп	0,06-0,12	0,25-0,50	Не более 0,05	Не более 0,05	Не более 0,04
Ст1пс	"	"	0,05-0,15	"	"
Ст1сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст2кп	0,09-0,15	"	Не более 0,05	"	"
Ст2пс	"	"	0,05 - 0,15	"	"
Ст2сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст3кп	0,14-0,22	0,30-0,60	Не более 0,05	"	"
Ст3пс	"	0,40-0,65	0,05-0,15	"	"
Ст3сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст3Гпс	"	0,80-1,10	Не более 0,15	"	"
Ст3Гсп	0,14-0,20	"	0,15-0,30	"	"
Ст4кп	0,18-0,27	0,40-0,70	Не более 0,05	"	"
Ст4пс	"	"	0,05-0,15	"	"
Ст4сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст5пс	0,28 - 0,37	0,50-0,80	0,05-0,15	"	"
Ст5сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст5Гпс	0,22-0,30	0,80-1,20	Не более 0,15	"	"
Ст6пс	0,38-0,49	0,50-0,80	0,05-0,15	"	"
Ст6сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Массовая доля хрома, никеля, меди должна быть не более 0,30%, а мышьяка не более 0,08%.

Конструкционные стали обыкновенного качества выплавляются в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Эти стали дешевые и используются для металлоемких строительных конструкций в виде горячекатанного сортового фасонного и листового проката: балок, прутков, швеллеров, уголков, листов, труб и т.д., а также для малоответственных деталей машин: осей, валов, шестерен, втулок, болтов, гаек и т.д.

5.2.КАЧЕСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Качественные конструкционные углеродистые стали поставляются по химическому составу и механическим свойствам в соответствии ГОСТ 1050-88. К этим сталям по сравнению со сталями обыкновенного качества предъявляют более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04%, фосфора не более 0,035%).

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 0,8, 10,15,20,25,30,35, 40, 45, 50, 55, 60. При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскиления: кп, пс или сп. В случае спокойной стали степень раскисления не указывается.

СОСТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ КАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЕЙ, % (ГОСТ 1050-88)

Таблица 5.2

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	Углерода	Кремния	Марганца	Хрома, не более
05кп	Не более 0,06	Не более 0,03	Не более 0,40	0,10
08кп	0,05-0,12	Не более 0,03	0,25-0,50	"
08пс	0,05-0,11	0,05-0,17	0,35-0,65	"
	0,05-0,12	0,17-0,37	"	"
10кп	0,07-0,14	Не более 0,07	0,25-0,50	0,15
10пс	"	0,05-0,17	0,35- 0,65	"
	0,07-0,14	0,17-0,37	"	"
11кп	0,05-0,12	Не более 0,06	0,30-0,50	"
15кп	0,12-0,19	Не более 0,07	0,25-0,50	0,25
15пс	"	0,05-0,17	0,35-0,65	"
	"	0,17-0,37	"	"
18кп	0,12-0,20	Не более 0,06	0,30-0,50	0,15
20кп	0,17-0,24	Не более 0,07	0,25-0,50	0,25
20пс	"	0,05-0,17	0,35-0,65	"
	"	0,17-0,37	"	"
	0,22-0,30	"	0,50-0,80	"
	0,27-0,35	"	"	"
	0,32-0,40	"	"	"
	0,37-0,45	"	"	"
	0,42-0,50	"	"	"
	0,47-0,55	"	"	"
	0,52-0,60	"	"	"
58(55пп)*	0,55-0,63	0,10-0,30	Не более 0,20	0,15
	0,57-0,65	0,17-0,37	0,50-0,80	0,25

* пп – обозначает пониженную прокаливаемость стали марки 58

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ КАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЕЙ

Таблица 5.3

Марка стали	Механические свойства, не мене
	Предел текучести sт, Н/мм2 (кгс/мм2)	Временное сопротивление разрыву sв, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинение, d5, %	Относительное сужение Y,%
			%
	196 (20)	320 (333)
	205 (21)	330(34)
	225(23)	370(38)
	245(25)	410(42)
	275(28)	450(46)
	295(30)	490(50)
	315(32)	530(54)
	335(34)	570(58)
	355(36)	600 (61)
	375(38)	630(64)
	380(39)	650(66)
58(55пп)	315(32)	600(61)
	400(41)	680(69)

Низкоуглеродистые стали марок 05 кп, 08, 08кп, 10, 10кп обладают высокой пластичностью и невысокой прочностью. Эти стали без термообработки применяются для малонагруженных деталей (прокладки, шайбы, змеевики, штампованные детали, капоты тракторов, кузова автомобилей, элементы сварных конструкций и т.д.). Низкоуглеродистые стали с повышенным количеством углерода (15,20,20кп,25) применяются после цементации и закалки с отпуском для деталей, работающих на износ: оси, втулки, шестерни, шпиндели, вилки и т.д.

Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55, 60 применяются в основном после закалки и высокого отпуска для изготовления, валов, осей, зубчатых колес, шестерен, штоков, бандажей и т.д.

Высокоуглеродистые стали, содержащие углерода более 0,6% поставляются по ГОСТ 14959-79 "Сталь конструкционные рессорно-пружинная". Эти стали марок 65,70,75,80,85 используются для изготовления пружин, рессор, амортизаторов, прокатных валков, бандажей вагонов и т.д.

СОТАВ И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ (ГОСТ 14959-79)

Таблица 5.4

Марка стали	Состав сталей, %	Механические свойства, не менее
	С	Мn	Si	Cr	s0,2, МПа	sв, Мпа	d, %	Y, %
	0,62-0,70	0,50-0,80	0,17-0,37	не более 0,25
	0,67-0,75	"	"	"				"
	0,72-0,80	"	"	"				"
	0,77-0,85	"	"	"				"
	0,82-0,90	"	"	"				"

Механические свойства сталей 75,80 и 85 весьма высоки, так как определяются после закалки и среднего отпуска.

5.3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Инструментальные стали - это большая группа сталей, которые в результате термической обработки получают высокую твердость и износостойкость, необходимые при обработке материалов резанием или давлением. Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%. Эти стали подразделяются на качественные и высококачественные. Высококачественные стали отличаются от качественных меньшим содержанием вредных примесей серы (на 0,01%) и фосфора (на 0,005%). Меньшее количество серы требует уменьшения количества марганца. Кроме того, более жестко регламентируется содержание никеля и меди.

Маркируются эти стали следующим образом: впереди ставится буква "У", что значит углеродистая; за ней стоит цифра, обозначающая среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если сталь высококачественная, то после цифры стоит буква "А"

СОСТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ (ГОСТ 1435-90)

Таблица 5.5

Марка стали	С	Мn	Не более
			Ni	S	Р
У7 У7А	0,65-0,74	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У8 У8А	0,75-0,84	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У9 У9А	0,85-0,94	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У10 У10А	0,95-1,04	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У11 У11А	1,05-1,14	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У12 У12А	1,15-1,24	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У13 У13А	1,25-1,35	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
Для всех марок содержание кремния 0,17-0,33%, хрома - не более 0,20%

С увеличением количества углерода растет износостойкость стали при незначительном увеличении твердости и падает вязкость стали.

Назначение инструментальной углеродистой стали различных марок следующее: У7-У7А применяется для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, молотки слесарные и кузнечные, штампы, клейма, масштабные линейки, инструмент по дереву, центра токарных станков и т.д.); У8-У8 - для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (пробойники, зубила, кернеры, пуансоны, ножи и ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент); У9-У9А – для инструментов, требующих высокой твердости при некоторой вязкости (штемпеля, кернеры, зубила, столярный инструмент); У10-У10А - для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам и требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы, фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по твердым породам, ножовочные полотна, фасонные штампы, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники); У11-У11А, У12-У12А - для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, шаберы, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, пилы по металлу); У13-У13А - для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников, косы и др.).

6.0. МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Легированной называют сталь, в которой наряду с обычными примесями и технологическими добавками содержатся специально вводимые легирующие элементы: марганец (более 0,8%), кремний (более 0,5%), хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др. Часто легирующие элементы определяют название легированной стали: хромистая, никелевая, хромоникелевая, кремнистая и т.д. Легирующие элементы значительно повышают механические свойства (прочность, вязкость, износостойкость), технологические (прокаливаемость),физические (энергосопротивление, магнитные) и специальные эксплуатационные характеристики: коррозионную стойкость, красностойкость, жаростойкость, жаропрочность и т.д. По назначению легированные стали делятся на три группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-цифровая система. Буквенное обозначение легирующих элементов не совпадает с химическими символами.

ОБОЗНАЧЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СТАЛЯХ

Таблица 6.1

Название	Химический символ	Маркировочное обозначение	Название	Химический символ	Маркировочное обозначение
Марганец	Мn	Г	Кобальт	Со	К
Кремний	Si	С	Алюминий	АI	Ю
Хром	Сr	Х	Медь	Сu	Д
Никель	Ni	Н	Бор	В	Р
Вольфрам	W	В	Ниобий	Nb	Б
Ванадий	V	Ф	Цирконий	Zr	Ц
Титан	Тi	Т	Фосфор	Р	П
Церий	Cе	Ч	Азот	N	А (внутри марки)
Молибден	Мо	М

Для конструкционных марок первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1% или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2%, никель 1-4%, марганец до 2%, кремний до 2%. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, и Тi, обычно вводят в сталь в сочетании с Сr и Ni с целью дополнительного улучшения физико-механических свойств. Их количество в конструкционных сталях не превышает 1%. Суммарное количество легирующих элементов в конструкционных сталях обычно не превышает 7-8%.

Поставляются конструкционные легированные стали по ГОСТ4543-71. По количеству углерода они делятся на две группы: малоуглеродистые цементуемые стали, содержащие углерода до 0,2% и подвергаемые поверхностному насыщению углеродом, и среднеуглеродистые улучшаемые стали, содержащие 0,25-0,5% углерода и подвергаемые упрочнению путем закалки и высокого отпуска (улучшению). Выплавляются легированные стали по количеству вредных примесей только качественными, содержащими серы и фосфора меньше 0,035% каждого и высококачественными, содержащими этих элементов менее 0,025%. Высококачественные обозначаются буквой "А" в конце марки.

СОСТАВ НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ (ГОСТ 4543-71)

Таблица 6.2

Марка стали	Содержание элементов. %
	С	Мn	Si	Сr	Ni	S	Р	Другие
						не более
Цементуемые стали
15ХФ	0,12-0,18	0,40-0,70	0,17-0,37	0,80-1,10	до 0,30	0,035	0,035	0,06-0,12V
20ХН	0,17-0,23	²	"	0,45-0,75	1,0-1,4	²	²	-
18ХГТ	²	0,80-1,10	"	1,0-1,3	до 0,30	²	²	0,03-0,09Тi
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,25-0,55	"	1,35-1,65	4,0-4,4	0,025	0,025	0,30-0,40 Мо
Улучшаемые стали
40Х	0,36-0,44	0,50-0,80	"	0,80-1,10	До 0,30	0,035	0,035	-
30ХГС	0,28-0,35	0,80-1,10	0,9-1,2	²	"	"	"	-
40ХНМА	0,37-0,44	0,50-0,80	0,17-0,37	0,6-0,9	1,2-1,6	0,025	0,025	0,15-0,25 Мо
38ХН3МФА	0,30-0,42	²	"	1,2-1,5	3,0-3,4	"	"	0,35-0,45Мо 0,1-0,2V

В инструментальных сталях в начале ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента: 7ХФ, 3Х2В8Ф и т.д. Как правило, это однозначная цифра. Если углерода 1% или больше, то начальная цифра не ставится: ХГ, ХВГ. Исключение из этого правила составляют 2 марки: 11ХФ и 13Х.

СОСТАВ НЕКОТОРЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ (ГОСТ5950-73)

Таблица 6.3

Марка стали	Содержание элементов. %
	С	Si	Мn	Сr	W	Мо	V	Ni
8ХФ	0,70-0,80	0,15-0,35	0,15-0,40	0,40-0,70	-	-	0,15-0,30	-
ХВ4	1,25-1,45	²	²	²	3,50-4,30	-	0,15-0,30	-
9ХС	0,85-0,95	1,20-1,60	0,30-0,60	0,95-1,25	-	-	-	-
ХВГ	0,90-1,05	0,15-0,35	0,80-1,10	0,90-1,20	1,20-1,60	-	-	-
Х12М	1,45-1,65	²	0,15-0,40	11,0-12,5	-	0,40-0,60	0,15-0,30	-
5ХНМ	0,50-0,60	²	0,50-0,80	0,50-0,80	-	0,15-0,30	-	1,40-1,80
4Х5МФС	0,32-0,40	0,80-1,20	0,15-0,40	4,50-5,50	-	1,20-1,50	0,30-0,50	-
3Х2В8Ф	0,30-0,40	0,15-0,40	²	2,20-2, 70	7,50-8,50	-	0,20-0,50	-
5ХВ2С	0,45-0,55	0,55-0,80	²	1,00-1,30	2,00-2,50	-	-	-
11ХФ	1,05-1,15	0,15-0,35	0,40-0,70	0,40-0,70	-	-	0,15-0,30	-
13Х	1,25-1,40	²	0,30-0,60	²	-	-		-
Содержание серы и фосфора не выше 0,030% каждого

