Сталь легована – це складний багатокомпонентний сплав на основі заліза (Fe) й вуглецю (C), в якому масова частка C становить не більше 2,14% та присутні спеціально введені легуючі домішки в кількості 2,5 й більше відсотків. Додавання легуючих компонентів дозволяє формувати необхідні характеристики й домагатися поліпшеної чистоти й однорідності їх металу. Виробляються такі сталі якісними, високоякісними та особливо високоякісними.

Класифікація за ступенем легування

Через розмаїття хімічних, механічних і технологічних властивостей на леговані сталі класифікація і маркування дуже велика. З урахуванням кількісного вмісту легуючих домішок їх поділяють на низько-, середньо- та високолеговані.

Перша група, що має низьколегований склад, істотно відрізняється не тільки за хімічними, а й за фізико-механічними й технологічними властивостями, тому її розглядають як окрему категорію.

Середньолеговані

Сталі, що містять легуючі домішки від 2,5 до 10 відсотків, є середньолегованими. Більшість з них мартенситні, а деякі (маловуглецеві) непогано зварюються. Але в цілому така легована сталь властивості міцності та зносостійкості формує в залежності від характеру термічної обробки. Тому через імовірність утворення гартівних структур відразу після зварювання товстостінні металовироби з середньолегованих марок повинні піддаватися термічній обробці. Деякі високоміцні середньолеговані сталі після відпуску близько 300°С виявляють провал міцності при випробуванні на надрізаних зразках. Зниження ударної в'язкості на цих же сталях виявляється при більш високій температурі відпуску.

Середньолеговані високоміцні марки володіють зниженою вібраційною міцністю в умовах дії корозійного середовища. При роботі з постійними напруженнями у них також проявляється схильність до корозії, а при насиченні поверхневого шару азотом їх метал може ставати крихким.

Високолеговані

Сталі, в складі яких на масову частку легуючих домішок припадає понад 10 відсотків, відносять до високолегованих. Їх відрізняє однорідна структура і підвищена міцність металу, особливі або унікальні механічні та технологічні властивості.

Чим вище ступінь легування, тим вище температура рекристалізації не тільки α-, але і ƴ-фази, отже, тим важче подрібнити зерно. Тому в результаті тривалого навантаження вони можуть проявляти схильність до деформаційного старіння.

Склад легованих марок сталей

Всі елементи, що входять до легованих марок сталі, взаємодіють між собою, а ті, що розчиняються в залозі, істотно впливають на температурний інтервал поліморфного перетворення і розчинність вуглецю в Fe. Відповідно їх хімічний склад розробляється з урахуванням конкретних умов подальшої служби й експлуатації.

Виходячи з того, що таке легована сталь і яке значення цього матеріалу для промисловості, вкрай важливо використовувати при виплавці доступні і недефіцитні хімічні елементи. Підбір комплектуючих здійснюється з урахуванням необхідних механічних і технологічних властивостей та виходячи з економічної доцільності. Тому для легування в першу чергу використовується марганець, кремній, хром. При цьому сталі з таким складом можуть в невеликих кількостях додатково легувати титаном, ванадієм, ніобієм, бором і молібденом.

Основні легуючі домішки для виробництва легованих марок сталей

Перераховані хімічні елементи по-різному впливають на різні технологічні й механічні властивості сталей. Але по мірі викликання зміцнення їх можна розташувати в зростаючий ряд:

Cr – Co – V – Mo – W – Ni – Cu – Al – Mn – Ti – Si – P

Нові марки відрізняються багатокомпонентним легуванням. Процес їх виробництва більш складний і дорогий, але зате такі сталі, хоч й мають спеціалізоване застосування, максимально відповідають жорстким вимогам сучасного інжинірингу та відрізняються довговічністю і надійністю.

Позначення та маркування

У вітчизняній практиці на інструментальні та конструкційні леговані сталі маркування складається на основі системи, яка передбачає використання буквено-цифрового позначення. Дві перші цифри позначають середню масову частку вуглецю, виражену в сотих частках відсотка. Далі маркування складається з урахуванням якісних і кількісних особливостей найбільш значущих легуючих домішок. Спочатку прийнято вказувати літерний символ відповідного компонента. І якщо кількість хімічного елемента лежить в межах 1%, цифра не прописується, а якщо більше, то пишуть число, що виражає його кількісну масу в процентах.

Для акценту на високій якості металу в кінці маркування прийнято прописувати букву «А» (не плутати з позначенням азоту, який вказується в середині маркування). Наявність букви «Ш» в кінці позначення вказує, що марка є особливо високоякісна, але пишеться вона через тире.

