Марки стали: полный гид по классификации, расшифровке, свойствам и применению

Сталь является фундаментальным материалом современной цивилизации, основой строительства, машиностроения, транспорта и бесчисленного множества других отраслей промышленности, и её свойства кардинальным образом варьируются в зависимости от химического состава и метода обработки, что делает правильный выбор марки критически важным для обеспечения надежности, долговечности и экономической эффективности любого проекта или изделия.

Данное руководство предлагает всеобъемлющий взгляд на классификацию, маркировку, свойства и практическое применение сталей, предоставляя инженерам, технологам, закупщикам и всем интересующимся данной темой структурированную и подтверждённую актуальными стандартами информацию, необходимую для уверенной навигации в этом сложном, но крайне важном мире металлургии, позволяя принимать взвешенные решения, основываясь на глубоком понимании характеристик материала, а не на догадках или устаревших данных.

Классификация сталей является многоуровневой и проводится по нескольким ключевым признакам, что позволяет систематизировать огромное множество марок и упростить процедуру выбора материала для конкретных условий эксплуатации и технических требований, предъявляемых к готовому изделию или конструкции.

• По химическому составу (Стали разделяются на углеродистые и легированные, где углеродистые состоят преимущественно из железа, углерода и примесей, в то время как легированные содержат специально вводимые элементы для придания специфических свойств, таких как хром, никель, молибден или ванадий, значительно расширяя диапазон доступных характеристик)
• По качеству и способу производства (Категория качества определяется строгим контролем содержания вредных примесей, таких как сера и фосфор, и включает стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные, что напрямую влияет на однородность структуры и предсказуемость поведения материала под нагрузкой)
• По степени раскисления и структуре (Процесс раскисления, определяющий количество остаточного кислорода в расплаве, подразделяет стали на спокойные, полуспокойные и кипящие, что отражается на их внутренней структуре, механических свойствах и склонности к хрупкому разрушению, особенно при отрицательных температурах)
• По назначению (Наиболее обширная группа, включающая конструкционные стали для создания сварных и несварных конструкций и деталей машин, инструментальные стали для режущего и измерительного инструмента, штампов и пресс-форм, а также стали с особыми физико-химическими свойствами, такие как нержавеющие, жаропрочные и электротехнические)

Система маркировки сталей в России и странах СНГ является цифро-буквенной и позволяет специалисту даже без справочника получить первичное представление о химическом составе и, следовательно, о примерных свойствах материала, что крайне удобно для оперативной работы на производстве или при проектировании.

В углеродистых сталях обыкновенного качества марки начинаются с букв «Ст», за которыми следует цифра, условно обозначающая содержание углерода, и индекс степени раскисления, например, Ст3кп расшифровывается как сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества, номер 3, кипящая.

В качественных углеродистых сталях цифры указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, так сталь 20 содержит approximately 0.20% углерода, а сталь 45 — 0.45%.

В легированных сталях буквы обозначают присутствующие элементы, а цифры после них — примерное содержание данного элемента в процентах, за исключением элементов, присутствующих в количестве менее 1.5%, тогда цифра не ставится, например, сталь 40Х содержит 0.40% углерода и до 1.5% хрома, а сталь 12Х18Н10Т содержит 0.12% углерода, 18% хрома, 10% никеля и до 1.5% титана.

Для сравнения, международные системы, такие как американская AISI или европейская EN, используют собственные принципы обозначений, что требует использования специальных таблиц соответствия для точного перехода между стандартами.

Углеродистые стали, являющиеся сплавом железа с углеродом и ограниченным количеством других элементов, составляют значительную часть мирового производства металлопроката благодаря своей относительно низкой стоимости и удовлетворительному комплексу механических свойств, которые делают их пригодными для решения широкого спектра задач в строительстве и машиностроении, где не предъявляются экстремальные требования к коррозионной стойкости или рабочей температуре.

Механические свойства углеродистых сталей, такие как предел прочности, предел текучести и относительное удлинение, находятся в прямой зависимости от содержания углерода: с его увеличением растут прочность и твердость, но одновременно снижается пластичность и ухудшается свариваемость, что накладывает определенные ограничения на технологии изготовления конструкций.

Качественные углеродистые стали, регламентируемые стандартом ГОСТ 1050-2013, отличаются более строгим контролем химического состава и, как следствие, более стабильными механическими свойствами, что позволяет использовать их для изготовления критически важных деталей, таких как оси, валы, шестерни, болты и шпильки, работающие в условиях значительных статических и динамических нагрузок.

Легированные стали представляют собой сложные многокомпонентные системы, в которые, помимо углерода, целенаправленно вводятся легирующие элементы, каждый из которых вносит свой уникальный вклад в изменение microstructure и конечных эксплуатационных характеристик материала, позволяя инженерам создавать сплавы с заранее заданными, подчас уникальными свойствами, недостижимыми для простых углеродистых сталей.

