Перспективные стали и сплавы

 
 
 
 
И. В. Чуманов, И. А. Алексеев 
 
 
 
 
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ 
 
 
 
 
 
 
 
Допущено Федеральным учебно-методическим объединением по укрупненной группе  
специальностей и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебного  
пособия при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 22.03.02 
и 22.04.02 «Металлургия» соответственно 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 
 

УДК 669.01/.09  
ББК 34.3 
Ч-90 
 
 
 
 
Рецензенты: 
профессор кафедры металловедения Института новых материалов и технологий  
ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России  
Б. Н. Ельцина», д. т. н., проф. М. А. Филиппов; 
д. т. н., проф. А. Е. Семин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Чуманов, И. В. 
Ч-90  
Перспективные стали и сплавы : учебное пособие / И. В. Чуманов, 
И. А. Алексеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 108 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1816-4 
 
Приведены основные стали и сплавы, используемые в современных перспективных отраслях промышленности. Все сплавы разбиты на категории по ключевым отраслям развития. Для каждой категории перечислены основные представители сплавов, указаны их физико-механические свойства, химические составы, структура, выполнен краткий обзор сферы применения с перечислением основных приоритетных 
свойств используемых материалов. 
Для студентов очного и очно-заочного обучения направлений подготовки 22.03.02 
и 22.04.02 «Металлургия». Может использоваться для выполнения семестрового задания по предметам «Общее материаловедение», «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Термическая обработка металлов», «Перспективные стали и сплавы». 
 
УДК 669.01/.09  
ББК 34.3 
 
 
ISBN 978-5-9729-1816-4 
” Чуманов И. В., Алексеев И. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ʝʒʚʏʑʚʔʜʗʔ 
 
Введение ...................................................................................................................... 5 
 
Глава 1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ,                          
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ 
............................................................ 7 
1.1. Область применения и назначение строительных сталей ............................ 7 
1.2. Классификация, маркировка, нормативная база 
............................................ 7 
1.3. Химический состав строительных сталей .................................................... 10 
1.4. Структура и механические свойства строительных сталей 
........................ 10 
1.5. Технология производства строительных сталей 
.......................................... 13 
1.6. Строительные стали повышенной огнестойкости 
....................................... 14 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 16 
 
Глава 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ, 
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СУДОСТРОИТЕЛЬСТВЕ .............................................. 17 
2.1. Область применения и назначение судостроительных сталей 
................... 17 
2.2. Классификация, маркировка, нормативная база 
.......................................... 18 
2.3. Химический состав судостроительных сталей ............................................ 20 
2.4. Структура и механические свойства судостроительных сталей 
................ 21 
2.5. Технология производства судостроительных сталей 
.................................. 23 
2.6. Повышение коррозионной стойкости корпусных элементов..................... 25 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 27 
 
Глава 3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ,                           
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 
........................... 28 
3.1. Область применения и назначение реакторных сталей .............................. 28 
3.2. Классификация, маркировка, нормативная база 
.......................................... 29 
3.3. Химический состав реакторных сталей ........................................................ 30 
3.4. Структура и механические свойства реакторных сталей ........................... 32 
3.5. Технология производства реакторных сталей ............................................. 35 
3.6. Снижение эффекта вакансионного и газового распухания                          
реакторных сталей. Контроль поведения водорода ........................................... 36 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 38 
 
Глава 4. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ,                         
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 
.... 39 
4.1. Область применения и назначение авиационных сталей и сплавов 
.......... 39 
4.2. Классификация, маркировка, нормативная база 
.......................................... 40 
4.3. Химический состав авиационных сталей и сплавов ................................... 41 
3 
 

4.4. Структура и механические свойства авиационных сталей и сплавов ....... 44 
4.5. Технология производства авиационных сталей и сплавов 
......................... 46 
4.6. Повышение жаростойкости и жаропрочности                                         
авиационных никелевых сплавов ......................................................................... 48 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 50 
 
Глава 5. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ,                         
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ОТРАСЛИ ........................... 51 
5.1. Область применения и назначение рельсовых сталей ................................ 51 
5.2. Классификация, маркировка, нормативная база 
.......................................... 52 
5.3. Химический состав рельсовых сталей .......................................................... 53 
5.4. Структура и механические свойства рельсовых сталей 
.............................. 55 
5.5. Технология производства рельсовых сталей................................................ 57 
5.6. Повышение износостойкости и долговечности                                          
железнодорожных рельсов и колес ...................................................................... 58 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 60 
 
