Разобраться в таком вопросе, как классификация углеродистых сталей, очень важно, так как это позволяет получить полное представление о характеристиках той или иной разновидности этого популярного материала. , как и любых других, не менее важна, и специалист должен уметь разбираться в ней, чтобы правильно выбрать сплав в соответствии с его свойствами и химическим составом.

Отличительные характеристики и основные категории

К углеродистым сталям, основу которых составляют железо и углерод, относят сплавы, содержащие минимум дополнительных примесей. Количественное содержание углерода является основанием для следующей классификации сталей:

• низкоуглеродистые (содержание углерода в пределах 0,2%);
• среднеуглеродистые (0,2–0,6%);
• высокоуглеродистые (до 2%).

Кроме достойных технических характеристик, следует отметить доступную стоимость , что немаловажно для материала, широко применяемого для производства самых разнообразных изделий.

К наиболее значимым достоинствам углеродистых сталей различных марок можно отнести:

• высокую пластичность;
• хорошую обрабатываемость (вне зависимости от температуры нагрева металла);
• отличную свариваемость;
• сохранение высокой прочности даже при значительном нагреве (до 400°);
• хорошую переносимость динамических нагрузок.

Есть у углеродистых сталей и недостатки, среди которых стоит выделить:

• снижение пластичности сплава при увеличении в его составе содержания углерода;
• ухудшение режущей способности и снижение твердости при нагреве до температур, превышающих 200°;
• высокую склонность к образованию и развитию коррозионных процессов, что налагает дополнительные требования к изделиям из такой стали, на которые должно быть нанесено защитное покрытие;
• слабые электротехнические характеристики;
• склонность к тепловому расширению.

Отдельного внимания заслуживает классификация углеродистых сплавов по структуре. Основное влияние на превращения в них оказывает количественное содержание углерода. Так, стали, относящиеся к категории доэвтектоидных, имеют структуру, основу которой составляют зерна феррита и перлита. Содержание углерода в таких сплавах не превышает 0,8%. С увеличением количества углерода уменьшается количество феррита, а объем перлита, соответственно, увеличивается. Стали, в составе которых содержится 0,8% углерода, по данной классификации относят к эвтектоидным, основу их структуры преимущественно составляет перлит. При дальнейшем увеличении количества углерода начинает формироваться вторичный цементит. Стали с такой структурой относятся к заэвтектоидной группе.

Увеличение в составе стали количества углерода до 1% приводит к тому, что такие свойства металла, как прочность и твердость, значительно улучшаются, а предел текучести и пластичность, напротив, ухудшаются. Если количество углерода в стали будет превышать 1%, это может привести к тому, что в ее структуре будет формироваться грубая сетка из вторичного мартенсита, что самым негативным образом сказывается на прочности материала. Именно поэтому в сталях, относящихся к категории высокоуглеродистых, количество углерода, как правило, не превышает 1,3%.

На свойства углеродистых сталей серьезное влияние оказывают и примеси, содержащиеся в их составе. Элементами, которые положительно воздействуют на характеристики сплава (улучшают раскисление металла), являются кремний и марганец, а фосфор и сера – это примеси, ухудшающие его свойства. Фосфор при повышенном содержании в составе углеродистой стали приводит к тому, что изделия из нее покрываются трещинами и даже ломаются при воздействии низких температур. Такое явление носит название хладноломкости. Что характерно, стали с повышенным содержанием фосфора, если они находятся в нагретом состоянии, хорошо поддаются сварке и обработке при помощи ковки, штамповки и др.

В изделиях из тех углеродистых сталей, в составе которых в значительном количестве содержится сера, может возникать такое явление, как красноломкость. Суть этого феномена заключается в том, что металл при воздействии высокой температуры начинает плохо поддаваться обработке. Структура углеродистых сталей, в составе которых содержится значительное количество серы, представляет собой зерна с легкоплавкими образованиями на границах. Такие образования при повышении температуры начинают плавиться, что приводит к нарушению связи между зернами и, как следствие, к образованию многочисленных трещин в структуре металла. Между тем параметры сернистых углеродистых сплавов можно улучшить, если выполнить их микролегирование при помощи циркония, титана и бора.

