5. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

(Ю.П. Солнцев)

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации. Поэтому особенность требований, предъявляемых к конструкционным материалам, состоит в необходимости обеспечения комплекса высоких механических свойств, а не одной какой-либо характеристики.

Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладая запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении — сопротивлением износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии. Учитывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства — хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость. Конструкционные материалы должны быть дешевы и не должны содержать дефицитных легирующих элементов.

Из всех материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, только сталь позволяет получать сочетание высоких значений различных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому сталь является основным и наиболее распространенным конструкционным материалом.

Конструкционные стали универсального применения разделяются на углеродистые и легированные.

Основными преимуществами легированных конструкционных сталей перед углеродистыми являются более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость, более высокая прокаливаемость и возможность применения более мягких охладителей после закалки, устойчивость против отпуска за счет торможения диффузионных процессов. Отпуск при более высокой температуре дополнительно снижает закалочные напряжения. Легированные стали обладают более высоким уровнем механических свойств после термической обработки. Поэтому детали из легированных сталей, как правило, должны подвергаться термической обработке.

Различают следующие виды конструкционных сталей:

1) углеродистые; 2) строительные; 3) цементуемые; 4) улучшаемые; 5) высокопрочные; 6) рессорно-пружинные; 7) подшипниковые; 8) износостойкие.

Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода при малом содержании других элементов, называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебурита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются.

Углеродистые (нелегированные) стали являются наиболее дешевыми сталями и составляют около 80 % объема продукции черной металлургии. Эти стали выплавляются различными способами в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах, что определяет содержание примесей и качество.

Наилучшими свойствами обладает электросталь, более чистая по содержанию вредных примесей — серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Она идет на изготовление более ответственных деталей.

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств стали. С увеличением углерода в структуре стали растет содержание цементита. При содержании до 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8 % С в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит.

Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность и уменьшается вязкость и пластичность стали (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Рост прочности происходит до 0,8–1,0 % углерода. При увеличении содержания углерода более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии.

Лучше всего обрабатываются резанием среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3–0,4 % С. Низкоуглеродистые стали при механической обработке дают плохую поверхность и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что снижает стойкость инструмента.

Постоянными примесями в углеродистых сталях являются: марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси — газы: кислород, азот, водород.

Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления:

FeO + Мn → МnО + Fe; 2FeO + Si → SiO₂ + 2Fe.

В углеродистой стали содержится до 0,8 % Мn. Марганец, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы: FeS + Мn → MnS + Fe.

В полностью раскисленной углеродистой стали содержится до 0,4 % Si. Кремний является полезной примесью, так как эффективно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в феррите, способствует его упрочнению.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье — чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS — сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe—FeS (T_пл = 988 °С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1 620 °С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2 %) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Основной источник фосфора — руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси — кислород, азот, водород — находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют углеродистую сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромо-никелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин — флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случайные примеси, как Сr, Ni, Сu, наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.

Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8 % С, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8–2,14 % С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Спокойная сталь гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящая сталь. Благодаря присутствию в спокойной стали остаточного (кислоторастворимого) алюминия у нее ниже склонность к росту зерна, чем у кипящей стали. Поэтому прочность и хладостойкость более однородного и мелкозернистого проката из спокойной стали выше, чем проката из кипящей стали.

Но при затвердевании спокойной стали в изложницах образуется большая усадочная раковина, для удаления которой прибегают к обрезанию слитка (12–16 % по массе). Вследствие этих потерь, а также дополнительных расходов, в том числе на ферросплавы и алюминий для раскисления, спокойная сталь дороже кипящей.

Существует сталь с промежуточной степенью раскисления — полуспокойная. В отличие от кипящей она обрабатывается перед разливкой небольшим количеством раскислителей.

По однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, по сопротивлению хрупкому разрушению и прочностным показателям прокат из полуспокойной стали уступает прокату из спокойной стали и занимает между ним и прокатом из кипящей стали промежуточное положение.

Основным преимуществом кипящей стали является высокий (более 95 %) выход годного. У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и в ковше кремнием, выход годного составляет около 90 %.

Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет более однородный химический состав.