 
Глава 6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ,                          
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ .............. 61 
6.1. Область применения и назначение нефтегазовых сталей 
........................... 61 
6.2. Классификация, маркировка, нормативная база 
.......................................... 62 
6.3. Химический состав нефтегазовых сталей и сплавов 
................................... 63 
6.4. Структура и механические свойства нефтегазовых сталей 
........................ 65 
6.5. Технология производства нефтегазовых сталей 
.......................................... 66 
6.6. Экономнолегированные хладостойкие стали 
............................................... 68 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 69 
 
Глава 7. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СТАЛИ                                            
АУСТЕНИТНО-ФЕРРИТНОГО КЛАССА (ДУПЛЕКСНЫЕ СТАЛИ) 
...... 70 
7.1. Область применения и назначение дуплексных сталей 
.............................. 70 
7.2. Химический состав дуплексных сталей 
........................................................ 71 
7.3. Структура и механические свойства дуплексных сталей ........................... 75 
7.4. Технология производства дуплексных сталей ............................................. 78 
7.5. Дуплексные нержавеющие стали, легированные азотом ........................... 81 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 84 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................ 85 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
....................................................................................................... 88 
4 
 

ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
 
Перспективными сплавами считаются материалы на основе различных 
черных и цветных металлов, легированные специальными добавочными компонентами, подчеркивающими и усиливающими свойства готового изделия для 
его наилучшего функционирования в заданных условиях. Добавочные компоненты (легирующие материалы) имеют ту же металлическую природу, что и 
основной компонент в таких сплавах, но придают ему дополнительные свойства при добавлении в необходимых пропорциях к основному металлу. Особый класс среди таких материалов составляют стали, так как их основной 
компонент (железо) является наиболее распространенным и дешевым металлом в окружающей среде. Сталь обладает достаточными физико-механическими свойствами для ее применения практически во всех отраслях промышленности, а ее способности к легированию делают ее универсальным материалом 
для всех отраслей науки и техники. 
Однако на современном этапе технического развития свойств стали становится недостаточно для работы в современных условиях, учитывающих суровость и жесткость эксплуатации машин, экологичность их работы в ходе 
всего жизненного цикла, экономическую эффективность и достаточную долговечность без изменения (ухудшения) качества выполнения их технологических 
функций. Дополнительно к этому появляются и модернизируются такие отрасли, где применение сталей принципиально невозможно или экономически невыгодно с учетом их предельного легирования для обеспечения всех необходимых свойств. В таких областях применяются сплавы на основе иных металлов, таких как титан, алюминий и т. д. Основной металл в подобных сплавах 
уступает железу либо по физико-механическим свойствам, либо по экономической составляющей, но дает возможность получить новейшие материалы с уникальными свойствами. Например, легковесные сплавы с высоким сопротивлением к термическим и знакопеременным нагрузкам, радиационному излучению, коррозионной стойкости и пр. 
В учебном пособии приведены основные стали и сплавы, используемые 
в современных перспективных отраслях промышленности. Все сплавы разбиты на категории по ключевым отраслям развития. Для каждой категории были перечислены основные представители сплавов, указаны их физико-механические свойства, химические составы, структура, выполнен краткий обзор сферы 
применения с перечислением основных приоритетных свойств используемых 
материалов. 
5 
 

Основная задача курса «Перспективные стали и сплавы» – изучение 
свойств и назначения сталей и сплавов, обладающих высоким потенциалом 
развития в части усовершенствования эксплуатационных свойств, благодаря 
чему открываются новые возможности в создании новейших и модернизации 
работы действующих машин и агрегатов передовых и малоизученных областей промышленности, науки и техники. 
Освоение материала учебного пособия поможет сформировать у студента 
следующие компетенции: 
– осуществлять критический анализ проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывать стратегию действия (УК-1); 
– решать производственные и исследовательские задачи на основе фундаментальных знаний в области металлургии (ОПК-1); 
– участвовать в управлении профессиональной деятельностью, используя 
знания в области менеджмента качества (ОПК-3); 
– находить и перерабатывать информацию, требуемую для принятия решений в научных исследованиях и в практической технической деятельности 
(ОПК-4); 
– оценивать результаты научно-технических разработок, научных исследований и обосновывать свой выбор, систематизируя и обобщая достижения 
в отрасли металлургии и смежных областях (ОПК-5). 
 