Технологии производства

На сегодняшний день в металлургической промышленности используются три основных технологии . Их основные отличия состоят в типе используемого оборудования. Это:

• плавильные печи конвертерного типа;
• мартеновские установки;
• плавильные печи, работающие на электричестве.

В конвертерных установках расплавке подвергаются все составляющие стального сплава: чугун и стальной лом. Кроме того, расплавленный металл в таких печах дополнительно обрабатывается при помощи технического кислорода. В тех случаях, когда примеси, присутствующие в расплавленном металле, необходимо перевести в шлак, в него добавляют обожженную известь.

Процесс получения углеродистой стали по данной технологии сопровождается активным окислением металла и его угаром, величина которого может доходить до 9% от общего объема сплава. К недостатку данного технологического процесса следует отнести и то, что он проходит с образованием значительного количества пыли, а это вызывает необходимость использования специальных пылеочистительных установок. Применение таких дополнительных устройств сказывается на себестоимости получаемой продукции. Однако все недостатки, которыми характеризуется этот технологический процесс, в полной мере компенсируются его высокой производительностью.

Выплавка в мартеновской печи – еще одна популярная технология, которую применяют для получения углеродистых сталей различных марок. В ту часть мартеновской печи, которая называется плавильной камерой, загружается все необходимое сырье (стальной лом, чугун и др.), которое подвергается нагреванию до температуры плавления. В камере происходят сложные физико-химические взаимодействия, в которых принимают участие расплавленные металл, шлак и газовая среда. В результате получается сплав с требуемыми характеристиками, который в жидком состоянии выводится через специальное отверстие в задней стенке печи.

Сталь, получаемая при выплавке в электрических печах, за счет использования принципиально другого источника нагревания не подвергается воздействию окислительной среды, что позволяет сделать ее более чистой. В различных марках углеродистой стали, полученной при выплавке в электрических печах, присутствует меньшее количество водорода. Этот элемент является основной причиной появления в структуре сплавов флокенов, значительно ухудшающих их характеристики.

Каким бы способом ни выплавлялся углеродистый сплав и к какой бы категории в классификации он ни относился, основным сырьем для его производства являются чугун и металлический лом.

Способы улучшения прочностных характеристик

Если свойства марок улучшают посредством ввода в их состав специальных добавок, то решение такой задачи по отношению к углеродистым сплавам осуществляется за счет выполнения термообработки. Одним из передовых методов последней является поверхностная плазменная закалка. В результате использования этой технологии в поверхностном слое металла формируется структура, состоящая из мартенсита, твердость которого составляет 9,5 ГПа (на некоторых участках она доходит до 11,5 ГПа).

Поверхностная плазменная закалка также приводит к тому, что в структуре металла формируется метастабильный остаточный аустенит, количество которого возрастает, если в составе стали увеличивается процентное содержание углерода. Данное структурное образование, которое может преобразоваться в мартенсит при выполнении обкатки изделия из углеродистой стали, значительно улучшает такую характеристику металла, как износостойкость.

Одним из эффективных способов, позволяющих значительно улучшить характеристики углеродистой стали, является химико-термическая обработка. Суть данной технологии заключается в том, что стальной сплав, нагретый до определенной температуры, подвергают химическому воздействию, что и позволяет значительно улучшить его характеристики. После такой обработки, которой могут быть подвергнуты углеродистые стали различных марок, повышаются твердость и износостойкость металла, а также улучшается его коррозионная устойчивость по отношению к влажным и кислым средам.

Другие параметры классификации

Еще одним параметром, по которому классифицируют углеродистые сплавы, является степень их очищения от вредных примесей. Лучшими механическими характеристиками (но и более высокой стоимостью) отличаются стали, в составе которых присутствует минимальное количество серы и фосфора. Данный параметр стал основанием для классификации углеродистых сталей, в соответствии с которой выделяют сплавы:

• обыкновенного качества (В);
• качественные (Б);
• повышенного качества (А).