По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали. Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05 % S и не более 0,04 % Р. Качественные стали содержат не более 0,04 % S (в случае инструментальных сталей до 0,03 %) и не более 0,035% Р, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. В особо ответственных случаях эти стали содержат менее 0,02 % S и 0,03 % Р. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах. Качественные стали предпочтительнее для изготовления изделий, эксплуатируемых при низких температурах, в частности, в условиях Севера и Сибири.

Стали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380–94. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры — условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная.

Химический анализ стали обыкновенного качества должен соответствовать нормам, указанным в табл. 5.1.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат С ≤ 0,49 % и выпускаются трех разновидностей в зависимости от технологии раскисления: кипящие с С ≤ 0,27 % (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп и Ст4кп); полуспокойные (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс и Ст6пс); спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп и Ст6сп). К этим сталям относятся также стали Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс с Mn = 0,8–1,10 % (в стали Ст5Гпс допускается Mn = 0,8–1,20 %). Эти стали имеют повышенную прочность по сравнению с прочностью сталей Ст3пс, Ст3сп и Ст5пс. В стали Ст0 ограничивают только содержание углерода (не более 0,23 %), серы, фосфора, не предъявляют специальных требований к технологии ее выплавки, нормируют только временное сопротивление (σ_в ≥ 300 МПа).

В сталях обыкновенного качества нормируют содержание примесей на более высоком уровне, чем у сталей других групп: S ≤ 0,05 %, P ≤ 0,04 %, As ≤ 0,08 %. В сталях, выплавленных на керченской руде, допускается As ≤ 0,15 %, N ≤ 0,010 %; в сталях, выплавленных в дуговых печах, N ≤ 0,012 %.

У горячекатаных сталей скорость охлаждения уменьшается при увеличении диаметра (толщины) проката от 10 до 100 мм. Уменьшение скорости охлаждения приводит к образованию более грубых ферритно-перлитных структур и уменьшению σ_т и δ (табл. 5.2).

Примечание. Для Ст3сп σ_в = 380–410 МПа при толщине проката до 10 мм и σ_в = 370–480 МПа при толщине проката свыше 10 мм. Допускается уменьшение относительного удлинения для фасонного проката всех толщин на 1 %.

Прокат из углеродистых сталей в зависимости от назначения разделяется на три группы: I — все виды проката, которые будут использоваться без обработки поверхности; II — с обработкой резанием; III — с обработкой давлением. Для каждой группы на поверхности проката допускаются дефекты, если их глубина находится в пределах минусового отклонения или изменение размеров профиля проката при полном удалении дефектов не выходит за допустимые пределы.

Если предельные отклонения не нормируются, допускается глубина залегания дефектов или зачистки дефектов не более 10 % толщины контролируемого профиля.

В зависимости от условий эксплуатации изделий и сооружений показатели свойств сталей определяют в разном объеме. Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества разделяют на пять категорий. Обязательными для всех категорий являются испытания на растяжение (определяют σ_в, σ_т, и δ) и на изгиб. Химический состав определяют для 2-й, 3-й, 4-й и 5-й категорий. Ударную вязкость KCU определяют при 20 °С (3-я категория), –20 °С (4-я категория) и при –20 °С и после механического старения (5-я категория).

При более высоком допустимом содержании примесей эти стали содержат больше неметаллических включений, чем стали других групп. В прокатанной стали обычно образуется полосчатая или строчечная структура, ориентированная в направлении прокатки вследствие такой же ориентации цепочки частиц неметаллических включений. Полосчатая структура свидетельствует об анизотропии металла.

Качественные углеродистые стали выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050–88. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы — не более 0,04 %, фосфора — не более 0,035 %). Для стали марок 11кп и 18кп, применяемой для плакирования, содержание серы и фосфора должно быть не более 0,035 %.

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, 15, ..., 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) и высокоуглеродистые конструкционные (до 0,65 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7–1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

Особенностями химического состава (табл. 5.3) углеродистых качественных сталей является суженный интервал допустимого содержания углерода (0,08 %), нормированное содержание хрома (0,10–0,25 %) для предупреждения «подкаливания» при охлаждении проката и обеспечения его твердости не выше 255 НВ независимо от содержания углерода, ограничение содержания серы и фосфора (до 0,035 % каждого элемента).

