Специальные стали и сплавы

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ 

 
 
Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому 
и техническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки: 150400.68 «Металлургия» (профиль подготовки: 150400.68.05 
«Металловедение и термическая обработка металлов»), 22.12.2015 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2016 

УДК 669.017:669.1(07) 
ББК  34.24я7 
С718 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 

А. В. Прошкин, доктор технических наук, профессор, руководитель 

проекта ИТМЭ, начальник ЛУФМ ДНТ ИТДАП (ООО «РУСАЛ ИТЦ»); 
А. П. Руденко, доктор технических наук, профессор (Сибирский 
технологический университет) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
С718 
 
Специальные стали и сплавы : учеб. пособие / А. А. Ковалева, Е. С. Лопатина, В. И. Аникина, Т. Р. Гильманшина. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. – 232 с. 
ISBN 978-5-7638-3470-3 
 
В пособии изложены основные сведения о влиянии легирующих элементов на структуру и свойства сталей и сплавов. Приведена классификация 
сталей. Описаны основные требования, предъявляемые к сталям специального назначения. Рассмотрены виды и режимы термической обработки, необходимые для получения требуемых свойств, структуры и механические 
свойств, а также области использования металлических материалов. 
Предназначено для магистров, обучающихся по направлению подготовки 150400.68 «Металлургия», профиль 150400.68.05 «Металловедение 
и термическая обработка металлов». 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 669.017:669.1(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 34.24я7 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3470-3 
© Сибирский федеральный 
университет, 2016 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 
Введение ........................................................................................................  
6 
 
Глава 1. Общие вопросы легирования сталей ......................................  
9 
1.1. Классификация легирующих элементов ..............................................  
9 
1.2. Классификация и маркировка сталей ..................................................  12 
1.3. Неметаллические включения ................................................................  15 
1.4. Металлургическое качество сталей .....................................................  17 
1.5. Фазы в легированных сталях ................................................................  19 
1.5.1. Твердые растворы .......................................................................  19 
1.5.2. Интерметаллиды ..........................................................................  21 
1.5.3. Карбиды и нитриды ....................................................................  23 
1.6. Превращения переохлажденного аустенита при охлаждении ..........  24 
1.7. Влияние легирования на характеристики сталей ...............................  26 
1.7.1. Влияние легирующих элементов на закаливаемость  
и прокаливаемость стали ...........................................................  27 
1.7.2. Влияние легирующих элементов на процессы, 
протекающие при отпуске закаленной стали ..........................  28 
1.7.3. Дисперсионное твердение ..........................................................  30 
1.7.4. Вторичная твердость ...................................................................  31 
Контрольные вопросы ..................................................................................  32 
 
Глава 2. Конструкционные стали ............................................................  34 
2.1. Строительные стали ...............................................................................  34 
2.1.1. Требования к строительным сталям ..........................................  34 
2.1.2. Углеродистые стали ....................................................................  37 
2.1.3. Низколегированные стали ..........................................................  37 
2.1.4. Стали повышенной прочности ..................................................  41 
2.1.5. Арматурные стали .......................................................................  41 
2.2. Высокопрочные стали ...........................................................................  46 
2.2.1. ПНП-стали ...................................................................................  47 
2.2.2. Мартенситно-стареющие стали .................................................  52 
2.3. Машиностроительные стали .................................................................  57 
2.3.1. Улучшаемые стали ......................................................................  57 
2.3.2. Азотируемые стали .....................................................................  59 
2.3.3. Стали для глубокой вытяжки .....................................................  61 
2.3.4. Подшипниковые стали ...............................................................  62 
2.3.5. Пружинные стали ........................................................................  68 
2.4. Износостойкие стали .............................................................................  74 
2.5. Графитизированная сталь .....................................................................  77 

Оглавление 

4 

2.6. Кавитационно-стойкие стали ................................................................  78 
2.6.1. Механизм кавитационного разрушения ...................................  79 
2.6.2. Испытания на кавитационную стойкость .................................  80 
2.6.3. Требования к кавитационно-стойким сплавам ........................  81 
2.6.4. Выбор кавитационно-стойких сплавов .....................................  83 
2.6.5. Новые кавитационно-стойкие стали .........................................  85 
2.7. Стали для криогенной техники ............................................................  86 
2.7.1. Малоперлитные стали .................................................................  88 
2.7.2. Ферритные стали .........................................................................  89 
2.7.3. Стабильные аустенитные стали .................................................  89 
2.7.4. Железоникелевые сплавы ...........................................................  90 
2.7.5. Стали повышенной обрабатываемости .....................................  91 
2.8. Рельсовые стали ......................................................................................  93 
Контрольные вопросы ..................................................................................  94 
 