Такий принцип маркування застосується до більшості легованих сталей. Але для марок спецпризначення передбачено використання на початку позначення додаткових буквених символів:

• Р – швидкорізальні;
• Ш – шарикопідшипникові;
• Е – електротехнічні.

Позначення легуючих елементів

Згідно традиційній системі при маркуванні середньо- та високолегованих марок для легуючих елементів прийнято використовувати стандартні позначення на кирилиці.

Приклад розшифрування марки легованої сталі

Спеціальні сплави й сталі

Стрімкий розвиток техніки обумовив необхідність створення спеціальних сплавів, в тому числі й сталей. Сьогодні вони виступають одним з основних матеріалів для ядерних реакторів, спецтехніки, космічних апаратів, приладів і різного інструментального оснащення. Для них характерний складний багатокомпонентний склад і задані фізико-механічні властивості. Практично всі спеціальні сталі та сплави відносяться до групи високолегованих конструкційних матеріалів і вимагають застосування спеціальної технології виплавки й термообробки.

Прецизійні сплави містять практично ті ж елементи, що і сталі, але відрізняються їх відсотковим вмістом. Наприклад, масова частка ванадію може доходити в них до 11%, кобальту – до 40%, в той час як на вуглець може припадати всього 0,05%.

Більшість спеціальних сплавів є результатом новітніх технічних розробок і досить дорогі у виробництві. За основними властивостями їх поділяють на 7 груп, серед них надпровідні, магнітно-м'які й магнітно-тверді сплави та термобіметали.

Класифікація сталей спеціального призначення

Також, як вуглецеві та леговані марки, спеціальні сталі мають багаторівневу класифікацію за кількома ознаками. Розглянемо основні з них.

За родом домішок

На основі комплексу найбільш значущих легуючих домішок спеціальні марки класифікують більш, ніж на 10 груп. Серед них:

• хромованадієві та хромокремністі;
• хромомарганцеві та хромомолібденові;
• нікельмолібденові та хромокремнємарганцові;
• хромомолібденованадієві та хромокремнємарганцевонікелеві;
• хромомарганцевонікелеві та хромомарганцевонікелеві з титаном і бором;
• хромонікельмолібденові, хромонікельмолібденованадієві та хромонікельванадієві;
• хромоалюмінієві та хромоалюмінієві з молібденом;
• хромомарганцевонікелеві з молібденом і титаном;
• хромонікелеві і хромонікелеві з бором.

За призначенням

Залежно від цільового призначення та основних властивостей сталі спеціального призначення також діляться на кілька груп: холодостійкі, радіаційностійкі, ресорно-пружинні, шарикопідшипникові, жароміцні, зносостійкі, корозійностійкі (нержавіючі), окалиностійки й так далі. Причому через наявність кількох легуючих компонентів вони можуть проявляти й інші фізико-механічні та технологічні властивості. Наприклад, теплостійка легована сталь марки 12Х1МФ характеризується підвищеною пластичністю, а 09Х15Н8Ю, 07Х16Н, 08Х17Н5М3 відмінно зарекомендували себе в умовах соляних середовищ.

На сьогодні для застосування у зварних металевих конструкціях найбільш перспективними вважаються термічно зміцнені марки спеціальних сталей високої міцності й що мають межу плинності понад 600 МПа.

За структурою

У легованій сталі утворюються всі типи з'єднань (тверді розчини, хімічні сполуки, механічні домішки), але найбільше практичне значення мають тверді розчини, бо з залізом їх утворюють майже всі легуючі домішки. Основна маса багатьох складнолегованих сплавів – потрійні, четверні та ще складніші тверді розчини заліза й різних елементів та в залежності від мікроструктури вони можуть бути розділені на кілька груп.

Після нормалізації виділяють два основні класи середньо- і високолегованих сталей: аустенітний і мартенситний. За рівноважною структурою їх поділяють на доевтектоїдні, заевтектоїдні та ледебуритні. Перлітна та евтектоїдна структура характерна для низьколегованих марок.

Приклад спеціальних сталей, що мають різну структуру металу

Приклад розшифрування марки спеціальної сталі

Марка спецсталі має таке ж позначення, так й інші конструкційні сталі.

У цьому розділі ви зможете більш детально ознайомитися з хімічним складом і фізико-механічними властивостями окремих середньолегованих, високолегованих сталей і спеціальних сплавів.