Если стали предназначены для изготовления патентированной проволоки, то в них уменьшают содержание марганца (0,30–0,60 %) и примесей хрома (≤ 0,15 %), никеля (≤ 0,15 %) и меди (≤ 0,20 %), чтобы не увеличить устойчивость переохлажденного аустенита и не получить после патентирования нежелательную структуру с пониженной технологической пластичностью. Для проката сталей с С > 0,35 % нормируется обезуглероживание, если детали из этих сталей будут подвергаться индукционной закалке. Допускается

обезуглероживание на глубину не более 0,5–1,5 % диаметра (размера на сторону), включая слой феррита и переходную зону.

Механические свойства горячекатаного и кованого проката приведены в табл. 5.4. По желанию потребителя прокат изготовляют в термически обработанном состоянии (после закалки и отпуска) или в нагартованном состоянии. Механические свойства проката после обработки приведены в табл. 5.5.

Для углеродистых качественных сталей при согласии потребителя нормируются механические свойства проката в зависимости от его толщины.

Качественные стали находят многостороннее применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы.

1. Стали 05, 08, 10 — малопрочные, высокопластичные; из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

2. Стали 15, 20, 25 — цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т. п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо.

Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; применяются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т. п.), а также для деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от минус 40 до 425 °С.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большой прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии — после закалки и высокого отпуска на структуру сорбита — достигаются высокая вязкость, пластичность и, как следствие, малая чувствительность к концентраторам напряжений. При увеличении сечения деталей из-за несквозной прокаливаемости механические свойства сталей снижаются. После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т. п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение, сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается 12 мм. Для деталей, испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения (валы, оси и т. п.), которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного при закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей — 30 мм.

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40, 45, 50. Их применяют после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности (HRC_Э 40–58) и сопротивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валиков, зубья шестерен и т. п.).

Индукционной закалкой с нагревом ТВЧ упрочняют также поверхность длинных валов, ходовых винтов станков (рис. 5.2) и других деталей, для которых важно ограничить деформации при термической обработке.

Стали с высокой концентрацией углерода (60, 65, 70, 75, 80, 85), а также с увеличенным содержанием марганца (60Г, 65Г и 70Г) преимущественно применяют в качестве рессорно-пружинных. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита для получения высоких упругих и прочностных свойств (σ_в > 800 МПа). Стали используют для силовых упругих элементов — плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа.

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: Х — хром, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Т — титан, Ю — алюминий, Д — медь, Г — марганец, С — кремний, К — кобальт, Ц — цирконий, Р — бор, Ц — ниобий. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки — то, что сталь высококачественная.

Для конструкционных марок стали 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 0,6–1,2 %. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: Мо 0,2–0,4; W 0,5–1,2; V 0,l–0,3; Ti 0,1–0,2.

Например, сталь 18ХГТ содержит, %: 0,17–0,23 С; 1,0–1,3 Cr, 0,8–1,1 Mn, около 0,1 Ti;

Сталь 38ХН3МФА (%) — 0,33–0,40 С; 1,2–1,5 Cr; 3,0–3,5 Ni; 0,35–0,45 Мо; 0,1–0,18 V; сталь ЗОХГСА — 0,32–0,39 С; 1,0–1,4 Cr; 0,8–1,1 Mn; 1,1–1,4 Si.

В инструментальных сталях в начале обозначения марки стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода около 1% или более.

Например, сталь 3Х2В8Ф содержит, %: 0,3–0,4 С; 2,2–2,7 Cr; 7,5–8,5 W; 0,2–0,5 V; сталь 5ХНМ — 0,5–0,5 С; 0,5–0,8 Сr; 1,4–1,8 Ni; 0,19–0,30 Мо; ХВГ — 0,90–1,05 С; 0,9–1,2 Cr; 1,2–1,6 W; 0,8–1,1 Mn.

В обозначении марки подшипниковой стали входят: буква «Ш» и буквы, обозначающие легирующие элементы. За буквой «Х» (легированная хромом) приводят цифры, соответствующие массовой доле хрома в десятых долях процента (например, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ).

Буква «А» в конце марки любой стали указывает, что сталь относится к категории высококачественной (30ХГСА, У7А), в середине обозначения марки — что сталь легирована азотом (16Г2АФ), в начале марки — что сталь автоматная повышенной обрабатываемости резанием (А35Г). Буквы АС в начале марки указывают, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественную сталь обозначают добавлением через тире в конце марки буквы «Ш» или других букв (табл. 5.6). Это означает, что стал подвергалась электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов.