Глава 3. Инструментальные стали ..........................................................  98 
3.1. Классификация инструментальных сталей .........................................  98 
3.2. Стали для режущего инструмента .......................................................  101 
3.2.1. Стали пониженной прокаливаемости .......................................  101 
3.2.2. Стали повышенной прокаливаемости .......................................  103 
3.3. Быстрорежущие стали ...........................................................................  105 
3.3.1. Превращение аустенита в быстрорежущей стали  
после высокотемпературного нагрева ......................................  105 
3.3.2. Влияние легирующих элементов ...............................................  107 
3.3.3. Термическая обработка ..............................................................  108 
3.4. Стали для измерительных инструментов ............................................  110 
3.5. Штамповые стали ...................................................................................  112 
3.5.1. Штамповые стали для холодного деформирования ................  113 
3.5.2. Штамповые стали для горячего деформирования ...................  117 
Контрольные вопросы ..................................................................................  121 
 
Глава 4. Коррозионно-стойкие стали и сплавы ....................................  123 
4.1. Общие сведения о коррозионно-стойких сталях ................................  123 
4.2. Легирование коррозионно-стойких сталей .........................................  125 
4.3. Виды коррозионного разрушения сталей ............................................  130 
4.4. Классификация коррозионно-стойких сталей по структуре .............  136 
4.4.1. Виды хрупкости коррозионно-стойких сталей ........................  139 
4.4.2. Аустенитные нержавеющие хромоникелевые  
и хромомарганцевые стали ........................................................  143 
4.4.3. Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали .......  147 
4.5. Сплавы на железоникелевой и никелевой основе ..............................  151 
Контрольные вопросы ..................................................................................  153 

Оглавление 

5 

Глава 5. Теплостойкие и жаропрочные стали и сплавы .....................  155 
5.1. Классификация и применение ..............................................................  155 
5.2. Влияние внешних и внутренних факторов на жаропрочность .........  158 
5.3. Теплоустойчивые стали .........................................................................  163 
5.3.1. Углеродистые и низколегированные стали ..............................  164 
5.3.2. Хромистые стали мартенситного  
и мартенсито-ферритного классов ............................................  169 
5.4. Жаропрочные стали и сплавы ...............................................................  173 
5.5. Жаростойкие стали ................................................................................  177 
Контрольные вопросы ..................................................................................  180 
 
Глава 6. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами ........  182 
6.1. Материалы с особыми магнитными свойствами ................................  182 
6.1.1. Ферромагнитные (магнитотвердые) материалы ......................  185 
6.1.2. Диамагнитные (магнитомягкие) материалы ............................  191 
6.1.3. Сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью ...  198 
6.1.4. Сплавы с высокой индукцией насыщения ...............................  199 
6.1.5. Сплавы с постоянной магнитной проницаемостью ................  200 
6.2. Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения...........  201 
6.3. Сплавы с постоянным модулем упругости .........................................  206 
6.4. Материалы с особыми электрическими свойствами ..........................  210 
6.4.1. Стали и сплавы с высоким электросопротивлением ...............  210 
6.4.2. Сплавы для изготовления термопар ..........................................  213 
6.4.3. Реостатные сплавы ......................................................................  214 
Контрольные вопросы ..................................................................................  216 
 
Заключение ...................................................................................................  217 
 
Контрольные задания .................................................................................  218 
 
Библиографический список ......................................................................  229 
 
 