Стали первой категории (их химический состав не уточняется производителем) выбирают, основываясь только на их механических характеристиках. Такие стали отличаются минимальной стоимостью. Их не подвергают ни термообработке, ни обработке давлением. Для качественных сталей производитель оговаривает химический состав, а для сплавов повышенного качества – и механические свойства. Что важно, изделия из сплавов первых двух категорий (Б и В) можно подвергать термообработке и горячей пластической деформации.

Существует классификация углеродистых сплавов и по их основному назначению. Так, различают конструкционные стали, из которых производят детали различного назначения, и инструментальные, используемые в полном соответствии с их названием – для изготовления различного инструмента. Инструментальные сплавы, если сравнивать их с конструкционными, отличаются повышенной твердостью и прочностью.

В маркировке углеродистой стали можно встретить обозначения «сп», «пс» и «кп», которые указывают на степень ее раскисления. Это еще один параметр классификации таких сплавов.
Буквами «сп» в маркировке обозначаются спокойные сплавы, в составе которых может содержаться до 0,12% кремния. Они характеризуются хорошей ударной вязкостью даже при низких температурах и отличаются высокой однородностью структуры и химического состава. Есть у таких углеродистых сталей и минусы, наиболее значимые из которых заключаются в том, что поверхность изделий из них менее качественная, чем у кипящих сталей, а после выполнения сварочных работ характеристики деталей из них значительно ухудшаются.

Полуспокойные сплавы (обозначаются буквами «пс» в маркировке), в которых кремний может содержаться в пределах 0,07–0,12%, характеризуются равномерным распределением примесей в своем составе. Этим обеспечивается постоянство характеристик изделий из них.

В кипящих углеродистых сталях, содержащих не более 0,07% кремния, процесс раскисления полностью не завершен, что становится причиной неоднородности их структуры. Между тем их выделяет ряд достоинств, к наиболее значимым из которых следует отнести:

• невысокую стоимость, что объясняется незначительным содержанием специальных добавок;
• высокую пластичность;
• хорошую свариваемость и обрабатываемость при помощи методов пластической деформации.

Как маркируются углеродистые стальные сплавы

Разобраться в принципах маркировки углеродистой стали так же несложно, как и в основаниях ее классификации: они мало чем отличаются от правил обозначения стальных сплавов других категорий. Для того чтобы расшифровать такую маркировку, не нужно даже заглядывать в специальные таблицы.

Буква «У», стоящая в самом начале обозначения марки сплава, указывает на то, что он относится к категории инструментальных. О том, в какую качественную группу входит углеродистая сталь, говорят буквы «А», «Б» и «В», проставляемые в самом конце маркировки. Количество углерода, содержащееся в сплаве, проставляется в самом начале его маркировки. При этом для сталей, обладающих повышенным качеством (группа «А»), количество данного элемента будет указано в сотых долях процента, а для сплавов групп «Б» и «В» – в десятых.

В маркировке отдельных углеродистых сталей можно встретить букву «Г», стоящую после цифр, указывающих на количественное содержание углерода. Такая буква свидетельствует о том, что в металле содержится повышенное количество такого элемента, как марганец. На то, какой степени раскисления соответствует углеродистая сталь, указывают обозначения «сп», «пс» и «кп».

Углеродистые сплавы благодаря своим характеристикам и невысокой стоимости активно используются для производства элементов строительных конструкций, деталей машин, инструментов и металлических изделий различного назначения.

2 , средняя оценка: 5,00 из 5)

), а легированные - из железа, углерода и других легирующих добавок. Механические свойства сталей зависят от содержания углерода (рис.1). В практике чистое железо не используется, а применяются сплавы железа с углеродом: стали (углерода в сплаве содержится до 2 %) и чугуны (содержание углерода 2-6.%).

