Ваш город
smc@metinvestholding.com
Написать письмо
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Позвонить
0 800 30 30 70
Заказать звонок
Войти

Зарегистрироваться

Самая прочная сталь

  1. Главная
  2. Статьи
  3. Самая прочная сталь
Самая прочная сталь
Самая прочная сталь
Метинвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/ru/articles/samaya-prochnaya-stal/
2021-10-07 11:40:20
Самая прочная сталь
27 Сентября 2021

Металлы всегда играли значительную роль в развитии материальной культуры человеческого общества. Но с началом производства стали именно она стала основой для активной индустриализации промышленности и сельского хозяйства. Благодаря ей созданы крупные производственные предприятия и небоскребы, планету опутала сеть железнодорожного сообщения и магистральных трубопроводов, моря бороздят крупнотоннажные танкеры и шикарные туристические лайнеры, а в домах появилась многочисленная санитарно-техническая и бытовая техника.

Сегодня, когда в условиях тотальной конкуренции системно ужесточаются требования к механизмам и агрегатам, повышаются требования и к показателям прочности сталей. Поэтому наряду с широко известными марками стали все чаще используются новые легированные сплавы.

Какие стали считаются прочными

Понятие «самая прочная сталь» условно и не совсем некорректно, так как в каждой отрасли в него вкладывают особый смысл. Например, для рабочих элементов спецтехники важна абразивная износостойкость и стойкость к ударным нагрузкам, для атомной энергетики самый прочный металл - тот который сохраняет свои свойства под воздействием α-, β- и ϒ-излучения, а для инструмента используются марки повышенной твердости.

Соответственно, однозначно утверждать, что та или иная сталь самая прочная нельзя, но можно определить марки с улучшенными механическими свойствами. Так что обратимся к теории и вспомним основные понятия, которые используются в металлургии для комплексной оценки прочностных характеристик металлов на основе условий эксплуатации оборудования и конструкций:

  • прочность – способность металлов сопротивляться внешним воздействиям без разрушения и необратимого изменения формы. С учетом условий применения (высокие и низкие температуры, ударные нагрузки, повышенный временной ресурс) и вида напряженного состояния (изгиб, сжатие, растяжение) профессионалы учитывают разные критерии прочностных характеристик: предел прочности, временное сопротивление, предел усталости, относительное удлинение, длительная прочность и пр.;
  • предел прочности – параметр, характеризующий сопротивление значительным пластическим деформациям и выражающий максимальную нагрузку при растяжении, после приложения которой начинается разрушение металла с последующим разделением целого изделия на части. Данный параметр также иногда называют временным сопротивлением разрушению;
  • предел текучести – механическая характеристика, выражающая напряжение металла, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки. Данный параметр также часто выступает базовым критерием прочностных характеристик;
  • твердость – сопротивление металлов вдавливанию. Данный параметр не является физической постоянной, так как он зависит от прочности, пластичности и изменений в структуре металла. При изменении температуры, а также после различной термической и механической обработки величина твердости меняется в том же направлении, что и предел текучести.

Как видно, прочность стали, сплава и чистого металла можно охарактеризовать несколькими критериями. И если еще в середине XX века к сталям высокой прочности относили марки с пределом текучести не менее 270 Н/мм2, то сегодня самая крепкая сталь может иметь твердость, доходящую до HB 700, предел текучести – до 1650 МПа, временное сопротивление – до 2500 МПа.

Металлопрокат на складе

Что влияет на прочность стали?

На прочностные характеристики сталей влияет их химический состав и структура металла. По первому признаку стали разделяют на углеродистые и легированные. По второму признаку стали делятся на марки:

  • с феррито-перлитной структурой;
  • с бейнитной и мартенситной структурой;
  • термически упрочненные, обладающие различной микроструктурой.

К тому же хорошо свариваемый металл высокой прочности с пределом текучести 60…90 кг/мм2 и выше можно получить только путем специального легирования с соответствующей термической обработкой. При этом следует помнить, что мелкозернистость является важнейшим фактором, но при этом большое количество карбидообразующих элементов может привести к увеличению ликвационной неоднородности.