Введение 

6 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
Люди с древнейших времен научились использовать металлы. Они 
находили металлы в природе или получали их из руды, создавая различные 
сплавы. 
Развитие промышленного производства во всех отраслях науки 
и техники требует повышения качества существующих и создания новых 
материалов с заранее заданными свойствами.  
В настоящее время наиболее развито производство черных металлов 
и сплавов. В меньшей степени используются сплавы, полученные из цветных металлов, но и их производство постоянно возрастает. Кроме того, 
ученые и практики создают новые искусственные материалы, обладающие 
уникальными свойствами. Эти материалы сочетают малый удельный вес, 
электрические, магнитные, химические свойства с повышенными характеристиками прочности, тепло- и жаростойкости. 
Известно огромное количество разнообразных материалов, используемых при создании машин и агрегатов для различных областей народного хозяйства.  
Специальные стали и сплавы – предмет, изучающий стали и сплавы различного назначения. Задачей курса является изучение принципов 
легирования, основы создания различных групп сталей и сплавов, их 
свойств, особенностей, возможности изменять имеющиеся свойства, т. е. 
глубокое, всестороннее исследование свойств и структуры сталей, а также 
их применения. 
Опубликовано много литературных источников, описывающих стали 
и сплавы определенного назначения, например, конструкционные стали, 
инструментальные стали, штамповые стали и т. д. Однако очень мало издано литературы, в которой были бы собраны сведения о материалах различного назначения. 
В настоящем учебном пособии представлено большое количество 
металлических материалов и описано их использование. 
Повышение качества металлических материалов, расширение сортамента металлопродукции, экономия материалов – это основные задачи, 
стоящие перед металлургами и потребителями сталей и сплавов. Наиболее 
ответственные детали и конструкции изготавливают из качественных легированных сталей. Стали имеют различный химический состав, что определяет их свойства. Они отличаются по технологии производства. 
Знание принципов, лежащих в основе разработки сталей, режимов их 
обработки дает возможность создавать новые стали, имеющие высокие 

Введение 

7 

значения прочности и пластичности, что позволяет использовать их для 
конструкций и изделий ответственного назначения. 
Производство сталей начало развиваться быстрыми темпами с ХХ столетия. Стали расти и требования, предъявляемые к свойствам сталей. Кроме основных требований появилась необходимость в получении новых 
свойств, таких как химические, магнитные, электрические и др. Стали 
должны быть экономически выгодными. 
Изучением свойств сталей ученые и технологи занимаются с давних 
времен. Впервые в 1851 г. русским ученым-металлургом П. П. Аносовым 
был открыт закон о связи строения и свойств металлов. Сопоставляя макроструктуру изготавливаемых булатов с их режущими свойствами, 
П. П. Аносов писал: «...если коленчатым и сетчатым булатом легко перерезать в воздухе газовый платок, то и моим булатом я могу делать то же самое». В своей работе о булатах он отмечал, что «примесь марганца к стали 
в малом количестве до 1/200 доли не производит в ней видимой перемены, 
а если его содержание увеличить до 1/100 доли, то сталь станет тверже, 
хрупче и вообще грубою. С увеличением количества марганца до 1/50 доли 
сталь делается столь ломкой, что при ударах колется по длине, соответственно направлению слоев ее составляющих…», «хром и особенно титан, 
при одинаковом количестве, меньше вредят стали, чем марганец». Исследования и заключения П. П. Аносова о влиянии различных элементов на 
свойства и структуру стали оставались верными в течение века. 
Для наиболее эффективного использования стали следует знать связь 
ее структуры и свойств. Закон о взаимосвязи строения и свойств материалов был описан в трудах Д. К. Чернова – «отца» металлографии железа, 
теории и практики термической обработки металлов и сплавов. Им были 
открыты основные параметры, необходимые для построения и изучения 
диаграммы железо – углерод. Он впервые описал критические температуры и зависимость их от концентрации углерода. 
Были разработаны основы влияния легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Изменить структурное состояние сплавов можно 
путем легирования, термической обработки или пластической деформации, а также комбинированными методами. 
Затем были разработаны основы теории легирования сталей. Получены стали с новыми свойствами. И. Н. Богачев с сотрудниками разработал новые кавитационно-стойкие стали с нестабильным аустенитом. 
Качество конструкционных материалов в современной технике определяется комплексом механических свойств, сочетающих высокую 
прочность, твердость, упругость с определенной пластичностью и вязкостью. Кроме того, для деталей, конструкций требуются дополнительные 

