2.2. Класифікація та властивості сталі

Сталі класифікують за різними ознаками:

• хімічним складом:

  • вуглецеві:

    • маловуглецеві (до 0,25% С);

    • середньовуглецеві (0,3...0,55% С);

    • високовуглецеві (0,6...0,85% С;)

  • леговані (залежно від того, які елементи введено до їхнього складу):

    • хромисті;

    • марганцевисті;

    • хроммарганцевисті;

    • хромнікелеві;

• якістю (якість сталі залежить від металургійного процесу виробництва; якість визначається вмістом в сталі газів кисню, водню, азоту та шкідливих домішок сірки і фосфору):

  • звичайної якості;

  • якісні;

  • високоякісні;

  • особливо високоякісні.

• способом розкиснення:

  • спокійні;

  • напівспокійні;

  • киплячі (кипляча сталь — не повністю розкиснена в печі. Виділення газів відбувається й при затвердінні виливка, тому в ньому утворюється велика кількість розосереджених газових бульбашок. Вони зникають при подальшій гарячій прокатці. Найдешевша.)

• призначенням:

  • конструкційні;

  • інструментальні;

  • особливих властивостей.

Властивості сталі.

Фізичні властивості:

• густина ρ ≈ 7,86 г/см^3[1];

• коефіцієнт лінійного теплового розширення α = 11...13·10^-6 K^-1;

• коефіцієнт теплопровідності k = 58 Вт/(м·K);

• модуль Юнга E = 200...220 ГПа;

• модуль зсуву G = 80 ГПа;

• коефіцієнт Пуассона ν = 0,28...0,30;

• питомий опір (20°C, 0,37-0,42% вуглецю) = 1,71·10^-7 Ом·м

Механічні і технологічні показники.

Ці параметри характеризують можливості сталі до використання у промисловості.

• Межа пружності — визначає максимальне напруження після досягнення якого матеріал повертається до вихідних розмірів.

• Межа міцності (тимчасовий опір) — умовне механічне напруження, що відповідає найбільшому зусиллю, що досягається в процесі деформування зразка матеріалу, досягнутому до поділу зразка на частини, котре відповідає максимуму на діаграмі деформування і позначається σ_в.

• Межа текучості — визначається як напруження σ_т в матеріалі, при якому він починає деформуватися пластично.

• Ударна в'язкість — здатність матеріалу поглинати механічну енергію в процесі деформації і руйнування під дією ударного навантаження.

• Межа витривалості — максимальне за абсолютним значенням напруження циклу, за якого ще не відбувається руйнування матеріалу від втоми протягом заданої кількості циклів навантажування.

• Тривала міцність — властивість матеріалу протидіяти руйнуванню при довгочасній дії статичного навантаження та високої температури.

• Твердість — властивість матеріалу опиратися проникненню до нього іншого, твердішого тіла. Твердість сталі визначається вмістом у ній вуглецю і, залежно від термічної обробки, може становити 96...600 HB.

Залежність властивостей від складу і структури.

Властивості сталей залежать від їх складу і структури, які формуються присутністю та процентним вмістом наступних складових.

Карбон — складова, із збільшенням вмісту якої у сталі, збільшується її твердість і міцність, при цьому пластичність зменшується.

Кремній і марганець у межах (0,5...0,7 %) істотного впливу на властивість сталі не роблять.

Сірка є шкідливою домішкою, утворює з залізом хімічну сполуку FeS (сірчисте залізо). Сірчисте залізо у сталях утворює із залізом евтектику з температурою плавлення 1258 К, яка обумовлює червоноламкість матеріалу при обробці тиском з підігріванням. Вказана евтектика при термічній обробці розплавляється, у результаті чого між зернами втрачається зв'язок з утворенням тріщин. Крім цього, сірка зменшує пластичність і міцність сталі, стійкість до зношування та корозійну стійкість.

Фосфор надає сталі холодноламкості (крихкість при понижених температурах). Це пояснюється тим, що фосфор спричиняє сильну внутрішньо-кристалічну ліквацію.

Ферит — залізо з об'ємноцентрованою кристалічною граткою і сплави на його основі є фазою м'якою і пластичною.

Цементит — карбід заліза, хімічна сполука з формулою Fe₃C, навпаки, надає сталі твердості та крихкості.

Перліт — евтектоїдна суміш двох фаз — фериту і цементиту, містить 1/8 цементиту і тому має підвищену міцність і твердість порівняно з феритом. Тому доевтектоїдні сталі набагато пластичніші, ніж заевтектоїдні.

Сталі містять до 2,14 % карбону. Фундаментом науки про сталь, як сплаву заліза з вуглецем є діаграма стану сплавів залізо-вуглець — графічне відображення фазового стану сплавів заліза з вуглецем в залежності від їх хімічного складу і температури.

Для покращення механічних та інших характеристик сталей застосовують легування. Головна мета легування переважної більшості сталей — підвищення міцності за рахунок розчинення легуючих елементів у ферит та аустеніті, утворення карбідів та збільшення прогартовуваності. Крім того, легуючі елементи можуть підвищувати стійкість проти корозії, теплостійкість,жаростійкість (окалиностійкість), жароміцність та ін. Такі елементи як хром, марганець, молібден, вольфрам, ванадій, титан утворюють карбіди, а нікель, кремній, мідь, алюміній карбідів не утворюють. Марганець та нікель знижують критичні точки А₁ і А₃, а решта — підвищують. Крім того, легуючі елементи зменшують критичну швидкість охолодження при гартуванні, що необхідно враховувати при призначенні режимів гартування (температури нагрівання та середовища для охолодження). При значній кількості легуючих елементів може суттєво змінитись структура, що приводить до утворення нових структурних класів в порівнянні з вуглецевими сталями.