Легированные стали: элементы, свойства, классификация

Легированные стали: элементы и свойства

Обычная углеродистая сталь хороша до определённого предела: она ржавеет, теряет твёрдость на жаре, плохо держит ударные нагрузки. Что, если добавить в сплав немного хрома, никеля или вольфрама? Тогда металл словно обретает новые качества — от коррозионной стойкости до способности резать другую сталь. За эти превращения отвечают легирующие элементы. Разберём, какие из них и как меняют сталь, а затем — по каким признакам все легированные стали делят на группы.

Вводя в сталь те или иные добавки, получают легированные стали с улучшенными физическими, механическими и химическими характеристиками. Каждый элемент отвечает за свой набор эффектов.

Двенадцать легирующих элементов и что они дают

Ниже — основные легирующие элементы и их вклад в свойства стали.

1. Хром. Поднимает прочность и пластичность, не отнимая вязкости, усиливает прокаливаемость и повышает сопротивление коррозии. Вводить его можно в количестве до 30 %.
2. Никель. Увеличивает прочность, вязкость, ударную сопротивляемость и коррозионную стойкость. Вдобавок делает сталь плотнее и снижает коэффициент теплового расширения.
3. Вольфрам. Прибавляет твёрдость, прочность и красностойкость, причём вязкость стали при этом не падает.
4. Кремний. Повышает электрическое сопротивление и кислотоупорность. В диапазоне 0,4–0,6 % он делает сталь более упругой.
5. Ванадий. Держит прочность стали при высоких температурах и снижает её склонность к перегреву.
6. Марганец. При содержании свыше 1 % повышает твёрдость, износостойкость, прокаливаемость и стойкость к ударным нагрузкам. При этом пластичность не страдает, а чувствительность к перегреву не растёт.
7. Молибден. Усиливает предел прочности, упругость, красностойкость, сопротивление окислению и антикоррозионные свойства.
8. Титан. Делает сталь плотнее и прочнее, улучшает её обрабатываемость и сопротивление коррозии.
9. Ниобий. Повышает сопротивление коррозии.
10. Алюминий. Отвечает за окалиностойкость.
11. Цирконий. Позволяет получить сталь с нужной зернистостью.
12. Лантан. Уменьшает содержание серы в стали и снижает её пористость.

По каким признакам классифицируют легированные стали

Единой шкалы здесь нет — легированные стали сортируют сразу по нескольким основаниям.

По содержанию углерода:

• низкоуглеродистые — до 0,25 %;
• среднеуглеродистые — от 0,25 до 0,65 %;
• высокоуглеродистые — более 0,65 %.

По содержанию легирующих элементов: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

По внутренней структуре:

• доэвтектоидные — с избыточным ферритом;
• эвтектоидные — с перлитной структурой;
• заэвтектоидные — с вторичными карбидами;
• ледебуритные — с первичными карбидами.

По практическому применению: инструментальные, конструкционные и стали со специальными свойствами.

Конструкционные стали: две большие ветви

Конструкционные стали по назначению распадаются на две группы — машиностроительные и строительные.

Машиностроительные стали идут на корпусные конструкции, различные механизмы и подобные детали. От прочих сталей их обычно отличает то, что они проходят термическую обработку. Внутри группы выделяют три вида:

• Улучшаемые стали. Предназначены для деталей, которые несут большие переменные нагрузки. Их особенность — чувствительность к концентрации напряжений.
• Жаропрочные стали. Из них делают детали для энергетики (например, узлы паровых турбин) и ответственный крепёж. Основные легирующие элементы здесь — хром, молибден и ванадий. По классификации это перлитные, среднелегированные и среднеуглеродистые стали.
• Цементуемые стали. Проходят цементацию и служат материалом для всевозможных шестерён.

Строительные стали применяют при изготовлении сварных металлических конструкций, и, как правило, термической обработке они не подвергаются. Эту группу делят так:

• массовые — для труб и листового проката;
• мостостроительные — для конструкций железнодорожных мостов и деталей автомобилей;
• судостроительные хладостойкие нормальной и повышенной прочности — хорошо сопротивляются хрупкому разрушению;
• судостроительные хладостойкие высокой прочности — для сварных конструкций;
• низкоотпущенные высокой прочности — для деталей самолётов;
• стали повышенной прочности с карбонитридным упрочнением — формируют мелкозернистую структуру.

Отдельно стоят инструментальные стали — их применяют при изготовлении самого разного инструмента.

Так легированные стали складываются из простой логики: каждый добавленный элемент вносит свой вклад в свойства, а четыре независимых признака классификации позволяют точно описать любую марку и подобрать её под конкретную задачу — от шестерни и моста до турбины и режущего инструмента.