Стали с особыми свойствами (жаростойкие, жаропрочные, нержавеющие) не имеют особого способа обозначения. Они маркируются по схеме, разработанной для конструкционных легированных сталей (в начале марки стоит двухзначная цифра, обозначающая процент углерода в сотых долях процента): 08Х13, 12Х17, 12Х18Н10Т, 40Х10С2М, 55Х20Г9АН4 и т.д.

Если суммарная доля легирующих элементов в конструкционной машиностроительной стали не превышает 7-8%, то стали с особыми свойствами имеют суммарную долю легирующих элементов выше 10%, причем в большинстве случаев намного выше. Поставляются стали с особыми свойствами по стандарту: ГОСТ 5632-72.

7.0.ОСОБЫЕ СПОСОБЫ МАРКИРОВКИ СТАЛЕЙ

Указанная выше система маркировка является очень простой и наглядной. Она охватывает большинство углеродистых и легированных сталей. Но для некоторых групп сталей сделаны исключения - введены дополнительные элементы маркировки либо разработаны иные схемы маркировки.

7.1. Маркировка сталей для отливок.

В первую очередь следует отметить большую и разнообразную по составу группу литейных сталей. Эти стали используют в виде фасонных отливок в тяжелом транспортном и энергетическом машиностроении для станин станков, маховиков, зубчатых колес, тормозных дисков, катков, траверс и т.д. Эти стали маркируются дополнительно буквой "Л", которая ставится после маркировки по стандартной схеме. По составу и назначению это могут быть стали простые углеродистые конструкционные: 15Л, 40Л, 50Л; легированные конструкционные машиностроительные: 40ХЛ, 35ХМЛ, 25ГСЛ, 35ХНЛ, а также стали с особыми свойствами: 10Х18Н9Л, 20Х13Л, 20Х20Н14С2Л, 40Х24Н12СЛ. Поставляются отливки из этих сталей по ГОСТ977-75 и ГОСТ2176-77. Литая сталь по сравнению с деформированной при одинаковом значении пределов прочности и текучести имеет меньшую пластичность и вязкость.

7.2. Маркировка автоматных сталей

Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это достигается в первую очередь повышением в автоматных сталях содержания серы до 0,15¸0,35% и фосфора до 0,10¸0,15%. Безусловно эти элементы ухудшают механические свойства сталей, зато производство выигрывает в затратах на механическую обработку, так как получает возможность изготавливать неответственный крепеж (болты, винты, гайки) и мелкие детали в условиях массового производства на быстроходных автоматических линиях. Автоматными сталями являются как углеродистые так и легированные стали.

Маркируются автоматные стали буквой "А", которая ставится в начале марки перед указанием количества углерода: А12, А20, А30, А40Г.

Помимо этих основных элементов (S и Р) в автоматные стали вводят свинец, селен, кальций. Введение этих элементов находит отражение в написании марки. Свинец обозначается буквой "С", а кальций буквой "Ц". Обе эти буквы ставятся после буквы "А" и перед цифрой, обозначающей углерод в марке. Свинецсодержащие марки: АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АС30ХМ, АС40ХГНМ. Свинец вводится в количестве 0,15¸0,30%. Кальцийсодержащие марки: АЦ20, АЦ40, АЦ60, АЦ40Х, АЦ35Г2, АЦ30ХМ и др. Количество кальция в марке ничтожно мало: 0,001-0,007%, т.е. не превышает одной сотой процента. А селен, обозначаемый в марке буквой "Е", ставится в конце марки: А35Е, А45Е, А40ХЕ. Количество селена не превышает десятой доли процента.

Автоматные стали поставляются по ГОСТ1414-75.