В конце марки конструкционной стали могут быть дополнительные буквенные обозначения: ПП — сталь пониженной прокаливаемости, Л — литейная, К — сталь для котлов и др.

Строительную сталь обозначают буквой «С» (строительная) и цифрами, условно соответствующими пределу текучести проката. Буква «К» в конце марки — вариант химического состава стали с повышенной коррозионной стойкостью в атмосфере, а буква «Т» — термоупрочненный прокат (например, С245, С345Т, С390К).

При маркировке электротехнических сталей (1211, 1313, 2211 и т. д.) первая цифра обозначает класс по структурному состоянию и виду прокатки, вторая — содержание кремния, третья — потери на гистерезис, четвертая — группу по основной нормируемой характеристике. Вместе три первые цифры означают тип стали, а четвертая — порядковый номер этого типа стали.

Для изготовления рельсов широкой колеи типов Р75, Р65, Р50 применяют стали марок М76, М74, где буква «М» указывает мартеновский способ выплавки, а цифры — среднее содержание углерода в сотых долях процента.

В обозначение марки быстрорежущей стали входят: буква «Р», цифра, указывающая среднюю массовую долю вольфрама в процентах. Во всех быстрорежущих сталях массовая доля хрома составляет около 4 %, поэтому в обозначении марки букву «Х» не указывают. Ванадий, массовая доля которого в различных марках колеблется от 1 до 5 %, обозначается буквой «Ф» в марке, если его средняя массовая доля составляет более 2,5 %.

Массовая доля углерода в марочном обозначении быстрорежущей стали не указывается, так как она пропорциональна массовой доле ванадия. Если быстрорежущая сталь легирована молибденом или кобальтом, их массовая доля указывается в марке. Например, быстрорежущую сталь, содержащую, %: 1,0–1,1 С ; 3,0–3,6 Cr; 8,5–9,6 W; 2,1–2,5 V; 7,5–8,5 Co; 3,8–4,3 Mo, обозначают Р9М4К8.

Нестандартные легированные стали, выпускаемые заводом «Электросталь», обозначают сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная). Легированную сталь, выпускаемую Златоустовским металлургическим заводом маркируют буквами ЗИ, заводом «Днепроспецсталь» — ДИ. Во всех случаях после сочетания букв идет порядковый номер стали, например ЭИ 417, ЭП 767, ЗИ 8, ДИ 8 и т. д. После освоения марки металлургическими и машиностроительными заводами условные обозначения заменяет общепринятая маркировка, отражающая химический состав стали.

Литейные стали маркируются той же буквенно-цифровой системой, как и деформируемые, но в конце марки дополнительно ставится буква Л, что означает литейную сталь.

Жесть в зависимости от назначения, качества поверхности и свойств делится на марки ЧЖК, ЧЖР, ГЖГ, ГЖР, ЭЖК, ЭЖК-Д, ЭЖР и ЭЖР-Д. Буквы в обозначении марок означают ЖК — жесть консервная, ЖР — жесть разного назначения, кроме тары для пищевых продуктов, Ч — черная, Г — горячего лужения, Э — электротехнического лужения, Д — жесть с дифференциальным покрытием.

В соответствии с национальными стандартами ASTM (American Society for Testing and Materials) и SAE (Society Automotive Engineers) в США принята цифровая система маркировки конструкционных сталей, в которую в некоторых случаях добавляют буквы. Большинство сталей, за исключением коррозионностойких и жаростойких, маркируется четырехзначным числом. Первая цифра указывает основной легирующий элемент, вторая — его содержание в процентах, третья и четвертая соответствуют содержанию углерода в сотых долях процента. Первая цифра 1 принята для обозначения углеродистых сталей, в этом случае вторая цифра — 0. Например, сталь по ASTM-SAE марки 1015 соответствует стали марки 15 по российскому стандарту, а 1045 — марке 45.

Первая цифра 2 соответствует сталям легированным Ni, цифра 3 — Ni и Cr; 4 — Mo, Мо и Cr, Mo, Cr и Ni; 5 — Cr; 6 — Cr и V; 7 — Cr и W; 8 — Ni, Cr и Mo; 9 — также Ni, Cr и Mo.

Таким образом сталь марки 5140 по ASTM-SAE соответствует российской стали марки 40Х, а сталь 8625, легированная Ni-Cr-Mo, содержит, %: 0,23–0,28 C; 0,4–0,7 Ni; 0,4–0,6 Cr; 0,15–0,25 Mo; 0,15–0,35 Si; 0,7–0,9 Mn; 0,035 Р; 0,040 S.