При малом содержании углерода (от 0,05 до 0,3 %) сталь хорошо прокатывается в листы, гнется, штампуется и вытягивается в холодном состоянии, легко обрабатывается резцом, хорошо сваривается и режется кислородом, но практически не закаливается, имеет относительно низкую твердость и износостойкость. Это строительные стали , из них прокаткой изготовляют трубы, листы, швеллеры, балки двутавровые, сталь угловую и другой сортовой прокат, используемый для изготовления строительных конструкций.

Небольшое количество углерода в стали (до 0,0001 %) может помещаться в свободных местах кристаллической решетки, большая же часть углерода находится в химически связанном с железом состоянии - в виде цементита Fe 3 C.

Углеродистая сталь представляет собой смесь зерен железа и карбидов железа. Первые называются в металловедении - ферритом, а вторые - цементитом.

Рис. 1. Влияние содержания углерода на механические характеристики сталей: твердость НВ, прочность , ударную вязкость aн , и относительное удлинение .

Стали, содержащие углерода 0,7-1,3 %, называют инструментальными , из них изготавливают режущий инструмент (сверла, метчики, плашки, резцы и др.). Стали с содержанием углерода 0,3-1,3 % хорошо закаливаются, становятся более твердыми и износостойкими. Чем больше в этих сталях углерода, тем они становятся тверже и прочнее, менее вязкими и пластичными, хуже обрабатываются и свариваются.

Сталь называется углеродистой (нелегированной) если в ней кроме углерода нет других легирующих элементов. Естественно, в ней есть примеси других элементов (сера, фосфор, марганец, кремний и т.д.), которые попали в нее из исходных веществ при производстве стали, т.е. из железной руды, лома, чугуна.

Высокоуглеродистые стали по сравнению с низкоуглеродистыми более прочные и твердые, но менее пластичны и более хрупки. Поэтому содержание углерода, определяя свойства сталей, делит их на группы назначения: СТРОИТЕЛЬНЫЕ - не высокая пластичность и ударная вязкость; ИНСТУМЕНТАЛЬНЫЕ - более высокая твердость; МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ по сравнению со строительными сталями имеют более низкие значения ударной вязкости и пластичности, но повышенные прочности и твердости.

Рис.2. Классификация углеродистых сталей по качеству.

Стали классифицируются по следующим признакам: по химическому составу (углеродистые и легированные); по назначению (строительные, инструментальные); по способу производства (мартеновские, бессемеровские); по качеству (обыкновенные, качественные, высококачественные).

Стали обыкновенного качества (рис.2) делятся на три группы: А, Б и В. Группа А это стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 (приложение 1). У этих сталей нормируются механические свойства (s в, s т, d). Цифра в марке стали означает ее условный номер и изменяется от 0 до 6, чем больше эта цифра, тем больше значение s в и s т. Индексы Б и В указываются в марках сталей группы Б и В, а индекс А у сталей группы А не указывается.

Имеются разновидности сталей группы А по раскислению (кп, сп, пс) и по содержанию марганца (Г) : Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп,

У сталей группы Б нормируется химический состав по углероду (от 0,23 до 0,49%), кремнию (0,05-0,35 %) и марганцу (0,25 1,2 %): БСт0, БСт1, БСт6 (приложение 2).

Повторяются те же разновидности сталей как и у группы А по раскислению и по содержанию марганца: БСт0, БСт1кп, БСт1пс, БСт6.

Группа В - нормируется химический состав и механические свойства: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5 (индекс В - группа стали В; в отличии от сталей групп А и Б в группе В нет сталей Ст0, Ст6).

По степени раскисления стали делятся на:

Кипящие стали (большое содержание кислорода в окислах железа и менее 0,005 % Si) имеющие более низкий порог хладноломкости, поэтому эти стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) нельзя применять для строительных конструкций, работающих при низкой температуре;

Спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп,), которые более надежны при низких температурах;

Полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс,).

Примеры расшифровки обозначений сталей: сталь Ст2кп3 - сталь обыкновенного качества группы А, марки Ст2, кипящая, 3-ей категории; сталь ВСт4кп4 - сталь обыкновенного качества, группы В, марки Ст 4, кипящая, 4-ой категории.