Высокая прочность достигается обеспечением мелкозернистой структуры, так как при мелком зерне вследствие различного направления плоскостей скольжения в отдельных зернах затруднено образование сплошных плоскостей скольжения. К тому же наличие многочисленных границ препятствует скольжению из-за несовершенства кристаллической решетки на границах зерен. Таким образом, измельчение зерна повышает сопротивление отрыву, минимизирует стойкость к трещинообразованию и увеличивает параметры ударной вязкости.

Прочность углеродистых сталей в основном зависит от массовой доли находящегося в ней углерода. Чем выше его концентрация, тем прочнее сталь. Но высокое содержание углерода негативно сказывается на свариваемости стали и вызывает значительное снижение ее пластичности, а также повышает склонность к старению. При этом это достаточно дешевое и общедоступное вещество, что является важным экономическим фактором и обуславливает широкое применение углеродистых сталей повышенной прочности в строительстве и инжиниринге.

В связи с массовым использованием сварных стальных конструкций в самых разных отраслях возникла потребность в снижении массовой доли углерода для производства высокопрочных марок. Поэтому в тех случаях, когда свариваемость является ключевым параметром, повышать прочность стали за счет увеличения углерода неприемлемо и нужных механических параметров достигают путем легирования. Однако при этом крайне важно изыскать пути для снижения затрат на производство, так как многие легирующие компоненты относятся к дорогостоящим материалам.

В XX веке отмечалась устойчивая тенденция к повышению прочности стали за счет легирования недорогим марганцем. Но по мере развития металлургических технологий и металлографического анализа все более широко начинают использоваться и другие общедоступные и даже очень дефицитные элементы, большинство из которых образует с железом и углеродом карбиды и тем самым значительно повышают твердость и прочность сталей. Так компенсировать потери прочности из-за снижения массовой доли углерода можно введением:

  • бора. Это вещество даже в очень малых концентрациях оказывает существенное влияние на свойства сталей. Например, при увеличении массовой доли бора до 0,25% прочность стали возрастает в 1,4 раза. Теплофизические свойства бористых сталей почти такие же, как и у нержавеющих, при этом их отличает низкая пластичность и высокая радиационная стойкость;
  • ванадия. Карбидообразующий элемент, сильно измельчающий зерно аустенита. Многократно повышает прочность, вязкость и стойкость к ударным нагрузкам. Применяется для легирования конструкционных и быстрорежущих инструментальных сталей;
  • вольфрама. Наиболее часто добавляется в жаропрочные хромистые и хромоникелевые марки и в значительной степени минимизирует их ползучесть;
  • кремния. Один из наиболее значимых легирующих компонентов для обеспечения высокой прочности сталей. Его введение позволяет снизить содержание углерода, серы и растворенного в стали кислорода;
  • кобальт. Благотворно влияет на механические свойства высокопрочных сталей. Увеличивает подвижность дислокаций и тем самым уменьшает концентрацию напряжений;
  • никеля. Марки стали, содержащие Ni в количестве 3% и более отличаются высоким комплексом механических свойств, имеют удовлетворительную свариваемость и очень высокие показатели коррозионной стойкости даже при контакте с морской водой;
  • ниобия. Ниобийсодержащие стали характеризуются мелкозернистой структурой и высоким пределом текучести. Они чаще всего производятся в виде толстолистового проката и находят применение в конструкциях ответственного назначения, производстве труб для магистральных трубопроводов и в мостостроении;
  • титана. Образует прочные карбиды и нитриды, измельчает зерно аустенита. Снижает склонность к межкристаллической коррозии. Повышает окалиностойкость и прочность;
  • хром. Введение этого вещества в сталь значительно повышает ее прочность. В сочетании с никелем хром не только улучшает твердость и прочность, которые особенно проявляются в закаленном и высокоотпущенном состоянии, но и определяет высокие антикоррозионные свойства;
  • церия. Он заметно влияет на механические и технологические свойства и при этом выступает десульфатором и дегазатором. Повышает жидкотекучесть и свариваемость сталей.

Производство сталей высокой прочности для сварных металлических конструкций довольно часто сводится к получению металла с измельченной структурой путем термической обработки при минимальном легировании. Поэтому большинство высокопрочных марок легированной стали содержит не один, а несколько легирующих компонентов, но содержание их часто не велико: хрома 0,5…1,5%, никеля 1,0…4,0%, вольфрама 0,8…1,2%, молибдена 0,2…0,4%.