Система обозначений по AISI-SAE, согласно «Справочнику по металлам», издательства «Рубин», приведена в табл. 5.7.

Если сталь должна обеспечивать необходимую прокаливаемость, то после цифр ставится буква Н, например 8625Н. Выплавка сталей в электропечах обозначается буквой Е, располагаемой перед цифрами. В случае микролегирования бором между первой и второй парой цифр ставится буква В, например, 94В15. Шарикоподшипниковые стали маркируют пятизначным числом, в котором три последние цифры соответствуют содержанию хрома в сотых долях процента.

Химические составы некоторых сталей, применяемых в США, представлены в табл. 5.8–5.10

Примечание. хх(а) — в последних 2 цифрах этого обозначения — содержание углерода в сотых долях процента

Коррозионностойкие и жаростойкие стали маркируются трехзначным числом, в котором первая цифра соответствует сталям следующих систем легирования: 2xx — Cr—Mn—Ni с азотом; 3xx — Cr—Ni; 4xx — Cr; 5xx — Cr—Mo; 6xx — Cr—Ni—Mo, а также Cr-Mo, с иными легирующими.

Например, сталь марки 202 содержит, %: 0,15 C, 17–19 Cr, 7,5–10,0 Mn, 4–6 Ni, 0,25 N; марки 304, %: 0,15 C, 18–20 Cr, 8–10,5 Ni.

Согласно DIN (Deutsche Industrienorm) в ФРГ буквенно-цифровая система маркировки проводится в соответствии с классификацией сталей по степени легирования и режимам термической обработки. Национальный стандарт Германии осуществляет маркировку сталей двумя способами.

Первый способ — с помощью цифр, обозначающих номер материала. Первая цифра характеризует способ производства стали: 0 — способ не играет роли или не определен; 1 — томасовская кипящая сталь; 2 — томасовская спокойная сталь; 3 — кипящая сталь иного способа производства; 4 — спокойная сталь иного способа производства; 5 — кипящая мартеновская сталь; 6 — спокойная мартеновская сталь; 7 — кипящая кислородно-конвертерная сталь; 8 — спокойная кислородно-конвертерная сталь; 9 — сталь электровыплавки.

Вторая цифра характеризует особенности обработки стали: 0 без обработки или состояние после прокатки или ковки; 1 — после нормализации, 2 — после смягчающего отжига; 3 — после отжига с целью улучшения обрабатываемости резанием; 4 — после отжига с целью повышения вязкости; 5 —после улучшения; 6 — после закалки; 7 — после холодной деформации; 9 — после специальной обработки.

Классификация сталей приведена ниже.

00. Торговые и низкие сорта.

01. Обычные нелегированные с содержанием углерода менее 0,30 %.

02. Обычные конструкционные нелегированные с содержанием углерода менее 0,30 %.

03. Нелегированные качественные с содержанием углерода менее 0,10 %.

04. Нелегированные качественные с содержанием углерода свыше 0,1 % до 0,30 %.

05. Нелегированные качественные с содержанием углерода свыше 0,30 % до 0,60 %.

06. Нелегированные качественные с содержанием углерода свыше 0,60 %

07. Нелегированные качественные с повышенным содержанием фосфора и серы.

08. Легированные качественные с содержанием углерода менее 0,30 %.

10. Стали с особыми физическими свойствами.

11. Конструкционные с содержанием углерода менее 0,50 %.

12. Конструкционные с содержанием углерода более 0,50 %.

13, 14.

15. Инструментальные, 1-я группа качества.

16. Инструментальные, 2-я группа качества.

17. Инструментальные, 3-я группа качества.

18. Инструментальные стали специального назначения.

19.

20. Сr.

21. Сr—Si. Сr—Мп, Сr—Mn—Si.

22. Cr—V, Cr—V—Si, Cr—V—Mn, Cr—V—Si.

23. Сr—Мо, Сr—Mo—V.

24. W, Cr—W.

25. W—V, Cr—W—V.

26. W кроме классов 25, 25, 27.

27. Стали с никелем.

28. Остальные сплавы.

29.

30, 31.

32. Быстрорежущие с кобальтом.

33. Быстрорежущие без кобальта.

34. Износостойкие.