Качественные углеродистые стали могут быть с обычным содержанием марганца (05кп, 08кп, 25, 85) и с повышенным (15Г, 20Г, 85Г).

Цифра в марке означает содержание углерода в сотых долях %, а индекс Г указывает на наличие марганца (1%). Высококачественные стали содержат меньшее количество вредных примесей (S < 0,02 %, Р < 0,03 %) и обозначаются индексом А в конце марки стали. Например: У8А - высококачественная высокоуглеродистая, инструментальная, сталь, содержащая 0,8 % углерода.

Применение углеродистых сталей в строительстве и машиностроении:

1. Стали обыкновенного качества используют в конструкциях, не подвергающих динамическим нагрузкам и влиянию низких температур.

2. Стали 08кп, 05кп - для листовой штамповки в автомобилестроении и других отраслях.

3. Стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст08, Ст25 - для изготовления проката листа, швеллера и т.д.

4. Стали 10, 15, 25 - для сварных и клепанных конструкций (без последующей термообработки).

5. Стали Ст3кп, Ст5, МСт3кп, и др. для изготовления ЖБИ (приложение 3).

6. Листовые конструкции, резервуары, трубопроводы изготовляют из сталей МСт1кп, МСт2кп, МСт3пс.

7. Стали 30, 35, 40 - для деталей (валы, оси, шестерни), работающих при больших нагрузках (подвергаются нормализации и закалке).

8. Стали 45, 50 - для коленчатых валов.

9. Стали 55, 60, 65 и 70 - пружины, рессоры, шестерни (закалка и отпуск).

В наше время просто невозможно представить себе деятельность человека без использования продукции металлургической отрасли. Различные металлы и сплавы буквально заполонили нашу жизнь. Не стала исключением и сталь углеродистая, которая нашла свое активное применение практически во всех отраслях и сферах народного хозяйства. О ее свойствах, назначении и составе пойдет речь в данной статье.

Определение

Итак, в первую очередь укажем, что сталь углеродистая – сплав железа с углеродом. При этом содержание последнего элемента должно быть не более 2,14% . Отдельно стоит рассмотреть классификацию. Такая сталь может быть разделена по:

• структуре;
• способу получения;
• степени раскисления;
• качеству;
• назначению.

Обо всем этом будет сказано ниже.

Структура сплава

Сталь углеродистая бывает:

• доэвтектоидная (содержание углерода составляет менее 0,8%);
• эвтектоидная (углерод имеет концентрацию 0,8%);
• заэвтектоидная (углерода более 0,8%).

Такая градация позволяет определять свойства углеродистой стали.

Способы производства

Абсолютно любая сталь изначально в своей основе имеет чугун, который впоследствии перерабатывают по особой технологии. Сталь углеродистая может быть создана тремя основными методами:

• конверторной плавкой;
• мартеновской плавкой;
• электротермической обработкой.

Получение стали в конвертере происходит благодаря продуванию расплавленного чугуна кислородом под давлением. Сам по себе конвертер – печь грушевидной формы, футерованная изнутри специальным огнеупорным кирпичом. В зависимости от того, какая кладка (динас SiO 2 или доломитная масса CaO и MgO) находится внутри конвертера, идет разделение этого способа на бессемеровский и томасовский.

Приготовление стали в мартеновской печи сводится к выжиганию углерода из чугуна кислородом, находящимся не только в воздухе, но и в оксидах железа, которые попадают в печь в виде металлолома и железной руды.

Мартеновский способ, в отличие от конверторного, предусматривает регулирование химического состава готового продукта на выходе путем внедрения металлических компонентов в требуемой пропорции. К сожалению, несмотря на свои достоинства, мартеновский способ получения стали сегодня уже неактуален по причине своей технологической отсталости и слишком большого количества вредных выбросов в окружающую среду.

В электротермических печах производится сталь самого высокого качества. Это возможно благодаря тому, что воздух в печь извне практически не поступает. За счет этого вредоносный монооксид железа почти не образуется, а именно он снижает свойства стали и загрязняет ее. Кроме того, температура в печи не опускается ниже 1650 °C, что, в свою очередь, позволяет удалять нежелательные примеси в виде фосфора и серы.