Помимо корректировки химического состава и применения термической обработки повысить качество и прочностные характеристики сталей можно значительной минимизацией количества неметаллических включений и кислорода в процессе плавки. Это можно выполнить добавлением редкоземельных металлов или мишметалла – сплава церия, лантана, неодима, празеодима, что позволяет сократить количество серы и неметаллических включений более чем в два раза. Существенное значение для повышения качества высокопрочных сталей имеет применение современных методов выплавки (электрошлакового, вакуумно-дугового, вакуумно-индукционного, конверторного и т.д.), а также вторичной обработки стали на установках «ковш-печь», в вакууматорах и других агрегатах.

Какая сталь самая прочная?

Как видно из вышенаписанного, сделать вывод о том, какой металл самый прочный применительно к стали можно лишь условно, отталкиваясь от конкретной технической задачи и условий эксплуатации конечного изделия. Например, несмотря на доступную стоимость и повсеместное применение марки Ст3 и Ст5, имея разную свариваемость и пластичность, характеризуются достаточно неплохой прочностью. А ВСт3Гпс из-за повышенного содержания марганца имеет еще более повышенный предел прочности и может применяться для ответственных сварных металлоконструкций. Но, например, металлообрабатывающий инструмент из таких сталей будет непригодным для использования по прямому назначению в виду низкой твердости и износостойкости.

Низколегированные стали 09Г2С, 10ХСНД также имеют достаточно высокую прочность, широко используются в строительстве, мостостроении и машиностроении. Они хорошо обрабатываются, характеризуются хорошей пластичностью и малой склонностью к хрупкому разрушению. Но их использование в качестве материала для изготовления гусениц тяжелой землеройной техники также будет абсолютно нецелесообразным, поскольку для данного применения важны абсолютно другие прочностные параметры.

Для некоторых отраслей промышленности наибольший интерес в настоящее время представляют инновационные разработки, в том числе марки, выпускающиеся под брендом отдельных металлургических компаний, например:

  • закаленные стали высокой твердости. Эти стали, характеризующиеся высокой износостойкостью, твердостью и прочностью, которые используются в условиях сильного абразивного износа и ударного воздействия. Конечно, нельзя заявлять, что это самый крепкий металл, тем не менее они положительно зарекомендовали себя в различных сферах машиностроения, демонстрируют сверхдлительный срок службы и позволяют легко достичь оптимального баланса между весом, формой и эксплуатационными свойствами. К таким материалам относятся стали под брендом Hardox шведской компании SSAB (Hardox 600, Hardox 450, Hardox HiTuf, Hardox HiAce и другие), шведские стали группы Swebor, марки Dillidur немецкой компании Dillinger, стали Miilux и многие другие;
  • свариваемые высокопрочные стали после закалки и отпуска. Эти сплавы с пределом текучести от 400 до 1300 МПа и временным сопротивлением до 1400…1700 МПа широко используются в промышленном и гражданском строительстве, создании оффшорных буровых платформ и башен ветрогенераторов, производстве подземной и наземной техники. В эту группу относятся строительные стали по стандарту EN 10025-6 (S690Q, S690QL, S890Q, S960Q и пр.), марки под брендами Strenx/ Weldox, Xabo, Dillimax, aldur т.д.;
  • AerMet 100 и другие легированные ультрапрочные мартенситные стали, имеющие исключительные механические свойства, удовлетворительную свариваемость, достаточную стойкость к коррозии;
  • 16Х2ГБС, 16ХГМФТР, 25ХГСР и другие разработки украинских металлургов также востребованы на рынке. Они широко используются для изготовления сварных металлоконструкций ответственного назначения: резервуаров высокого давления, магистральных трубопроводов, мостовых переходов;
  • термомеханически упрочненный прокат для строительства (стандарт ДСТУ EN 10025-4) и машиностроения (стандарт EN 10149-2). Структура и свойства этих сталей формируются в результате применения специальных режимов на станах горячей прокатки, сочетающих строгий контроль за степенью обжатий, температурой конца прокатки и скоростью охлаждения. Материал сочетает высокую прочность и низкий углеродный эквивалент, что позволяет сократить не только металлоемкость без потери эксплуатационной стойкости, но и сэкономить на сварочных материалах при создании конструкций, а также сократить сроки возведения объектов.