35. Шарикоподшипниковые.

36. Железные материалы с особыми физическими свойствами, сплавы с особыми магнитными свойствами без кобальта, кроме сплавов Ni — А1.

37. Железные сплавы с особыми физическими свойствами, сплавы с особыми магнитными свойствами с кобальтом и сплавы Ni — А1.

38. Железные материалы с особыми физическими свойствами, остальные сплавы без Ni.

39. Железные материалы с особыми физическими свойствами, остальные сплавы с Ni.

40. Коррозионностойкие стали с 2 % Ni без молибдена и особых присадок.

41. Коррозионностойкие стали с 2 % Ni с молибденом и особыми присадками.

42.

43. Коррозионностойкие стали с 2 % Ni без молибдена и особых присадок.

44. Коррозионностойкие стали с 2 % Ni с молибденом и особыми присадками.

45. Коррозионностойкие стали с 2 % Ni и особыми присадками.

46.

47. Жаростойкие с Ni менее 2 %.

48. Жаростойкие с Ni более 2 %.

49. Высокотемпературные материалы.

Конструкционные стали

50. Mn—Si—Си.

51. Mn—Si, Mn—Cr.

52. Mn—Си, Mn—V, Si—V, Mn—Si—V.

53. Mn—Ti, Si—Ti, Mn—Si—Ti, Mn—Si—Zr.

54. Mn (включая Mn, Si), Nb, Ti, V, W, Cr—W, Cr—V—W.

55.

56. Ni.

57. Cr—Ni с содержанием хрома не менее 1 %.

58. Cr—Ni с содержанием хрома свыше 1 до 1,5 %,

59. Cr—Ni с содержанием хрома свыше 1,5 до 2 %.

60. Cr—Ni с содержанием хрома свыше 2 до 3 %.

61.

62. Ni—Si, Ni—Mn, Ni—Сu.

63. Ni—Mo, Ni—Mo—Mn, Ni—Mo—V, Ni—V—Mn, Ni—Cu—Mo.

64.

65. Cr—Ni—Мо с содержанием молибдена менее 0,4 % и никеля менее 2 %

66. Cr—Ni—Мо с содержанием молибдена менее 0,4 % и никеля более 2 % и менее 3,5 %.

67. Cr—Ni—Мо с содержанием молибдена менее 0,4 % и никеля более 3,5 % и менее 5 %.

68. Cr—Ni—V, Cr—Ni—W, Cr—Ni—V—W.

69. Cr —Ni кроме классов 57—68.

70. Cr.

71. Cr—Si, Cr—Mn, Cr—Si—Mn.

72. Cr—Мо с содержанием молибдена менее 0,35 %.

73. Cr—Мо с содержанием молибдена более 0,35 %.

74.

75. Cr—V с содержанием хрома менее 2 %.

76. Cr—V с содержанием хрома более 2 %.

77. Cr—Mo—V.

78.

79. Cr—Mn—Мо, Cr—Mn—Мо—V.

80. Cr—Si—Mo, Cr—Si—Mn—Mo,

Cr—Si—Mo—V, Cr—Si—Mn—Mo—V.

81. Cr—Si—V, Cr—Mn—V.

82. Cr—Mo—W, Cr—Mo—W—V.

83.

84. Cr—Si—Ti, Cr—Mn—Ti, Cr—Si—Mn—Ti.

86. Азотируемые.

90–99. Особые виды.

Второй способ — обозначение с помощью букв и цифр. Этот вид предусматривает обозначение сталей по степени легирования и виду термической обработки.

Углеродистые неулучшаемые стали. В начале марки располагается заглавная буква, отражающая вид раскисления стали: U — кипящая сталь; R — полуспокойная или спокойная сталь, раскисленная марганцем и кремнием; RR — сталь, раскисленная кремнием, марганцем и алюминием по специальной технологии.

Далее следует индекс St и трехзначное число, характеризующее величину минимального предела прочности при комнатной температуре в Н/мм². Далее указывается номер группы качества, которая может быть 1, 2 и 3, при этом группа 3 отличается от групп 1 и 2 более низким содержанием фосфора, серы и углерода. Между пределом прочности и группой качества ставится дефис. Указанные четыре обозначения формируют основу марки, однако возможно и указание дополнительных данных. Буквы, которые ставятся в самом начале марки, обозначают способ выплавки: Е — сталь элекропечной выплавки; М — сталь, выплавленная в мартеновской печи; V — сталь, выплавленная с применением продувки кислородом.