Шихта для таких печей бывает различной: чугун может преобладать по количеству, но иногда большую часть составляет металлический лом. Также есть возможность легирования стали очень тугоплавкими материалами – вольфрамом и молибденом. Пожалуй, единственным существенным недостатком такого метода производства стали можно считать его энергоемкость, поскольку на одну тонну выплавляемой массы может приходиться до 800 кВт/ч.

Химические компоненты

Состав углеродистой стали стоит рассмотреть более детально. Первоочередно укажем на углерод. Именно этот элемент оказывает прямое влияние на прочность и твердость стали: чем его больше, тем выше названные характеристики, пластичность же при этом снижается.

Марганец и кремний не являются теми составляющими, которые оказывают существенное влияние на свойства стали. В процессе плавки они вводятся с целью раскиления.

Крайне вредной примесью считается сера. Из-за нее сталь становится ломкой во время ее обработки давлением с предварительным подогревом. Также сера снижает прочность, стойкость к износу и коррозии.

Фосфор приводит к возникновению хладноломкости – хрупкости при низких температурах.

Феррит привносит в сталь мягкую и пластичную микроструктуру. Его антиподом является цементит – карбид железа, наращивающий твердость.

Виды термической обработки

Углеродистые стали, применение которых возможно почти везде, где человек осуществляет свою жизнедеятельность, способны существенно изменять свои механические свойства. Для этого следует выполнить термическую обработку, смысл которой заключается в изменении структуры стали во время нагрева, выдержке и последующем охлаждении на основании специального режима.

Существуют такие виды температурной обработки:

• Отжиг – снижает твердость и измельчает зерна, повышает обрабатываемость, вязкость и пластичность, снижает внутренние напряжения, устраняет структурные неоднородности.
• Нормализация – исправляет структуру перегретой и литой стали, устраняет сетку вторичного цементита в заэвтектоидной стали.
• Закалка – позволяет получить высочайшую твердость и прочность.
• Отпуск.

Дифференциация по назначению

Сталь углеродистая делится на две большие группы:

• инструментальная;
• конструкционная (выделяют обыкновенные, качественные и автоматные разновидности).

Обыкновенные стали маркируются буквами "Ст" и номером от 0 до 6. Все стали с номером марки от 1 до 4 производят кипящими, полуспокойными и спокойными. Номера 5 и 6 могут быть только спокойными или полуспокойными. Кроме того, эти стали делятся на три большие группы: А, Б, В.

• Группа А. Чем выше номер в маркировке стали, тем больше прочность.
• Группа Б. С увеличением номера повышается содержание углерода.
• Группа В. Механические свойства соответствуют группе А, химический состав – группе Б аналогичного номера.

Наиболее часто в строительстве применяются типы Ст1 и Ст2. Именно эти марки задействованы при создании резервуаров, трубопроводов, колонн. Ст3 и Ст 4 актуальны для возведения конструкций, а также из них производится арматура для железобетона. Углеродистая сталь ГОСТ 380-2005 является основой для листового, круглого, двутаврового и швеллерного проката.

Качественные стали характеризуются дешевизной и качественностью. Маркируют их следующим образом: от 08 до 85 с приставкой в конце "ПС" (полуспокойная), "СП" (спокойная), "КП" (кипящая). Цифра показывают концентрацию углерода в сотых долях процента.

Инструментальные стали применяют для изготовления трех основных групп инструмента: режущего, измерительного, штампованного. Цифры в маркировке сигнализируют о содержании углерода в десятых долях процента.

Химикотермическое воздействие

Углеродистые и легированные стали могут быть подвержены специальным видам обработки.

Одним из них является цементация – процесс, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде. Конечной целью операции является получение высокой поверхностной твердости и износостойкости при вязкой сердцевине. Цементация также может происходить в твердом карбюрюзаторе, который является смесью древесного угля и углекислых солей.