Таблица – Химический состав некоторых сталей, имеющих высокие параметры прочности

Марка стали

Массовая доля, %

C

Mn

Si

Cr

P

S

Ni

Cu

N

V

B

W

Mo

Co

Ti

не более

09Г2С

до 0,12

1,3…1,7

0,5…0,8

до 0,30

0,035

0,04

до 0,3

до 0,3

до 0,012

10ХСНД

до 0,12

0,5…0,8

0,8…1,1

0,6…0,9

0,035

0,04

0,5…0,8

0,4…0,6

до 0,008

16Г2АФ

0,14…0,20

1,30…1,70

0,30…0,60

до 0,40

0,035

0,04

до 0,30

до 0,30

0,015…0,025

0,08…0,14

30MnB5

0,27…0,33

1,15…1,45

до 0,4

0,025

0,15

0,0008…0,005

Р9М4К8

1,0…1,1

0,50

0,50

3,0…3,6

0,030

0,030

до 0,40

2,3…2,7

8,5…9,5

3,8…4,3

7,5…8,5

0.2

RAEX 500

0,30

1,70

0,80

1,50

0,025

0,015

1,00

0,005

0,50

 -

Разработка конструкционных сталей с пределом текучести выше 500 Н/мм2 направлена на повышение технологических и эксплуатационных характеристик. К их числу можно отнести свариваемость, ударную вязкость, сопротивление хрупкому разрушению, химическую и структурную однородность. Из-за больших объемов потребления таких сталей особое значение имеет их стоимость, которую можно снизить в основном за счет экономного легирования и применения различных режимов упрочняющей термообработки.

Таблица – Физико-механические характеристики некоторых сталей повышенной и высокой прочности

Марка стали

Толщина проката, мм

Временное сопротивление

σв, Н/мм2

Предел текучести

σт, Н/мм2

Относительное удлинение

δ5, %

10ХСНД

до 10

более 510

более 390

более 19

от 10 до 15

от 15 до 32

от 32 до 50

16Г2АФ

до 10

более 510

более 390

более 19

от 10 до 20

от 20 до 32

06ГБД

8…50

более 490

более 390

более 22

06Г2Б

8…50

более 540

более 440

более 22

30ХГСНА

до 80

1620

1375

более 9

AerMet 340

до 80

2380

2070

более 11

Где используются такие виды сталей

Правильный выбор марок и видов стали – наиболее эффективный метод обеспечения высокой прочности создаваемых конструкций и сооружений и значительной экономии металла.

При этом имеется в виду широкое применение более качественного металла, в первую очередь сталей повышенной и высокой прочности. В то же время применение таких марок требует особого подхода при конструировании и зачастую может привести к изменению систем проектируемых сооружений. А в некоторых случаях использование высокопрочных сталей может оказаться нерациональным.

Грамотный выбор сталей дает возможность обеспечить необходимую надежность и малую металлоемкость конструкций, возможность их длительной и бесперебойной эксплуатации при низких температурах и динамических нагрузках. Поэтому переход на стали повышенной и высокой прочности – злободневный вопрос для многих отраслей промышленности, а наиболее прогрессивные компании и предприятия уже широко используют их.

Строительство

Именно в этой отрасли чаще всего используются самые прочные металлы и стали в том числе, например, S420ML…S460ML, S690QL…S960QL, а также 15Г2СФ, 10Г2ФР, 16Г2АФ, 12ХГ2СМФ, 14ГСМФР. Из них изготавливают различные металлоконструкции и каркасы промышленных, гражданских, общественных и военных сооружений: элементы решеток сквозных ферм, балки, пролетные перекрытия, колонны, стойки, сжатые пояса и другие цельно-сжатые, внецентренно растянутые и сжато-изогнутые элементы.

В особой категории находятся стали для мостостроения. Их отличают улучшенные служебные свойства, среди которых не только прочность, но и сопротивляемость зарождению и распространению хрупких трещин. Поэтому их применяют не только в качестве стержневой и каркасной арматуры, но и для опалубки, обечаек, пролетных строений, вантов, шпунтов.