Заглавная буква Z, расположенная между первым и вторым обозначением, свидетельствует о пригодности данной стали для волочения. В тех случаях, когда сталь может быть подвергнута штамповке или ковке, между первым и вторым обозначением размещается буква Р.

Сталь, предназначенная для производства труб, обозначается буквами Ro, которые также располагаются между первым и вторым обозначением.

Сталь, поставляемая в состоянии после прокатки, маркируется в конце марки буквой U, а после нормализации — буквой N.

Углеродистые качественные стали. Данный класс сталей маркируется буквой С в начале обозначения, далее располагается число, отражающее содержание углерода, умноженное на 100.

Углеродистые улучшаемые стали маркируются буквами Ck в начале обозначения, далее следует число, отражающее содержание углерода, умноженное на 100.

Низколегированные качественные стали маркируются в начале числом, соответствующим содержанию углерода в стали, умноженным на 100; далее указываются химические символы важнейших легирующих элементов; далее — числа, соответствующие содержанию элементов, умноженные на коэффициент, приведенный ниже:

Высоколегированные стали маркируются в начале обозначения буквой X, далее следует число, соответствующее содержанию углерода, умноженное на 100; далее — химические символы важнейших легирующих элементов и числа, отражающие среднее содержание легирующих элементов.

Мягкие углеродистые стали для холоднокатаной полосы маркируются буквами St в начале обозначения, далее следуют цифры от 0 до 4, соответствующие чистоте стали (в отношении ограничений по содержанию серы и фосфора).

Нестареющие стали маркируются в начале обозначения буквой А, далее следуют буквы St, далее числа, соответствующие минимальному гарантированному пределу прочности

Стали для катанки маркируются буквой D в начале обозначения, далее следует число, соответствующее содержанию углерода.

Стали для котельного листа маркируются буквой Н в начале обозначения. далее следуют римские цифры от I до IV, отражающие содержание углерода и марганца.

Магнитомягкие стали маркируются буквой R в начале обозначения, далее следует химический символ основного элемента (железо, кремний или никель), далее — числа, соответствующие величине коэрцитивной силы в s /см, умноженной на 100.

Динамные и трансформаторные стали маркируются римской цифрой (от I до IV) и числом, отражающим величину потерь (Вт/кг).

Литейные стали маркируются буквами GS в начале обозначения, далее идет маркировка, аналогичная углеродистым, низколегированным улучшаемым, высокоуглеродистым сталям.

Марки конструкционных сталей формируются из нескольких прописных букв и однозначного, двузначного или трехзначного числа.

1. Углеродистые рядовые стали SSxxx, где ххх — трехзначное число, указывающее минимальный предел прочности (МПа), например SS140.

2. Углеродистая сталь гарантированного химического состава SxxC, где хх — двузначное число, указывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента, умноженное на 100, например S20С (среднее содержание углерода 0,20 %).

3. Автоматная сталь SUMx, где х — однозначное число, указывающее порядковый номер стали в группе.

4. Углеродистая сталь для поковок SFxxx, где ххх — трехзначное число, выражающее минимальный предел прочности (МПа), например SF420.

5. Арматурная сталь SSDxxx и SRDxxx, где ххх — трехзначное число, выражающее минимальный предел прочности. Средние буквы S и R обозначают расположение ребер на поверхности арматурной стали.

6. Углеродистая сталь для заклепок SVxx, где хх — двузначное число, выражающее минимальный предел прочности.

7. Углеродистая сталь для цепей SBC.

8. Сталь для горячекатаного листа SPNx, где х — порядковый номер стали в группе.

9. Сталь для холоднокатаного листа SNCx, где х — порядковый номер стали в группе.

10. Сталь для холоднокатаной полосы SPMx, где х — заглавная буква, обозначающая степень упрочнения.

11. Пружинная сталь для холоднокатаной полосы SKx, где х — порядковый номер стали в группе.

12. Сталь для катанки SMRMx, где х — порядковый номер стали в группе.

13. Сталь для трубопроводов высокого давления STPxxx, где ххх — трехзначное число, указывающее минимальный предел прочности (МПа).

14. Сталь для труб высокого давления STSxxx. где ххх — трехзначное число, указывающее минимальный предел прочности (МПа).