Азотирование стали – процесс, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом. Данную процедуру проводят в атмосфере аммиака при температуре в пределах 500-700 градусов Цельсия. Азотирование проводят для получения поверхности детали, устойчивой к износу и коррозии и обладающей большой твердостью.

Борирование – верхний слой стали насыщают бором. Делается это для повышения износостойкости, жаростойкости и твердости.

Также для получения жаростойких поверхностей применяют алитирование – насыщение стали алюминием.

Легированные марки углеродистой стали

Эта большая группа делится на конструкционные, инструментальные и стали с особыми качествами. Первые применяются для изготовления зубчатых колес, втулок, шпилек и деталей, работающих в крайне сложных напряженных условиях. Кроме того, в эту группу входят пружинно-рессорные и шарикоподшипниковые стали.

Из инструментальных сталей производят режущий и измерительный инструмент.

Особые качества описанного материала проявляются в его окалино- и жаростойкости. Сюда же можно причислить и нержавеющие марки.

Заключение

Как вы уже, очевидно, поняли из всего вышесказанного, один из самых востребованных на сегодня материалов – углеродистая сталь (назначение ее имеет широкий спектр). Она является относительно недорогой основой для создания многих машин, механизмов, деталей, конструкций, зданий, сооружений и вообще многого из того, что нас с вами окружает. Мировыми лидерами по производству стали сейчас называют Китай, Японию, Германию, США. Именно эти страны задают тон в металлургии на планете.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам:

• По качеству

По способу раскисления

По качеству

Стали обыкновенного качества

Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, ..., Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полу-спокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали.

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают.

• Группа А поставляются только по механическим свой-ствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пла-стичность.
• Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки.
• Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например - В СтЗпс. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав - номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали

Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050-74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических вклю-чений и газов, макро- и микроструктуры.

Качественные углеро-дистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15, ..., 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях про-цента с указанием степени раскисленности (кп, пс).

Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). При обозна-чении последних в конце марки ставится буква Г, например 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются:

• низкоуглеродистые (до 0,25 % С),
• среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С)
• высокоуглеродистые (0,6-0,85 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высоко-качественные стали с еще более низким содержанием серы и фос-фора. Низкое содержание вредных примесей в высококачествен-ных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производ-ство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высоко-качественных сталей в конце марки добавляется буква А, напри-мер сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7-1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их марки-руют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

По способу раскисления

Кипящие
Содержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Их преимущества - высокий выход годного продукта (более 95%), хорошая способность к штамповке в холодном состоянии. Недостатки -повышенный порог хладноломкости и невозможность широкого использования для территорий с холодным климатом.

Полуспокойные
Содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта -90-95%.

Спокойные
Содержит 0,15-0,35% кремния, раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного - около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.

По условиям выплавки в углеродистых сталях содержатся следующие примеси: углерод, кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, водород и азот. Эти примеси называются постоянными (или неизбежными). На свойства углеродистых сталей решающее влияние оказывает углерод. Например, с повышением содержания углерода твердость и прочность стали повышаются, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Некоторые марки полуспокойных ста­лей выплавляются с повышенным содержанием марганца.

В соответствии с ГОСТами выплавляются следующие основные виды углеродистых сталей: низкоуглеродистые (менее 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С); по назначению: на конструкционные обыкновенного качества и качественные (в том числе – цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные), инструментальные для режущего и измерительного инструмента, а также штампов холодного (менее 200 °С) и горячего прессования.

Сталь углеродистая обыкновенного качества конструкционная выплавляется по ГОСТ 380–85 и поставляется потребителю в виде прутков, листов и других профилей проката. В зависимости от назначения и гарантируемых металлургическим заводом характеристик сталь подразделяется на три группы: А, Б, В, которые, в свою очередь, делятся на категории.

Сталь группы А поставляется по механичес­ким свойствам и изготовляется следующих марок: Ст0, Ст1 кп (сп), Ст2 кп (пс и сп), Ст3 кп (пс, гпс, гсп), Ст4 кп (пс), Ст5 пс, Ст6сп (пс).

