Качество стали зависит от количества вредных примесей серы и фосфора. При содержании 0,04 % < S < 0,06 %; 0,04 % < Р < 0,08 % имеем углеродистые стали обыкновенного качества. При содержании S от 0,03 до 0,04 % и Р от 0,03 до 0,04 % имеем качественные стали. При S < 0,03 % и Р < 0,03 % стали считаются высококачественными. Кроме того, в качественных и высококачественных сталях меньше неметаллических включений, чем в сталях обыкновенного качества. Все легированные стали являются качественными или высококачественными.
Легированные стали могут быть ледебуритного класса. В структуре их имеются первичные карбиды в виде эвтектической структурной составляющей. Ледебурит в структуре легированной стали может присутствовать при содержании углерода значительно ниже 2,14 %, так как легирующие элементы сдвигают влево не только точку S, но и точку Е диаграммы Fe – Fe3C (см. рис. 4.3). Следует отметить, что наличие ледебурита в структуре легированных сталей значительно слабее уменьшает пластичность, чем в железоуглеродистых сплавах.
Во многих случаях высоколегированные стали могут иметь при нормальной температуре структуру аустенита или феррита. Поэтому дополнительно различают аустенитные, полуаустенитные, ферритные и полуферритные стали.
Легирующими элементами в стали являются элементы, специально вводимые в сталь с целью изменения ее свойств. Сталь, в состав которой введены легирующие элементы, называется легированной. К числу наиболее часто используемых специальных легирующих элементов относятся Сг, Ni, Mo, Ti, W, V, а также Мn и Si, если количество этих элементов в стали превосходит содержание их в углеродистой стали. Свойства легированных сталей в значительной степени определяются тем, какие фазы образуются при сплавлении легирующих элементов с железом и углеродом.
Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы. Многие легирующие элементы с углеродом образуют карбиды.
В легированных сталях наряду с железом всегда присутствует углерод, с которым многие легирующие элементы могут вступать во взаимодействие и образовывать специальные карбиды.
Все легирующие элементы понижают содержание углерода в перлите. Легирующие элементы, кроме Ni и Mn, повышают температуру эвтектоидного превращения стали.
Легирующие элементы влияют на механические свойства феррита и стали в равновесном (отожженном) состоянии. Легирующие элементы в стали могут быть в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллических соединений. В легированных твердых растворах железа повышается предел текучести (σт), предел прочности (σв) и твердость (НВ). Особенно благоприятно влияние никеля на механические свойства феррита, так как никель одновременно повышает и сопротивление пластической деформации, и пластичность. Такое влияние никеля сохраняется и в сложнолегированных сталях, в состав которых входит этот элемент. Поэтому никель является ценным легирующим элементом в сталях.
Частицы карбидных или интерметаллических соединений в структуре стали механически тормозят перемещение дислокаций в твердом растворе. Если легирование сопровождается измельчением блочной структуры и уменьшением величины зерна стали, то это приводит к увеличению сопротивления хрупкому разрушению. В большинстве случаев легирующие элементы при относительно небольшом количестве их в стали (например, в конструкционной стали) содействуют образованию мелкозернистого феррита и благодаря этому повышают сопротивление стали хрупкому разрушению. Легирующие элементы, упрочняя сталь, ухудшают обрабатываемость резанием, штампуемость, но положительно влияют на технологические свойства стали при термообработке.
Главная трудность улучшения механических свойств стали в равновесном состоянии легированием заключается в том, что достижение высокой прочности связано с применением элементов, ухудшающих вязкость стали. Введение же элементов, повышающих вязкость, не сопровождается существенным увеличением прочности. Поэтому возникает необходимость комбинированного легирования, т.е. введения элементов с противоположным влиянием. Однако и в этом случае не удается получить решительного улучшения свойств стали. Отсюда вытекает важный вывод: равновесное или близкое к нему состояние не отвечает предельному использованию всех резервов свойств легированных сталей. Поэтому детали, изготавливаемые из легированных сталей, обязательно должны подвергаться термической обработке.