 
6 
 

ʒˎ˃˅˃ 1 
 
ʙʝʜʠʡʟʢʙʥʗʝʜʜʪʔʠʡʏʚʗʗʠʞʚʏʑʪǡ 
ʞʟʗʛʔʜʮʔʛʪʔ ʑʠʡʟʝʗʡʔʚʫʠʡʑʔ 
 
1.1. ʝ˄ˎ˃˔˕˟˒˓ˋˏˈːˈːˋˢˋː˃ˊː˃˚ˈːˋˈ ˔˕˓ˑˋ˕ˈˎ˟ː˞˘˔˕˃ˎˈˌ 
 
Строительная отрасль всегда являлась перспективным направлением развития промышленности, для которой требовались новые материалы с уникальными свойствами. Конечно, в данном контексте не идет речь о массовой застройке, аналогичной строительному буму в советский период нашего Отечества. Конкретно в данном периоде ставка делалась на предельное удешевление конструкций для ускорения темпов застройки городских жилых и промышленных территорий. Вопросы, связанные с долговечностью и жесткостью 
конструкций, в частности, с сейсмоустойчивостью, решались путем сокращения этажности зданий и наращивания их протяженности по земельной площади. Свойств обыкновенных конструкционных материалов без специализированных, применяемых для металлического каркаса зданий, было достаточно. 
Строительные стали широко применяются при возведении жилых и промышленных сооружений, трубопроводов, мостов, ферм, котлов и т. д. Глав- 
ное отличие строительных сталей от их близких аналогов лежит в технологии 
производства. Строительные стали являются сами по себе готовым продуктом 
и не требуют никакой доводки по химическому составу или структуре, обеспечиваемых проведением термической или механической обработки. Таким образом, строительные стали обеспечиваются всеми технологическими свойствами по прочности и пластичности на этапе производства благодаря осуществлению всех доводочных операций на предприятии-изготовителе. Обеспечение 
данных свойств происходит за счет термической обработки (нормализации и 
улучшения). 
 
1.2. ʙˎ˃˔˔ˋ˗ˋˍ˃˙ˋˢǡ ˏ˃˓ˍˋ˓ˑ˅ˍ˃ǡ ːˑ˓ˏ˃˕ˋ˅ː˃ˢ˄˃ˊ˃ 
 
В Российской Федерации регулирование производства строительных сталей и сплавов различного сортамента осуществляется большим количеством 
государственных стандартов и еще боғльшим числом технических требований 
и условий, разрабатываемых заводами-изготовителями. Основным нормативным документом, используемым в данном пособии, является ГОСТ 27772-2015 
7 
 

«Прокат для строительных стальных конструкций», внутри которого существует более пятидесяти ссылок на другие государственные стандарты, носящие 
уточняющий характер по конкретным сортаментам и сплавам в части технологий их получения, методологий испытаний и проверки получаемых изделий.  
Государственный стандарт устанавливает требования по собственному 
наименованию строительных сталей. Наименования распространенных отечественных сталей с их марками приведены в табл. 1.  
 
Таблица 1 
Наименования и марки некоторых строительных сталей 
 
Наименование 
Марка 
С235 
Ст3кп2 
С245 
Ст3пс5, Ст3сп5 
С255 
Ст3Гпс, Ст3Гсп 
С275 
Ст3пс 
С285 
Ст3пс, Ст3Гпс, Ст3Гсп 
С345 
12Г2С, 09Г2С 
С345Д 
12Г2СД, 09Г2СД 
С345КС375 
10ХНДП 
С375Д 
12Г2С 
С390 
14Г2АФ 
С390Д 
14Г2АФД 
С390К 
15Г2АФДпс 
С440 
16Г2АФ 
С440Д 
16Г2АФД 
С590 
12Г2СМФ 
С590К 
12ГН2МФА10 
 
Наименование строительных сталей по ГОСТ 27772-2015 имеет следующую расшифровку: 
 буква «С» означает – сталь строительная; 
 цифры, следующие за буквой «С», означают предел текучести проката 
в Н/мм2; 
 буква «К» – сталь с повышенной коррозионной стойкостью; 
 буква «П» – сталь с повышенной огнестойкостью; 
 буква «Д» – сталь с низким содержанием меди; 
 буква «Т» – сталь термически улучшенная; 
 буква «Ш» – сталь, полученная по технологии ЭШП. 
8 
 

Применяемые зарубежные строительные стали, аналогичные отечественным, с указанием регулирующих стандартов приведены в табл. 2. 
Строительные стали условно классифицируются по прочности на: 
 обычные (ıТ до 290 МПа); 
 повышенной прочности (ıТ от 290 до 400 МПа); 
 высокой прочности (ıТ свыше 400 МПа). 
 
