4.4. Углеродистые стали

У глеродистые стали – сплавы железа с углеродом с содержанием остальных примесей не более 1 %. Свойства определяются количеством углерода (рис. 4.15). 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 снижает ударную вязкость, ухудшает обрабатываемость давлением, расширяет температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние (рис. 4.16). Каждая десятая доля процента углерода повышает порог хладноломкости примерно на 20 °С. При 0,4 % С порог хладноломкости равен 0 °С. Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и штампуются в холодном состоянии.

Влияние примесей

1. Постоянные примеси. Марганец, кремний и алюминий добавляют в сталь для раскисления при выплавке, они являются технологическими примесями. Содержание марганца и алюминия в стали – не более 0,5–0,8 %. Марганец повышает прочность, алюминий дегазирует металл и повышает плотность слитка. Кремний (0,15–0,4 %) растворяется в феррите и увеличивает предел прочности.

Фосфор попадает в сталь из руды, топлива и флюсов, используемых в металлургическом производстве. Фосфор растворяется в решетке феррита, за счет ликвации располагается по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности и повышению температуры перехода в хрупкое состояние (20–25 °С на 0,01 % Р) – явление хладноломкости.

Сера также попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Сера с железом образует сульфид FeS, который, в свою очередь, образует с железом (с аустенитом) легкоплавкую эвтектику (988 °С). При нагреве стали эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают 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. Водород в стали приводит к образованию флокенов – тонких трещин округлой формы серебристого цвета. Кислород в железе не растворяется, присутствует в виде оксидов железа (FeO, Fe₂O₃) и других элементов (SiO₂, Al₂O₃). Оксиды образуются как продукты реакций раскисления стали. Азот в малых количествах растворяется в феррите, с железом образует нитридные включения.

Неметаллические включения являются концентраторами напряжений и снижают прочностные и пластические свойства стали.

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

Классификация углеродистых сталей

1. По содержанию углерода: низкоуглеродистые – до 0,3 %, среднеуглеродистые – 0,3–0,7 % 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: конструкционные – для изготовления деталей машин и механизмов; инструментальные – для изготовления инструментов; специальные – стали с особыми свойствами.

Стали обыкновенного качества маркируют буквами «Ст» и цифрой, показывающей условный номер марки стали. Изготавливают 7 марок (Ст0,..., Ст6). Индексами указывается степень раскисления стали: сп – спокойная, кп – кипящая, пс – полуспокойная. С увеличением номера марки стали возрастает содержание углерода, т. е. увеличивается предел прочности, но снижается пластичность. Выпускают в виде горячекатаных профилей: балок, уголков, прутков, листов, труб и поковок. Стали с высоким содержанием углерода (Ст5, Ст6) плохо свариваются, их применяют для строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Конструкционные качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В марках спокойных сталей степень раскисления не указывается. Кипящие (почти не содержащие кремния) – стали марок 05, 15, 20; полуспокойные (до 0,17 % Si) – стали 08, 15, 20. Маркируются двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента.

К углеродистым также относятся стали с повышенным содержанием марганца (0,7–1,0 %) марок 15Г, 20Г, ..., 70Г, имеющие повышенную прокаливаемость (критический диаметр до 25–30 мм).

Низкоуглеродистые стали 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают низкой прочностью и высокой пластичностью: _в = 340 МПа,  = 30 %. Их выпускают в виде тонкого листа. Они легко штампуются из-за малого содержания углерода и кремния. Эти стали используют в автомобилестроении для штампосварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (30, 35,..., 55) и стали с добавлением марганца (15Г, ..., 40Г) применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для деталей во всех отраслях промышленности. Стали имеют более высокую прочность, но низкую пластичность.

Высокоуглеродистые стали (60, 65,..., 85) и стали повышенным содержанием марганца (60Г, 65Г,...,70Г) обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Их подвергают закалке и среднему отпуску на троостит (_в > 800 МПа). Изготавливают пружины и рессоры, высокопрочную проволоку и т. д.

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

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