15. Углеродистая сталь для котельных труб STBxxx, где ххх — трехзначное число, указывающее минимальный предел прочности (МПа).

16. Сталь для котельных труб локомотивов STL.

17. Легированная сталь для котельных труб STBAxx, где хх — двузначное число, обозначающее класс стали.

18. Сталь для труб, применяемых в химической промышленности, STCxxx, где ххх — трехзначное число, обозначающее предел прочности (МПа).

19. Углеродистая сталь для труб, применяемых в конструкциях, STKxxx, где ххх — трехзначное число, указывающее минимальный предел прочности (МПа).

20. Легированная сталь для труб, применяемых в конструкциях, STKSx, где х — число, обозначающее класс стали.

21. Сталь для труб, работающих при низких температурах, STBLxxx, где х — трехзначное число, указывающее минимальный предел прочности (МПа).

22. Пружинная сталь SUРx, где х — порядковый номер стали в группе.

23. Шарикоподшипниковая сталь SUSx, где х — порядковый номер стали в группе.

24. Никельхромистая улучшаемая конструкционная сталь SNCx, где х — порядковый номер стали в группе.

25. Никельхромистая цементуемая конструкционная сталь SNCxx, где хх — двузначное число, обозначающее порядковый номер стали в группе.

26. Никельхромомолибденовая улучшаемая конструкционная сталь SNСМх, где х — порядковый номер стали в группе.

27. Никельхромомолибденовая цементуемая конструкционная сталь SNСМхх, где хх — двузначное число, обозначающее порядковый номер стали в группе.

28. Хромистая улучшаемая конструкционная сталь SCrx, где х — порядковый номер стали в группе.

29. Хромистая цементуемая конструкционная сталь SCrxx, где хх — двузначное число, обозначающее порядковый номер стали в группе.

30. Хромомолибденовая улучшаемая конструкционная сталь SCMx, где х — порядковый номер стали в группе.

31. Хромомолибденовая цементуемая конструкционная сталь SCMxx, где хх — двузначное число, обозначающее порядковый номер стали в группе.

32. Алюминийхромомолибденовая азотируемая сталь SACM.

33. Коррозионностойкая сталь SUSx, где х — порядковый номер стали в группе.

34. Жаростойкая сталь SUHx, где х — порядковый номер стали в группе.

Коррозионностойкие стали представляют собой группу высоколегированных сталей (табл. 5.11).

В России эти стали поставляют по ГОСТ 5632–72 и ТУ. Маркировка осуществляется в соответствии с буквенно-цифровой системой, принятой для легированных сталей. Отличие заключается в том, что в марочном обозначении многих аустенитных сталей указывают максимальное содержание углерода, а не среднее его содержание. Это объясняется влиянием углерода на коррозионную стойкость

В Германии согласно стандарту DIN 17440 в обозначении марок коррозионностойких сталей перед цифрами, соответствующими содержанию углерода, вводится буква «Х». Содержание углерода указывают двузначным числом (в редких случаях — трехзначным, когда массовая доля углерода в стали больше 1 %). Это число получается при умножении содержания углерода на коэффициент 100. Легирующие элементы в марке обозначаются их символами. Легирующие элементы (не более трех) указываются в марке в порядке уменьшения их содержания. После перечисления легирующих элементов приводятся массовые доли тех элементов, у которых они превышают 5 %. Например, ферритная сталь Х12CrMoS17 содержит 0,12 % С, 17 % Cr и легирована небольшим количеством молибдена и серы. Сталь Х12CrNiTi189 содержит 0,12 % C, 18 % Cr, 9 % Ni и Ti ≥ 5 C. В ее марочном обозначении указаны массовые доли только хрома и никеля.

В США согласно стандарту AISI используется цифровая система маркировки. Каждая коррозионностойкая сталь характеризуется трехзначным числом. Числа серии «200» используются для маркировки хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых аустенитных сталей. Серия «300» характеризует хромоникелевые аустенитные стали. Серия «400» используется для маркировки ферритных и мартенситных сталей. Если в марочном обозначении аустенитной стали использована буква «L» в конце марки, то это значит, что данная сталь содержит особенно мало углерода (С ≤ 0,03 %).

В Японии и Великобритании используют цифровую систему маркировки, принятую в США. Отличием являются добавления к трехзначным числам. Эти добавления указывают принадлежность к национальным стандартам.