Классификация и свойства углеродистых сталей

Согласно диаграмме «Fe – Fe₃C», сталь – это железоуглеродистый сплав, содержащий до 2,14 % углерода. В сталях, которые применяются в машиностроении, реальное содержание углерода не превышает 1,4 %.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. По содержанию углерода – на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,55 % С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6 % С). В промышленных марках стали содержится ряд элементов в виде примесей, которые остались в металле при ее получении на металлургическом заводе. Такими примесями являются марганец, кремний, сера, фосфор, газы и случайные примеси.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,7 %, в инструментальных – 1,3 %, оказывает определенное влияние на их свойства. Углерод способствует снижению пластичности стали, развитию хладноломкости, уменьшению ударной вязкости, ухудшению свариваемости, увеличению твердости и прочности стали.

Предел прочности достигает максимального значения при содержании С около 0,9 %; при большем содержании углерода прочность уменьшается за счет появления вторичного цементита, вызывающего охрупчивание стали.

У сталей с повышенным и высоким содержанием углерода снижаются пластические свойства и затрудняется холодная пластическая деформация из-за опасности возникновения трещин, так как при повышении содержания углерода происходит увеличение количества перлита в доэвтектоидной стали и, соответственно, уменьшение количества мягкого феррита.

При изготовлении сварных конструкций также стараются использовать низкоуглеродистые стали (<0,2 % С), которые не подвергаются закалке.

Сера является вредной примесью в сталях.Она присутствует в виде сульфида железа FeS. Это соединение совместно с аустенитом образует эвтектику, которая плавится при температуре 985 °С. Эта эвтектика располагается по границам зерен и вызывает снижение прочности, охрупчивание при температуре выше 800 °С. При нагревании стали до 1000–1200 °С FeS плавится, вызывая разрушение по границам зерен и образование трещин. Это явление называется красноломкостью и создает трудности при горячей обработке давлением сталей с высоким содержанием серы. Взаимодействуя с марганцем, сера образует MnS с температурой плавления 1620 °С. Сульфид марганца пластичен и при горячей обработке давлением вытягивается в направлении деформации, но, не оказывая влияния на статическую прочность стали, снижает динамическую и усталостную прочность, а также износостойкость. Кроме того, при кристаллизации слитка сера склонна накапливаться в отдельных участках (ликвировать), поэтому содержание серы в стали строго ограничивают 0,05 %. Положительное влияние серы проявляется в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор в большинстве случаев считается вредной примесью. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость – снижение вязкости по мере понижения температуры. Содержание фосфора в количестве всего 0,01 % повышает порог хладноломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызванная фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода. Предельно допустимое количество фосфора в стали – 0,05 %.

Газы – кислород, азот и водород – вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в очень малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Оксиды, в отличие от сульфидов, хрупки и при горячей обработке не деформируются.

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Он образует в сталях флокены – внутренние надрывы в виде мелких трещин, что приводит к охрупчиванию стали.

Количество газов в сталях ограничивается тысячными долями процента. Уменьшение количества газов в сталях достигается выплавкой стали в вакууме или с использованием электрошлакового переплава и другими способами.

Марганец – полезная примесь, вводится в сталь в качестве раскислителя и сохраняется в ней в количестве 0,3–0,8 %. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода, повышает твердость и прокаливаемость стали.

Кремний также используется как раскислитель при выплавке стали. Он способствует увеличению предела текучести и предела прочности отожженной стали, повышает прокаливаемость, способствует магнитным превращениям. Его количество не превышает 0,4 %. Кремний, как и марганец, в основном растворяется в феррите по типу замещения. Однако и Мn и Si резко снижают вязкость феррита.

Алюминий является наиболее сильным раскислителем. Образующиеся частицы оксида алюминия Al₂O₃ тугоплавки и распределяются в слитке стали в виде тонкой взвеси. Эти частицы являются центрами кристаллизации и, соответственно, позволяют получать мелкозернистую структуру. Мелкое зерно существенно повышает коэффициент ударной вязкости при низких температурах.

Случайные примеси попадают в сталь из вторичного сырья или из руды. Стали, выплавленные из уральских руд, содержат 0,3 % меди. Из скрапа в сталь попадают сурьма, олово и другие металлы.

На долю углеродистых сталей приходится около 80 % общего объема выпуска сталей. Углеродистые стали более дешевые и имеют удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Существенным недостатком углеродистых сталей является небольшая прокаливаемость, что значительно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Углеродистые конструкционные стали выпускаются двух видов: обыкновенные и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380–94) имеют повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщение и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют в большом количестве. Эти стали преимущественно используют в строительстве и поставляют горячекатаными в виде прутка, листа, уголка, швеллера и др.

Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифры от 0 до 6, показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением букв: «сп» – спокойная, «пс» – полуспокойная, «кп» – кипящая. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1–Ст6, кипящими – Ст1–Ст4. Ст0 по степени раскисления не разделяют. Три марки стали производят с повышенным (0,8–1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г».

Степень раскисления определяет различное содержание газов в стали и, следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали. Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ 535–88. Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Более прочные стали марок 4, 5, 6 используются в котло-, мосто- и судостроении.

Примеры сталей обыкновенного качества: Ст1кп, Ст3пс, Ст4сп, Ст3Гпс, Ст5пс.

Углеродистые качественные стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Маркируют их по ГОСТ 1050–88 двузначными числами (08, 10, 20, … , 60), обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, например: сталь 45 содержит 0,45 % углерода. Спокойные стали маркируются только цифрой 15, 20, 45; кипящие обозначают 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойные – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Качественные стали находят самое широкое применение в машиностроении, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Малопрочные и высокопластичные стали 08, 08кп, 10, 15 используют для холодной штамповки и глубокой вытяжки. Тонколистовую сталь 08кп широко применяют для кузовных деталей автомобилей. Цементуемые стали 15, 20, 25 предназначены для изготовления деталей малого размера (кулачки, толкатели, шестерни), для которых требуются твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Эти свойства достигаются насыщением поверхностного слоя углеродом и последующей термической обработкой – закалкой и низким отпуском.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 отличаются высокой прочностью, но меньшей пластичностью. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. Номенклатура деталей из этих сталей очень разнообразна: шатуны, коленчатые валы, зубчатые колеса, маховики, оси, толкатели и т. д.

Высокоуглеродистые стали с высокой концентрацией углерода (свыше 0,6 % С) преимущественно применяют в качестве рессорно-пружинных (50, 55, 60 и т. д.) и инструментальных (У7, У8А, … , У12). Конструкционные стали подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита для получения высоких упругих и прочностных свойств (σ_в > 800 МПа). Стали используют для силовых упругих элементов – плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа.

Углеродистые инструментальные стали используют для изготовления недорогого ударного и режущего инструмента. Такие стали подвергаются закалке и низкому отпуску для получения высокой твердости и износостойкости. Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, за ней цифру, обозначающую среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь с содержанием ≈ 0,7 % С обозначают как сталь У7, сталь с содержанием ≈ 1 % С – сталь У10 и т. д. Для обозначения высококачественной углеродистой инструментальной стали в конце марки ставят букву А, например, сталь У8 – качественная, а сталь У8А – высококачественная.