7.3. Стали для подшипников

Элементы подшипников (кольца, ролики, шарики) работают в условиях, которые требует от стали высокой твердости, износостойкости и контактной усталостной прочности. В качестве шарикоподшипниковой стали используют высокоуглеродистые (»1%) хромистые стали, а для массивных подшипников в хромистую сталь добавляют повышенное (до1%) количества марганца и кремния.

Стали для подшипников поставляются по ГОСТ 801-78. Особенности маркировки сталей для подшипников: в начале марки ставится буква "Ш", далее стоит индекс основного легирующего элемента хрома и последующая цифра, показывающая содержание хрома в десятых долях процента. Остальные легирующие элементы маркируют так, как принято для легированных сталей.

СОСТАВ ПОДШИПНИКОВЫХ СТАЛЕЙ (ГОСТ801-78)

Таблица 7.1

Марка Стали	Химический состав, %
	Углерод	Марганец	Кремний	Хром
ШХ15	0,95-1,05	0,20-0,40	0,17-0,37	1,30-1,65
ШХ15СГ	0,95-1,05	0,90-1,20	0,40-0,65	1,30-1,65

7.4. МАРКИРОВКА БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

Быстрорежущая сталь является инструментальной легированной сталью с особыми свойствами. Особым ее свойством является красностойкость - способность сохранять структуру, высокую твердость и износостойкость до температур порядка 600-620°, возникающих в режущей кромке при резании с большей скоростью. Поставляются быстрорежущие стали по ГОСТ19265-73.

Красностойкость стали придает вольфрам, являющийся основным легирующим элементом быстрорежущей стали. Маркируется быстрорез буквой "Р", после которой стоит цифра, обозначающая содержание вольфрама в целых процентах, остальные легирующие - Мо, Со, V - обозначаются обычным способом.

Классическим быстрорезом является чисто вольфрамовая сталь Р9, Р12, Р18. Но вольфрам дорогой элемент. Более дешевым является его аналог молибден, поэтому часть вольфрама заменяют молибденом. Для повышения износостойкости вводят ванадий, а для упрочнения металлической основы - кобальт: Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р10К5Ф3, Р6М5Ф2К8. Все быстрорежущие стали содержат около 1% углерода.

7.5. Маркировка строительных сталей.

Горячекатанный фасонный прокат (уголки, двутавры, швеллеры), листовой, широкополостной прокат, гнутые профили из углеродистых и низколегированных сталей, предназначенных для сварных строительных конструкций, в соответствии с ГОСТ 277-88 подразделяются на условные классы вне зависимости от химического состава и марки стали, принимая во внимание только их механические свойства при растяжении.

КЛАССЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИМ МАРКИ СТАЛЕЙ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Таблица 7.2

Класс стали	Предел текучести, МПа, не менее	Марка стали по ГОСТ и ТУ
Обычная прочность
С235		Ст3кп, 18кп
С 245		Ст3пс, 18пс
С255		Ст3Гпс, 18пс
С 275		Ст3пс
С285		Ст3сп, Ст3Гсп
Повышенная прочность
С 345		09Г2С, 12Г2С, 14Г2
С345Т	"	15ХСНД, Ст3псТ
С345К	"	10ХНДП
С375, С375Д		12Г2С, 12Г2СД
С390, С390Т		14Г2АФ, 10Г2С1, 10ХСНД
С390К	"	15Г2АФД
Высокая прочность
С440		16Г2АФ
С590		12Г2СМФ
С590К	"	12ГН2МФАЮ
Буква Т- означает термическое упрочнение, Д - наличие в стали меди, К - вариант химического состава.

7.6. Магнитные стали

Магнитные стали по магнитным характеристикам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Эти термины не относятся к характеристике механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и наоборот.

У магнитомягких материалов маленькая коэрцитивная сила, узкая петля гистерезиса, они легко намагничиваются и перемагничиваются. Используются для изготовления сердечников реле, электрических машин, измерительных приборов, дросселей, трансформаторов, усилителей, магнитных экранов и т.д. Все магнитомягкие материалы делятся на 3 группы:

1. Сталь электротехническая тонколистовая и сортовая нелегированная (техническое железо ), ГОСТ3836 -73 и 11035-75;

2. Сталь электротехническая кремнистая, ГОСТ21427-78;

3. Прецизионные магнитомягкие сплавы, ГОСТ10160-75.

