Легированные стали по назначению разделяют на конструкционные, инструментальные, и стали и сплавы с особыми свойствами. Их производят и поставляют качественными, высококачественными и особовысококачественными.
Маркируют легированные стали буквами и цифрами. По ГОСТ 4543-71 легирующие элементы обозначают буквами: Х – хром, Н - никель, Г – марганец, М – молибден, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, С – кремний, В – вольфрам, Ф – ванадий, Д – медь, П – фосфор, Р – бор, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные металлы. Цифра(ы), стоящие после буквы, указывают на среднее содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра после буквы отсутствует, то легирующего элемента менее 1…1,5%. Цифры в начале марки легированной стали показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь марки 12ХН3А в среднем содержит углерода 0,12%, хрома до 1%, никеля 3%. Сталь высококачественная (буква А в конце марки).
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (например ШХ15), автоматные - с буквы А. Нестандартные легированные стали маркируются сочетанием букв ЭИ или ЭП и порядковым номером (например, ЭИ 712). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку стали.
Легированные конструкционные стали содержат в своем составе один или несколько легирующих элементов в зависимости от цели легирования. Цели легирования заключаются в повышении прочности, прокаливаемости стали, улучшения или приобретения комплекса физико-механических или эксплуатационных свойств, таких как жаропрочность, жаростойкость, сопротивление коррозии или износу, повышение удельного электрического сопротивления, немагнитности, упругих свойств и других.
Влияние легирующих элементов на свойства сталей зависит от ее структурного состояния. Изменение структуры (фаз) достигают за счет увеличения концентрации углерода в мартенсите при легировании карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W, V), что увеличивает прочность; либо, наоборот, уменьшая его концентрацию в мартенсите твердого раствора некарбидообразующими элементами (Ni, Si, Cu, Co,), что снижает хрупкость мартенсита. Подобным же образом легирующие элементы влияют и на основную структурную составляющую сталей – феррит. Растворяясь в феррите, они упрочняют его за счет искажения кристаллической решетки, увеличивая концентрацию углерода в феррите отпущенной стали. Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что уменьшает образование трещин и снижает порог хладноломкости. Упрочнению также способствуют дисперсные карбидные и нитридные включения, измельчающие зерно, тормозящие движение дислокации.
Большинство легирующих элементов дорогостоящие и дефицитны, что резко увеличивает стоимость легированных сталей в сравнении с углеродистыми. Более высокие свойства легированные стали приобретают после соответствующей термической обработки, поэтому без последней их применение нецелесообразно. Используя нанотехнологии, получают стали с высокими свойствами без применения дорогостоящих легирующих добавок W,Ni V и других элементов.
В приборостроении из легированных сталей нормальной и повышенной прочности применяют низкоуглеродистые 15Х, 30ХГТ, 18Х2Н4МА и среднеуглеродистые 40Х, 30ХГСА, 38ХН3МФ стали, содержание, как правило, в сумме не более 5% легирующих элементов.
Низкоуглеродистые (0,1…0,3%С) легированные стали используют в состоянии наибольшего упрочнения после закалки и отпуска или ХТО. Повышенные прочностные свойства сочетаются у них с хорошей пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезам. Механические свойства этих сталей после термообработки находятся в интервале значений: σв ≈ 700…1150МПа; σ0,2 ≈ 500…850МПа; δ ≈ 9…12%. Применяют для изготовления зубчатых колес, кулачков и других деталей, работающих в условиях трения. Эти стали могут подвергаться поверхностному упрочнению.
Среднеуглеродистые легированные стали приобретают высокие механические свойства после закалки и высокого отпуска. У них высокий предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью. Механические свойства среднеуглеродистых легированных сталей изменяются в пределах: σв ≈ 1000…1200МПа; σ0,2 ≈ 800..1100МПа; δ ≈ 9…12%. Предназначены для изготовления деталей ответственного назначения: валы, роторы, редукторы. Стали марок 40Х, 50Х, относятся к сравнительно дешевым конструкционным материалам, но из-за невысокой вязкости рекомендуются для изделий, работающих без значительных динамических нагрузок.
Легированные высокопрочные стали содержат большое количество легирующих элементов и обладают комплексом механических свойств: высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости, высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, хрупкому и усталому разрушению, высокой хладо-и теплостойкостью, коррозионной стойкостью и размерной стабильностью, и применяются для изготовления деталей, работающих при больших нагрузках. Прочностные показатели могут составлять значения: σв ≈ 1600…2700МПа; σ0,2 ≈1500…2600МПа; δ ≈ 2…10%.
Особую группу среди высокопрочных высоколегированных сталей составляют мартенситно-стареющие стали(сплавы), называемые также и дисперсионно-твердеющими сплавами.
Мартенситно-стареющие сплавы – безуглеродистые легированные сплавы на железной основе, у которых определенное сочетание легирующих элементов обеспечивает формирование в процессе термической обработки пластичной матричной фазы, армированной дисперсными, высокопрочными, равномерно распределенными частицами интерметаллидных фаз. Имеет место структура дисперсионно-упрочненного композитного материала с нуль-мерными наполнителем (упрочнителем). Основу мартенситно-стареющих сплавов составляют железо и никель. В процессе закалки в них образуется мартенситная структура и образуется перенасыщенный a - твердый раствор. При старении (отпуске) происходит твердение железоникелевого мартенсита, вызываемое Ti, Al, Mn и другими легирующими элементами вследствие ограниченной растворимости их в a-Fe. Эти сплавы обладают целым комплексом свойств: высокой упругостью, немагнитностью, коррозионной стойкостью, стабильностью, технологичностью, и их относят к группе сплавов с особыми свойствами.