• Хром (Cr) (Повышает твердость, прочность и коррозионную стойкость, являясь ключевым элементом для создания нержавеющих сталей, так как способствует образованию на поверхности плотной пассивной оксидной пленки, препятствующей дальнейшему развитию коррозии)
• Никель (Ni) (Повышает пластичность и вязкость, особенно при низких температуры, а также увеличивает прокаливаемость, что способствует получению высоких механических свойств по всему сечению крупногабаритных изделий, и является вторым по важности элементом в нержавеющих сталях)
• Молибден (Mo) (Повышает красностойкость, прочность при высоких температурах и сопротивление ползучести, препятствует отпускной хрупкости и усиливает эффект от других легирующих элементов, что делает его незаменимым в жаропрочных сталях для энергетического машиностроения)
• Ванадий (V) (Образует мелкие и твердые карбиды, что способствует получению мелкозернистой структуры, повышает предел выносливости и улучшает сопротивление ударным нагрузкам, поэтому широко применяется в инструментальных и высокопрочных конструкционных сталях)
• Марганец (Mn) (Повышает прокаливаемость, уменьшает вредное влияние серы, улучшает обрабатываемость давлением и свариваемость, но при содержании более 1.5% может способствовать росту зерна и повышению хрупкости)
• Кремний (Si) (Является активным раскислителем, повышает упругость, предел текучести и стойкость к окислению при высоких температурах, но при повышенном содержании может снижать вязкость и ухудшать свариваемость)

Комплексное легирование, то есть введение нескольких элементов одновременно, часто приводит к синергетическому эффекту, когда итоговое улучшение свойств превышает простую сумму воздействий от каждого элемента в отдельности, что позволяет создавать высокоэффективные материалы для экстремальных условий работы.

Конструкционные стали представляют собой наиболее обширный класс, предназначенный для изготовления деталей машин, механизмов и элементов строительных конструкций, которые должны эффективно воспринимать механические нагрузки, а их подразделение на несколько подгрупп отражает разнообразие условий эксплуатации и требований к прочности, пластичности, ударной вязкости и свариваемости.

Строительные стали, такие как С255, С345 и С375, должны обладать в первую очередь хорошей свариваемостью и высокой сопротивляемости хрупкому разрушению, так как конструкции, изготовленные из них, часто работают при значительных статических нагрузках и в условиях переменных температур, включая отрицательные.

Цифры в обозначении этих сталей указывают на минимальный гарантированный предел текучести в Н/мм², что является ключевой характеристикой для расчетов на прочность при проектировании зданий, мостов и других ответственных сооружений, где недопустима пластическая деформация под действием эксплуатационных нагрузок.

Для деталей машин, работающих в условиях динамических и знакопеременных нагрузок, применяются цементуемые (например, 20Х, 18ХГТ) и улучшаемые (например, 40Х, 45, 40ХН) стали, которые подвергаются термической обработке для получения высоких показателей поверхностной твердости и износостойкости при вязкой сердцевине, устойчивой к ударным воздействиям.

Инструментальные стали представляют собой особую группу материалов, разработанных для изготовления режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента, который должен сохранять высокую твердость, износостойкость и прочность в условиях интенсивного трения, ударных нагрузок и, зачастую, высоких температур, возникающих в зоне обработки.

Углеродистые инструментальные стали (У7-У13), содержащие от 0.7 до 1.3% углерода, отличаются высокой твердостью после закалки, но обладают низкой теплостойкостью и могут работать без существенного снижения твердости только до температуры 200-250°C, что ограничивает их применение инструментом для обработки мягких материалов или для ручного инструмента.

Легированные инструментальные стали (ХВГ, 9ХС, Х12М) за счет введения хрома, вольфрама, ванадия и молибдена обладают более высокой прокаливаемостью, износостойкостью и теплостойкостью, сохраняя свои режущие свойства при нагреве до 400-500°C, что позволяет использовать их для изготовления фрез, протяжек, штампов холодного деформирования и другого ответственного инструмента.

Быстрорежущие стали (Р6М5, Р18), обозначаемые буквой «Р» и цифрой, указывающей на содержание вольфрама, являются высоколегированными сплавами, способными сохранять высокую твердость (HRC 62-64) даже при температурах красного каления (600-650°C), что делает их незаменимыми для изготовления режущего инструмента для высокопроизводительной обработки конструкционных сталей и чугунов.

Штамповые стали подразделяются на стали для холодного деформирования (Х12Ф1, Х6ВФ), которые должны обладать высокой износостойкостью и сопротивлением деформации, и стали для горячего деформирования (4Х5МФС, 5ХНМ), которые, помимо прочего, должны быть устойчивы к термической усталости и разупрочнению при циклическом нагреве и охлаждении.

Нержавеющие стали, также известные как коррозионно-стойкие, представляют собой класс высоколегированных сплавов, основным отличительным свойством которых является способность противостоять химическому и электрохимическому разрушению в агрессивных средах, прежде всего в атмосфере и воде, что достигается прежде всего за счет высокого содержания хрома, образующего на поверхности плотную пассивную оксидную пленку типа Cr2O3.

Аустенитные нержавеющие стали (например, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, AISI 304) содержат хром (17-20%) и никель (8-11%), что стабилизирует аустенитную структуру даже при комнатной температуре, и отличаются высокой коррозионной стойкостью, хорошей технологичностью (пластичность, свариваемость) и немагнитными свойствами, находя широкое применение в пищевой, химической промышленности и в быту.

Ферритные нержавеющие стали (например, 08Х13, AISI 430) имеют в своей структуре феррит и содержат хром (12-17%) при очень низком содержании углерода, они являются магнитными, обладают хорошей стойкостью к атмосферной коррозии и окислительным средам, но могут быть склонны к охрупчиванию при длительном нагреве в определенном температурном диапазоне.

Мартенситные нержавеющие стали (например, 20Х13, 40Х13, AISI 420) содержат больше углерода и могут подвергаться закалке и отпуску для получения высокой прочности и твердости, они устойчивы к слабоагрессивным средам и находят применение в качестве режущего инструмента, пружин, turbine blades и деталей, работающих на износ.

Интересный факт: Пассивная пленка на нержавеющей стали обладает способностью к самовосстановлению при повреждении, если есть доступ кислорода из окружающей среды, что является ключевым принципом её коррозионной стойкости и отличает её от простой защиты покрытиями, которые при повреждении перестают работать.