Для сталей первых двух групп разработана чисто цифровая система. Нелегированные стали обозначаются пятизначной цифрой: 10895, 20895, 10880, 20880, 10864, 20864,

11895,21895, 11880, 21880, 11864, 21864.

Первая цифра в марке обозначает способ изготовления стали: 1-горячекатанная, 2-холоднотянутая. Вторая цифра "0" или "1" обозначает, что сталь не легирована и имеет нормируемый или ненормируемый коэффициент старения (упрочнения); третья, четвертая и пятая цифры в марке обозначает магнитные характеристики.

Сталь кремнистая электротехническая имеет четырехзначную цифровую марку. Первая цифра может варьироваться от одного до трех и обозначает способ изготовления стали: 1- горячекатанная, 2- холоднотянутая, 3- текстурованная.

Вторая цифра показывает содержание кремния и может варьироваться от нуля до 5, что соответствует примерно среднему содержанию кремния в целых процентах. Две последние цифры указывают на магнитные характеристики:

1211 (Si2%), 1312 (Si3%), 1413 (Si4%), 1514 (Si5%) - горячекатанная сталь;

2111 (Si1%), 2212 (Si2%), 2312 (Si3%), 2412 (Si4%), - холоднокатанная сталь;

3411 (Si4%), 3412 (Si4%), 3413 (Si4%), 3415 (Si4%) - текстурованная сталь.

Третья группа сплавов содержит никеля от 45 до 78% с добавками железа и кобальта. Эти сплавы называются пермаллоями и используются в приборе для работы в слабых полях.

Если в качестве электротехнической стали используется практически безуглеродистые сплавы, то для постоянных магнитов используется сталь с содержанием углерода около 1%. Улучшение магнитных свойств достигается легированием хромом, вольфрамом, молибденом и кобальтом. Маркируются эти стали буквой Е, которая ставится первой в марке, далее обозначение стандартное. Поставляются стали по ГОСТ6862-71: ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5,ЕХ9К15М2. Стали используются после закалки и отпуска.

7.7. Стали специальных способов выплавки

Для получения высококачественного металла применяют различные способы обработки жидкого металла или переплава с целью удаления вредных примесей, газов, неметаллических включений, повышение однородности структуры. Эти дополнительные способы переработки находят дополнительное отражение в написании марки стали:

1. 15ХА-СШ, 12Х2Н4МА-СШ, 35ХМФА-СШ, 35ХН3МА-СШ стали, прошедшие дополнительную обработку синтетическими шлаками в ковше.

2. ШХ15-Ш, ШХ15СГ-Ш, 95Х18-Ш, 18Х2Н4МА-Ш – стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву;

3. 12Х18Н10Т-ВИ, 03Х18Х12Б-ВИ – стали, выплавленные в вакуумно-индукционных печах.

7.8. Нестандартные легированные стали

Нестандартные стали выпускаются заводом "Элетросталь" и обозначаются сочетанием букв "ЭИ" (электросталь исследовательская) или «ЭП» (электросталь пробная). Легированную сталь, выпускаемую Златоустовским металлургическим заводом, маркируют буквами "ЗИ". Во всех случаях после буквенного индекса стоит порядковый номер стали, например, ЭИ417, ЭП767, ЗИ8 и т.д. Состав таких сталей можно найти только в специальных марочниках на электросталь. После освоения марки металлургическими и машиностроительными заводами условные обозначения заменяют общепринятой маркировкой, отражающей химический состав стали.

8.0. Чугуны

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%, называются чугунами. Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: связанном в виде соединения Fe₃C и свободном в виде графита. Чугуны, в которых углерод полностью связан, называются белыми. Соединение Fe₃C называется цементитом. Цементит очень твёрдый, но хрупкий. Поэтому белые чугуны не нашли промышленного применения.

Чугуны, содержащие основную массу углерода в виде графита, называются графитными или графитосодержащими. В зависимости от технологии получения графитных чугунов форма графитных включений различна. В свою очередь, от формы графитных включений зависит уровень механических свойств чугунов.По форме графита чугуны делятся на 3 группы: серые, высокопрочные и ковкие.