Введение 

8 

свойства, такие как жаропрочность, магнетизм, износостойкость, электросопротивление и т. д. 
Люди с давних времен научились изменять свойства металлических 
изделий в нужном направлении. Путем кропотливого поиска, методом проб 
и ошибок они создавали материалы, обладающие нужными свойствами. 
Были разработаны материалы, которые можно использовать в условиях глубокого холода (около температуры абсолютного нуля). 
Только при помощи специальных приборов и оборудования можно 
определить многие свойства материалов. Это стало возможно в начале 
ХХ в., когда появились разработанные методики и приборы для определения механических свойств, а также научно обоснованные подходы к проблеме улучшения механических свойств материалов. 
Стали – это сплавы железа с углеродом, содержание которого не 
превышает 2,14 %. Однако в промышленности применяют стали, в которых количество углерода изменяется от 0,05 до 1,35 %. Это связано с охрупчиванием сталей при большем содержании углерода. Стали отличаются 
свойствами, технологией производства, обработкой, структурой. 
Стали, у которых одно или несколько свойств развиты в нужном направлении, называют специальными.  
Специальные стали – это сплавы на основе железа, отличающиеся 
от углеродистых сталей особыми свойствами, обусловленными либо их 
химическим составом, либо способом производства, либо способом обработки (Э. Гудремон).  
Изучение сталей и сплавов является необходимым при подготовке 
инженеров любой специальности. 
 
 

Общие вопросы легирования сталей 

9 

Глава 1. ОБЩИЕ  ВОПРОСЫ  ЛЕГИРОВАНИЯ  СТАЛЕЙ 

 
 
Любая сталь содержит не только железо и углерод, но и другие элементы, которые делят на примеси и легирующие элементы. Примеси находятся в сталях всегда. 
Легирующие элементы – это элементы, специально вводимые в сталь 
для придания ей требуемых структуры и физико-химических свойств. Для 
легирования используют элементы, которые имеются в данной стране. Минеральные ресурсы каждой страны накладывают свой отпечаток на производство и использование сталей. В связи с этим технико-экономическая 
структура сталей – национальная. В каждой стране разрабатывают свою 
систему стандартов, рекомендаций, цен на стали. 
 
 

1.1. Классификация легирующих элементов 

 
Большинство элементов периодической системы Менделеева может 
быть введено в расплав для придания сплавам новых свойств. Такие элементы называют легирующими. К ним относятся Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V, 
Co, Cu, Ti, Zr, Nb, Al, B. В некоторых случаях в качестве легирующих элементов используют P, S, N, Se, Te и др. 
Легирующие элементы классифицируют: 
 на металлы группы Fe – Co, Ni, Mn; 
 тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше температуры плавления Fe, – W, Mo, Nb, V, Cr; 
 легкоплавкие – Al; 
 редкоземельные металлы – лантан (La), неодим (Ne), церий (Се), 
иттрий (Y) и др. (редкоземельные металлы часто используются в виде лигатуры). 
По степени сродства к углероду легирующие элементы делят на карбидообразующие (Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn) и некарбидообразующие (Cu, Ni, Co, Si, Al). 
Все легирующие элементы оказывают влияние на температуру критических точек А1, А3, А4, изменяя вид диаграммы железо – легирующий 
элемент. По Ф. Ведэру, легирующие элементы подразделяются на следующие группы (рис. 1): 
1. Легирующие элементы, расширяющие γ-область, увеличивающие А4 
и уменьшающие А3, т. е. γ-область с некоторой концентрацией элемента 
может существовать до комнатной температуры. Это аустенитообразующие элементы, такие как Ni, Mn, Co, Pd, Pt (рис. 1, а). 

Глава 1 

10 

2. Элементы, образующие ограниченную гомогенную γ-область из-за 
формирования новых фаз, – N, C, Cu, Zn (рис. 1, б). 
3. Элементы, сужающие α-область, увеличивающие А3 и уменьшающие А4, т. е. ферритообразующие – Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As, Su, Sb 
(рис. 1, в). 
4. Элементы, образующие область, ограниченную гетерогенными 
областями, – В, Re (рис. 1, г). 
Некоторые изменения в третьей группе элементов вносит хром. Он 
влияет двояко: при введении его в малых количествах одновременно понижаются температура А3 и А4, а при увеличении содержания хрома температура А3 повышается, а А4 понижается, т. е. образуется петля (рис. 2). 
 
 

 
а 
б 
 

 
в 
г 
 
Рис. 1. Влияние легирования на критические точки сталей 

γ 

Т, оС 

А4 

В 

α 

А3 

Л. э., %

 

Т, оС 

А4 



А3 
 

Л. э., % 

Т, оС 

 

А3 

А4 

 

 

Л. э., %

Т, оС 

 

А3 

А4 

 

 

Л. э., %