Металл для строительства

Производство инструмента

Конструктивно прочные марки сталей также применяются для изготовления различного инструмента. Приведем лишь несколько примеров использования:

  • Х12Ф1 – профилировочные ролики сложной формы, шестерни эталонные, волоки, матрицы и пуансоны холодного выдавливания;
  • Х12ВМ – холодные штампы высокой устойчивости, глазки для калибровки пруткового металла, сложные кузнечные штампы;
  • 7Х3 – инструмент горячей высадки крепежа, гибочные, обрезные и просечные штампы, детали штампов для горячего прессования;
  • 3Х3М3Ф – инструмент горячего деформирования на кривошипных прессах, подвергающийся интенсивному охлаждению, пресс-формы для литья медных сплавов под давлением, ножи горячей резки.

Создание металлических конструкций

Конечно, использовать самый прочный металл в мире для изготовления металлоконструкций в большинстве случаев нецелесообразно. Зато технически возможно и экономически выгодно применять для этих целей различные марки стали с повышенным и высоким пределом прочности. Их выбор, также, как и выбор любых других материалов, осуществляют на основе проектных расчетов и технико-экономического обоснования, ведь их используют для металлоконструкций повышенной надежности:

  • башен и мачт;
  • наливных эстакад;
  • подкрановых балок;
  • несущих сварных каркасов тяжелого оборудования металлургической, горной, нефтегазодобывающей и другой отрасли.

Инжиниринг

В этой сфере стали с высокой прочностью также являются популярным конструктивным материалом. Благодаря улучшенным механическим свойствам они широко используются для изготовления:

  • тяжелого грузоподъемного оборудования;
  • элементов буровых установок;
  • загрузочных устройств;
  • несущих компонентов установок по перемешиванию бетона;
  • деталей машин для деревопереработки;
  • обшивки боковых и торцевых стен локомотивов;
  • кузовов карьерных самосвалов;
  • контейнеров;
  • ковшей экскаваторов и погрузчиков;
  • рабочих элементов драг и землечерпалок;
  • торцевых упоров и рам вагонов и полувагонов.

Из них производят крепежные изделия, стяжные болты, шасси самолетов, валы реактивных двигателей и силовых приводов, а также износостойкие щеки дробилок, крестовины переводных стрелок, козырьки черпаков экскаваторов, рессоры, пластинчатые цепи и пр.

В условиях современного рынка производство толстолистовых сталей ориентировано на минимизацию роли углерода как упрочняющего компонента, снижение вклада перлитного и твердосплавного упрочнения. В то же время усиливается роль более прогрессивных факторов – измельчения ферритного зерна, дисперсионного и дислокационного упрочнения, микролегирования карбонитридообразующими элементами и в первую очередь молибденом, ниобием и бором.

Жаропрочные стали работоспособны в интервале температур до +700°С, проявляют достаточно высокую твердость и повышенную стойкость к окалинообразованию и коррозии, в том числе и к газовой. Они находят применение в турбинах и двигателях, используемых, в том числе и в аэрокосмической отрасли. Из них изготавливают паропроводные трубы, корпуса турбинных клапанов и пр.

Ну и конечно же самый крепкий металл в мире востребован в военной промышленности. Именно стали с высокой прочностью, характеризующиеся улучшенной ударной вязкостью и твердостью в пределах 370…600 по Бринеллю, позволили улучшить тактико-технические данные современной военной техники и вооружения, повысить мобильность войск и эффективность защитных сооружений. Но чаще всего они используются для танковых траков, бронепластин и лобовой брони.

10 самых прочных металлов

Сталь – далеко не единственный металлический материал, обладающий высокими прочностными характеристиками. Наша планета богата не только железом, но и другими металлами, многие из которых характеризуются высокой прочностью и выступают легирующими веществами при производстве экономнолегированных и высоколегированных сталей.

Тантал

Металл, который несмотря на тугоплавкость и твердость, проявляет довольно хорошую пластичность и хорошо поддается штамповке. Как примесь в железе он способствует обезводораживанию и общей дегазации жидкой стали.

Бериллий

Токсичный металл, имеющий твердость по шкале Мосса 5,5. Используется для получения твердых и легких сплавов на основе алюминия, меди, никеля и бронзы, которые находят вариативное применение в авиастроении и ядерном вооружении.