Таблица 2 
Аналоги отечественных строительных сталей за рубежом 
 
Марка отечественной 
строительной стали 
Аналог зарубежной 
строительной стали 
Страна 
Нормативный 
стандарт 
С235 
USt 37-2 
S 235 JRG1 
Германия 
Евросоюз 
DIN 
EN 
С245 
RSt 37-2 
S 235 JRG2 
Германия 
Евросоюз 
DIN 
EN 
С255 
St 37-3U 36 
S 235 J0 
Германия 
Евросоюз 
DIN 
EN 
С275 
St 44-2 
S 275 JR 
Германия 
Евросоюз 
DIN 
EN 
DIN 
ASTM 
EN 
С285 
St 44-3U 
Grade 70 
S 275 J0 
Германия 
США 
Евросоюз 
С345 
St 52-3N 
S 355 J2G3 
Германия 
Евросоюз 
DIN 
EN 
С345K 
WR 50 A 
SPA-H 
Великобритания 
Япония 
B.S. 
JIS 
C375 
TStE 380 
SLA 325 
Германия 
Япония 
DIN 
JIS 
C390, C440 
B.S. 
DIN 
DIN 
ASTM 
ASTM 
ASTM 
55C, 55EE 
TStE 420 
TStE 460 
Grade B 
Grade D 
Grade 65 
Великобритания 
Германия 
Германия 
США 
США 
США 
C590K 
Grade 100 W Type H 
Grade F 
SHY 685 N 
ASTM 
ASTM 
JIS 
США 
США 
Япония 
 
9 
 

1.3. ʤˋˏˋ˚ˈ˔ˍˋˌ˔ˑ˔˕˃˅˔˕˓ˑˋ˕ˈˎ˟ː˞˘˔˕˃ˎˈˌ 
 
Регулирование химического состава строительных сталей регламентируется государственным стандартом ГОСТ 27772-2015. Химический состав отечественных строительных сталей приведен в приложении 1. 
Количество углерода в строительных сталях постепенно уменьшается по 
мере увеличения индекса их маркировки. Это необходимо для увеличения прочности стали и снижения хладноломкости, что достигается введением легирующих компонентов, которые повышают индекс эквивалентного углерода. 
Основными легирующими компонентами строительных сталей повышенной прочности являются марганец и кремний за счет их дешевизны. Внедре- 
ние Mn и Si в строительные стали позволяет обеспечить удовлетворительное 
соотношение «цена-качество» при возведении большинства сооружений, не подверженных суровым эксплуатационным условиям, например, климату крайнего 
севера, поскольку повышенное содержание данных компонентов увеличивает 
склонность стали к хладноломкости. 
Снижение концентрации вредных примесей (S, P) закономерно при увеличении класса стали. Обеспечение низкой концентрации вредных примесей 
необходимо как для снижения явлений красно- и хладноломкости, так и для 
обеспечения свойств упрочняющих легирующих компонентов типа Mo, V, Nb.  
Концентрация антикоррозионных легирующих компонентов (Cr, Ni, Cu) 
практически неизменна во всех строительных сталях и колеблется в преде- 
лах 1 %. 
Повышенную вязкость при высоких нагрузках, красностойкость и прочность обеспечивают Mo, V, Nb, добавляемые в строительные стали более высокого класса, либо в специализированные марки с индексом «П». Данные легирующие компоненты добавляются с целью измельчения зерна, что повышает 
прочность стали. 
Концентрация раскисляющих компонентов типа Al и Ti может быть сравнима с концентрацией вредных примесей S и P. 
 
1.4. ʠ˕˓˖ˍ˕˖˓˃ˋˏˈ˘˃ːˋ˚ˈ˔ˍˋˈ˔˅ˑˌ˔˕˅˃˔˕˓ˑˋ˕ˈˎ˟ː˞˘˔˕˃ˎˈˌ 
 
Строительный прокат обычно используется при возведении зданий и сооружений с использованием сварки, что требует обеспечения сочетания технологических свойств свариваемости металла с достаточными механическими 
свойствами прочности и текучести. Особенностью строительного металличе10