5.2.3. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Углеродистые стали – сплавы железа с углеродом с содержанием остальных примесей не более 1 %. Свойства сталей определяются количеством углерода (рис. 5.8). С ростом содержания углерода количество цементита увеличивается, феррита – уменьшается. Прочность сталей повышается до содержания углерода ~ 1 %, затем уменьшается, так как в структуре образуется грубая сетка цементита. Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости, снижает ударную вязкость, ухудшает обрабатываемость давлением. Низкоуглеродистые стали имеют хорошую свариваемость и штампуются в холодном состоянии.

1 . Постоянные примеси: марганец, алюминий, кремний, сера, фосфор. Марганец, кремний и алюминий добавляют в сталь для раскисления при выплавке, они являются технологическими примесями. Остаточное содержание марганца и алюминия не превышает 0,5–0,8 %. Марганец ослабляет вредное влияние серы, повышает прочность. Алюминий дегазирует металл и повышает плотность слитка. Остаточное содержание кремния не превышает 0,4 %. Кремний хорошо растворяется в феррите, увеличивает предел прочности.

Фосфор попадает в сталь из железной руды или чугуна, при ее выплавке. Растворяясь в феррите, увеличивает предел прочности, но снижает пластичность и вязкость; резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние (20–25 °С на 0,01 % Р) – явление хладноломкости. Фосфор добавляется специально, для облегчения обработки стали режущим инструментом. В присутствии меди фосфор повышает сопротивляемость сталей коррозионному разрушению.

Сера содержится в стали выплавляемой из чугуна. Железо с серой образует сульфид FeS, который составляет с аустенитом легкоплавкую эвтектику, с температурой плавления 988 °С. При большем разогреве эвтектика плавится, нарушая связи между зернами. При деформации в местах расплавившейся эвтектики возникают трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости. При добавлении марганца образуется сульфид MnS, который плавится при 1620 °С, что выше температур горячей обработки давлением, для стали это 800–1200 °С. Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси – газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке. При медленном охлаждении растворенный в стали водород выделяется и образует флокены – тонкие микротрещины округлой формы серебристого цвета. Азот и кислород входят в состав стали в виде неметаллических включений – нитридов и окислов, которые являются дополнительными концентраторами напряжений.

3. Случайные примеси: хром, никель, вольфрам и др. попадают в сталь при выплавке из железной руды и металлического лома (скрапа).

Классификация углеродистых сталей

1. По содержанию углерода: низко- (до 0,25 %), средне- (0,3–0,6 %) и высокоуглеродистые (выше 0,7 %).

2. По структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

3. По качеству (содержанию серы и фосфора): обыкновенного качества – P,S  0,06–0,07 %: качественные – P,S  0,03–0,04 %; высококачественные стали – P,S  0,025 %.

4. По степени раскисления: спокойные, полуспокойные, кипящие.

5. По способу выплавки: в мартеновских печах; кислородных конверторах; электрических печах (электродуговых, индукционных и др.).

6. По назначению: конструкционные – для изготовления деталей машин и механизмов; инструментальные – для изготовления инструментов; специальные – стали с особыми свойствами.

Конструкционные стали обыкновенного качества маркируют буквами «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки стали. С увеличением номера возрастает содержание углерода. Степень раскисления указывается индексами: сп – спокойная, кп – кипящая, пс – полуспокойная (Ст1, Ст3кп, Ст5пс и др.). В марках спокойных сталей степень раскисления не указывается. Изготовляют горячекатаный прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки.

Конструкционные качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали маркируются двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента. Например, кипящие (без кремния) – стали марок 05кп, 10кп, 15кп; полуспокойные (до 0,17 % Si) – стали 08пс, 20пс.

1. Низкоуглеродистые стали 05, 08, 10, 20 обладают высокой прочностью и пластичностью: _в = 300–340 МПа,  = 30–40 %. Используют без термической обработки для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций или для деталей упрочняемых цементацией.

2. Среднеуглеродистые стали 30, 35,..., 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для деталей во всех отраслях промышленности. Стали имеют более высокую прочность, но пониженную пластичность: _в = 500–600 МПа,  = 15–22 %. Стали с содержанием углерода (выше 0,25 %) свариваются плохо.

3. Высокоуглеродистые стали 60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Детали машин, изготавливаемые из этих сталей, обязательно подвергают упрочняющей обработке.

Инструментальные качественные стали маркируются буквой У и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь марки У8 содержит 0,8 % углерода.

Высококачественные стали маркируются аналогично качественным, но в конце марки ставят букву А (У10А, 50А).