Серые чугуны имеют пластинчатую форму графита. Графит такой формы, являясь по существу трещиной или надрезом внутри металла, особенно сильно ослабляет чугун при приложении растягивающей нагрузки, поэтому прочностные характеристики его не высоки. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначной цифрой, показывающей минимальное значение предела прочности на растяжение.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРОГО ЧУГУНА (гост 1412-85)

Таблица 8.1

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, sв, МПа (кгс/мм2)	Твердость, НВ, кгс/мм2, не более	Примечание
СЧ10	³ 100(10)
СЧ15	³ 150(15)
СЧ20	³ 200(20)
СЧ25	³ 250(25)
СЧ30	³ 300 (30)
СЧ35	³350 (35)
СЧ18	³ 180 (18)	Не оговорено ГОСТ1412-85	Допускается по требованию потребителя.
СЧ21	³ 210 (21)	То же	То же
СЧ24	³ 240 (24)	То же	То же

Серый чугун обладает рядом положительный качеств, благодаря чему он нашел широкое применение: обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается на станках, ему присущи хорошие антифрикционные свойства, он дешев.

Высокопрочный чугун имеет шаровидную форму графита. Округлые включения не создают резкой концентрации напряжений, поэтому такой чугун лучше сопротивляется растягивающей нагрузке. Получают шаровидную форму графита путем введения в чугун перед разливкой магния. Условное обозначение марки включает буквы ВЧ и цифры, показывающие минимальное значение предела прочности при растяжении.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА (ГОСТ 7293-85)

Таблица 8.2

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, sв, МПа (кгс/мм2)	Предел текучести, sт, МПа (кгс/мм2)	Относительное удлинение, d, %	Твердость по Бринеллю, НВ
не менее
ВЧ35	350(35)	220(22)		140-170
ВЧ40	400(40)	250(25)		140-202
ВЧ45	450(45)	310(31)		140-225
ВЧ50	500(50)	320(32)		153-225
ВЧ60	600(60)	370(37)		192-277
ВЧ70	700(70)	420(42)		228-302
ВЧ80	800(80)	480(48)		248-351
ВЧ100	1000(100)	700(70)		270-360

Благодаря высоким прочностным характеристикам высокопрочный чугун применяют вместо стали для изготовления особо нагруженных деталей: коленчатых валов, распредвалов, различных кулачковых валиков и т.д.

Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графита и по прочности занимает промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Получают такой чугун отжигом (томлением) белого чугуна.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, означающими ковкий чугун, затем идут два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе - относительное удлинение. Например, марка КЧ60-3 означает, что чугун имеет s_в=60кгс/мм² и d=3%.

Ковкий чугун применяют для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Ковкий чугун применяют главным образом для тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного чугуна, который используется для деталей большого сечения.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОВКОГО ЧУГУНА

(ГОСТ 1215-79)

Таблица 8.3

Марка ковкого чугуна	Предел прочности при растяжении, sв, МПа (кгс/мм2),	Относительное удлинение, d, %	Твердость по Бринелю, НВ
не менее
КЧ30-6	294(30)		100-163
КЧ33-8	323(33)		100-163
КЧ36-10	333(35)		100-163
КЧ37-12	362(37)		110-163
КЧ45-7	441(45)	7*	150-207
КЧ50-5	490(50)	5*	170-230
КЧ55-4	539(55)	4*	192-241
КЧ60-3	588(60)		200-260
КЧ65-3	637(65)		212-269
КЧ70-2	686(70)		241-285
КЧ80-1,5	784(80)	1,5	270-320
*- по согласованию изготовителя с потребителем допускается понижение на 1%.

9.0. Порошковые материалы.

Порошковыми называются материалы, изготовленные из металлических порошков или их смесей с неметаллическими порошками. Порошком считается смесь частиц размером до 1мм. Образование изделий из порошков основано на принципах технологии изготовления керамических изделий (кирпичей, фарфора, силикатных плиток и т.д.) путем прессования смесей порошков, спекания подготовленных композиций при температурах, обеспечивающих схватывание в монолитное металлокерамическое изделие без полного расплавления. Часто путем спекания получают столь разнородные по природе композиции, которые невозможно получить через расплавление. Производство деталей по металлокерамической технологии практически не имеет отходов, т.е. характерно самым высоким коэффициентом использования металла. Создание биметаллических изделий, где подложкой может служить недорогой материал, позволяет экономить дорогие или дефицитные материалы. А также изделия как металлические пористые фильтры невозможно получить какой-либо другой технологией, кроме спекания порошков. При получении вольфрама, молибдена, ниобия, титана, тантала и других материалов металлокерамика единственный способ получения монолитных полуфабрик