2.4. Углеродистые стали

У глеродистые стали – сплавы железа с углеродом (стали) с общим содержанием остальных примесей не более 1 %. Свойства сталей определяются количеством углерода (рис. 2.17) и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом. С ростом содержания углерода количество цементита увеличивается, феррита – уменьшается. Прочность сталей повышается до содержания углерода около 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 при обработке резанием дают невысокое качество поверхности, но хорошо свариваются и штампуются в холодном состоянии.

Влияние примесей

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

Фосфор попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Содержание фосфора в сталях – 0,025-0,045 %. Растворяясь в феррите, он искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности, но снижает пластичность и вязкость; повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние (20-25 °С на 0,01 % Р) – явление хладноломкости.

Сера также попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Содержание серы в сталях – 0,025-0,06 %. Сера с железом образует сульфид FeS, который, в свою очередь, образует с железом (с аустенитом) легкоплавкую эвтектику (988 °С). При нагреве эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости. Сера снижает ударную вязкость и пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси – газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке и находятся в раковинах и трещинах. Водород приводит к образованию флокенов – тонких трещин округлой формы серебристого цвета. Азот и кислород входят в виде неметаллических включений нитридов (Fe₂N) и окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃), которые являются концентраторами напряжений и снижают предел выносливости и вязкость; в виде твердых растворов, которые повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению.

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

Классификация и маркировка углеродистых сталей

1. По содержанию углерода: низкоуглеродистые – до 0,25 %, среднеуглеродистые – 0,3-0,6 % и высокоуглеродистые – выше 0,7 %.

2. По структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

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

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

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

Маркировка углеродистых сталей.

Стали общего назначения обыкновенного качества. Стали маркируют буквами «Ст» и цифрой, показывающей условный номер марки стали. Изготавливают 7 марок (Ст0,..., Ст6). Индексами указывается степень раскисления стали, если она отличается от спокойной: кп – кипящая, пс – полуспокойная. С увеличением номера марки возрастает содержание углерода (Ст4 – 0,2-0,3 % С), т. е. увеличивается предел прочности, но снижается пластичность стали. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. С повышением содержания углерода свариваемость ухудшается. Стали с высоким содержанием углерода (Ст5, Ст6) применяют для строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Конструкционные качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Степень раскисления – спокойная. Стали маркируются двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента.

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

Высококачественные углеродистые стали маркируются аналогично качественным: в конце марки ставят букву А для обозначения высокого качества стали (У10А, 50А).

Конструкционные качественные стали делятся на три группы.

Низкоуглеродистые стали 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают высокой прочностью и высокой пластичностью: _в = 340 МПа,  = 30 %. Стали используют без термической обработки для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали 30, 35,..., 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для деталей во всех отраслях промышленности. Стали имеют более высокую прочность, но низкую пластичность: _в = 500-600 МПа,  =21-16 %.

Высокоуглеродистые стали (0.6-0.85 % С) 60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т. д.