Уран

Твердый и очень тяжелый металл, имеющий природную радиоактивность и небольшие парамагнитные свойства. Находит применение в оборонной промышленности и атомной энергетике.

Железо

Один из самых распространенных металлов в земной коре. В чистом виде довольно пластичен и умерено тугоплавкий. А его сплавы с углеродом (стали и чугуны) демонстрируют довольно хорошие механические параметры, которые могут быть улучшены путем легирования.

Титан

Металл, сочетающий легковесность с высокой твердостью, вязкостью и прочностью. Довольно пластичен, но сваривается только в инертной среде. Выступает раскислителем, дегазатором и легирующим элементом для инструментальных и конструкционных сталей. Измельчает зерно аустенита, улучшает антикоррозионные свойства и химическую стойкость.

Рений

Один из наиболее плотных и твердых металлов на планете. Парамагнетик. Температура плавления 3186°С приближает его к тугоплавким металлам IV группы. В сталеплавильном комплексе используется для легирования жаропрочных марок стали.

Хром

Наиболее твердый и распространенный металл в мире. Массово используется для легирования, раскисления и дегазации нержавеющих, жаропрочных сталей и сплавов с целью повышения их прочности, твердости и устойчивости к коррозии.

Осмий

На вопрос какой металл самый прочный, можно сразу безошибочно ответить – осмий. Этот переходной металл из платиновой группы довольно редко встречается в земных недрах и часто идентифицируется в металле метеоритов. Сочетает в себе высокую твердость и хрупкость, при этом имеет высокую удельную массу, а температура плавления составляет 3033°С. Находит применение в аэрокосмической промышленности и в военном деле.

Иридий

Еще один твердый и тугоплавкий металл из платиновой группы. Крайне редко встречается на нашей планете, поэтому его некоторые изотопы синтезируют. Обладает высокой плотностью и коррозионной стойкостью. Используется для изготовления хирургического инструмента.

Вольфрам

Это самый прочный металл на земле. Он невероятно устойчив к коррозии и очень тугоплавкий. Как легирующий элемент тормозит рост зерен аустенита, снижает чувствительность к охлаждению после высокого отпуска и резко уменьшает высокотемпературную отпускную хрупкость. Значительно улучшает свойства хромоникелевой конструкционной стали.

Таблица – Некоторые физические свойства чистых металлов

Название элемента

Символ

Кристаллическая структура

Плотность при температуре 20°С, 10-3 кг/м3

Модуль упругости, 10-10 Н/м2

Теплоемкость при температуре 20°С, кДж/кг*град

Коэффициент линейного расширения при температуре 20°С, 106 1/град

Бериллий

Be

гексагональная

1,85

23,7

1,72…2,18

11,6

Вольфрам

W

объемно-центрированная

19,2

40,7

0,134

4,4

Железо

Fe

объемно-центрированная

7,87

21,2

0,445

11,7

Иридий

Ir

гранецентрированная кубическая

22,5

52,8

0,129

6,8

Осмий

Os

гексагональная

22,5

54.95

0,130

4,6…7,0

Рений

Re

гексагональная

21,0

46,1

0,137

6,7

Тантал

Ta

гексагональная

16,6

18,45

0,139

6,5

Титан

Ti

гексагональная

4,54

10,32

0,55

8,5

Уран

U

ромбическая

19,0

13,13…20,45

0,117

14,5

Хром

Cr

объемно-центрированная

7,19

25,1

0,452

6,2

Выводы

В условиях рыночной экономики конкурентные преимущества стали, в том числе и ее прочностные параметры, имеют решающее значение. Они позволяют воплощать в жизнь самые дерзкие и смелые проекты на Земле и в космосе и изготавливать изделия любой технической сложности.

Но только сделав правильный выбор высокопрочной стали можно до 25% снизить вес конструкций и оборудования, продлить срок службы машин и механизмов, уменьшить трудозатраты на ремонт и обслуживание. И в этом нелегком вопросе компания ООО «Метинвест-СМЦ» всегда готова прийти на помощь своим клиентам. Обращайтесь, мы подскажем какая высокопрочная сталь подходит для тех или иных задач. Наш телефон 0800-30-30-70.