Сталь - сплав железа с углеродом (до 2,14 % C) и другими элементами; основной конструкционный материал для труб.
Суть
Сталь - это железо, в котором растворено и связано в карбиды небольшое количество углерода. Граница в 2,14 % C не условная: это предельная растворимость углерода в аустените (точка E диаграммы Fe-C при 1147 °C). Ниже неё сплав можно нагреть до однородного аустенита и обрабатывать давлением - ковать, катать, тянуть; выше начинается чугун, который кристаллизуется с эвтектикой и пластически почти не деформируется.
Именно поэтому сталь стала главным конструкционным материалом: она сочетает высокую прочность (σв от 370 до 1500 МПа и выше) с пластичностью (δ5 20-30 % у трубных марок) и свариваемостью. Свойства регулируются двумя рычагами - химическим составом и термообработкой: одна и та же марка после нормализации и после закалки с отпуском заметно различается по пределу текучести - у среднеуглеродистой стали 45 примерно с 355 до 500 МПа и выше.
Кроме железа и углерода в любой стали есть постоянные примеси: марганец и кремний (раскислители), сера и фосфор (вредные примеси, содержание нормируется), а также растворённые газы - кислород, азот, водород. Их долю задаёт степень раскисления и способ выплавки.
Виды
Стали классифицируют по нескольким независимым признакам; в маркировке и стандартах они сочетаются. Основные оси деления:
| Признак | Группы | Примеры марок |
|---|---|---|
| Содержание углерода | низко- (до 0,25 % C), средне- (0,25-0,6 %), высокоуглеродистые (свыше 0,6 %) | Ст3, 20 / 45 / У8 |
| Легирование | углеродистые, низколегированные (сумма ≤ 2,5 %), легированные и высоколегированные (свыше 10 %) | 20 / 09Г2С, 17Г1С / 12Х18Н10Т |
| Качество (по S и P) | обыкновенного качества, качественные, высококачественные (А), особовысококачественные (Ш) | Ст3сп / 20 / 30ХГСА |
| Назначение | конструкционные, инструментальные, с особыми свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные) | 09Г2С / У10 / 08Х18Н10 |
| Структура после охлаждения | ферритно-перлитные, мартенситные, аустенитные, ферритные | 20 / 40Х13 / 12Х18Н10Т / 08Х17Т |
Для труб практически значимы первые три оси: низкоуглеродистая углеродистая или низколегированная сталь качественная или обыкновенного качества. Всё остальное - частные случаи для нержавеющих, котельных и нефтегазовых изделий.
Как читать марку
Отечественная маркировка буквально описывает состав. У качественных сталей первые цифры - сотые доли процента углерода: сталь 20 содержит около 0,20 % C, сталь 45 - 0,45 %. Далее идут буквы легирующих элементов (Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, Т - титан) с числом процентов после каждой; отсутствие числа означает содержание около 1 %.
- 09Г2С - 0,09 % C, около 2 % Mn (фактически 1,3-1,7 %), Si без числа - до 1 % (0,5-0,8 %): низколегированная хладостойкая сталь по ГОСТ 19281.
- Ст3сп - сталь обыкновенного качества № 3 по ГОСТ 380, спокойная; здесь цифра - номер марки, а не углерод.
- 12Х18Н10Т - 0,12 % C, 18 % Cr, 10 % Ni, титан до 0,8 %: аустенитная нержавеющая сталь.
Ключевые числа
| Граница «сталь / чугун» | 2,14 % C - предел растворимости углерода в аустените (точка E диаграммы Fe-C, 1147 °C) |
|---|---|
| Плотность (расчётная по ГОСТ 8732, ГОСТ 10704) | 7,85 г/см³ (7850 кг/м³) |
| Модуль упругости E | ≈ 2,0-2,1·10⁵ МПа для всех углеродистых и низколегированных сталей |
| Ст3сп (ГОСТ 380) | C 0,14-0,22 %, Mn 0,40-0,65 %, Si 0,15-0,30 %; S ≤ 0,050 %, P ≤ 0,040 % |
| Сталь 20 (ГОСТ 1050) | C 0,17-0,24 %; σт ≥ 245 МПа, σв ≥ 410 МПа, δ5 ≥ 25 % |
| 09Г2С (ГОСТ 19281), толщина до 10 мм | C ≤ 0,12 %, Mn 1,3-1,7 %, Si 0,5-0,8 %; σт ≥ 345 МПа, σв ≥ 490 МПа, δ5 ≥ 21 % |
| Классы по легированию | низколегированные ≤ 2,5 %, легированные 2,5-10 %, высоколегированные > 10 % (сумма легирующих) |
| Метод испытания механических свойств | Растяжение по ГОСТ 1497 (σт, σв, δ5); ударный изгиб по ГОСТ 9454 (KCU, KCV) |
Где встречается в трубах
Подавляющая часть стальных труб делается из трёх-четырёх марок: Ст3сп/Ст3пс для водогазопроводных и электросварных труб общего назначения, сталь 20 - универсальная качественная марка для бесшовных труб, 09Г2С и 17Г1С - там, где нужны хладостойкость и повышенный предел текучести. Марка стали в паспорте определяет и расчётное давление, и допустимую температуру, и технологию сварки на монтаже.
- Каталог по маркам: Ст3сп, сталь 20, 09Г2С, 17Г1С.
- Обзор трубных марок и их применения - в статье стали для труб.
- Требования к химсоставу и механике по стандартам: ГОСТ 8732-78 (бесшовные), ГОСТ 10704-91 (электросварные), ГОСТ 3262-75 (ВГП); полные тексты - в библиотеке стандартов.
- Что означает марка в документе на партию - плавка и паспорт качества.
- Как углерод и легирующие влияют на сварку трубы - свариваемость и углеродный эквивалент.
Связанные термины
- Железо и углеродОснова любой стали: железо задаёт пластичность и свариваемость, углерод - прочность и твёрдость.
- ЧугунСплав железа с углеродом более 2,14 % C; хрупкий, но литейный и стойкий к износу - из него льют фитинги, задвижки, канализационные трубы.
- Легирующие элементыДобавки в сталь (Cr, Ni, Mo, Mn, Si, V, Ti, Nb и др.), целенаправленно меняющие её прочность, стойкость и свариваемость.
- Углеродистые сталиСтали без специального легирования (Mn до 1 %, Si до 0,4 %); по углероду делятся на низко-, средне- и высокоуглеродистые.
- Легированные сталиСтали с суммой легирующих выше 2,5 %: жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие - для особых условий работы.