Сталь группы Б поставляется по гарантированному химическому составу и изготовляется следующих марок: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6.

Сталь группы В поставляется по гарантированным механическим свойствам и химическому составу и изготовляется следующих марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Знание химического состава необходимо в том случае, когда сталь у потребителя подвергается горячей штамповке, а изготовленные из неё детали – термической обработке, поскольку температура нагрева выбирается в зависимости от содержания углерода в стали.

По степени раскисления сталь всех групп с номерами 1, 2, 3, 4 изготовляется кипящей, спокойной и полуспокойной, а с номерами 5 и 6 - только спокойной и полуспокойной. Стали Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяются. Сталь марок ВСт1, ВСт2, ВСт3 всех степеней раскисления поставляется с гарантией свариваемости.

Расшифровка марок:

а) буквы Б и В перед буквами Ст – группа стали; группа А не указывается, например Ст3, БСт3, ВСт3;

б) буквы Ст – сталь, цифры, от 0 до 6 – условный номер марки; с повышением номера растет содержание углерода в стали и ее прочность. Например, в сталях Ст3 и Ст5 содержание углерода соответственно: 0,14–0,22 и 0,23–0,37 %; временное сопротивление σ В: 380–490 (38–49) и 560–640 (56–64) МПа (кгс/мм 2);

в) буквы, добавляемые после номера марки, – степень раскисления: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная, например Ст3кп;

г) буква Г – повышенное содержание марганца (Ст3Гпс, ВСт3Гсп);

Область применения:

– ж.–д. колеса, валы, шкивы, шестерни;

– детали грузоподъемных машин;

– слабонагруженные детали машин и приборов;

– сварные фермы, различные рамы; железобетонные конструкции.

Сталь качественная конструкционная выплавляется по ГОСТ 1050–88, поставляется по химическому составу и механическим свойствам следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Марка означает среднее содержание (массовую долю) углерода в сотых долях процента. Помимо указанных, поставляются стали марок 05 и 58 (55 пп – сталь пониженной прокаливаемости).

По раскисленности выплавляются стали: кипящие (кп) – 05 кп, 08 кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп; полуспокойные (пс) – 08 пс, 10 пс, 15 пс, 20 пс (листовая сталь для холодной штамповки); спокойные (сп) – 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 (индекс сп в марке не ставится).

По состоянию сталь изготовляется без термической обработки, термически обработанная Т (отожженная, высокоотпущенная или нормализованная) и нагартованная Н (калиброванная, серебрянка).

По назначению различают подгруппы стали: а – для горячей обработки давлением; б – для холодной механической обработки (обточки, фрезерования, строжки и т.д.); в - для холодного волочения.

Область применения:

– для холодной штамповки и глубокой вытяжки (0,5–20);

– вагоно- и автомобилестроение;

– слабонагруженные зубчатые колеса и кулачки;

– емкости, трубы, консервные банки.

Рессоры и пружины изготовляются из сталей, выплавляемых по ГОСТ 14959–79 (сталь рессорно-пружинная углеродистая и легированная). Углеродистая рессорно-пружинная сталь поставляется в виде прутков круглого, квадратного и профильного сечения, полос и мотков следующих марок: 65, 70, 75, 80 и 85.

Сталь инструментальная углеродистая выплавляется по ГОСТ 1435–90, поставляется по химическому составу и механическим свойствам (твердости). По химическому составу сталь делится на качественную и высококачественную. Качественные стали содержат вредные примеси серы не более 0,03 и фосфора 0,035 %. В высококачественных сталях – серы не более 0,02 % и фосфора 0,03 %, меньше чем в качественных сталях неметаллических включений, а также более сужены пределы содержания, кремния и марганца. Сталь поставляется в отожженном состоянии твердостью НВ 187–217. Твердость после закалки HRC 62.

Марки сталей: качественных – У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественных – У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Выпускаются также стали с повышенным содержанием марганца марок У8Г и У8ГА, в которых содержание марганца находится в пределах 0,35–0,60 %.

В обозначении марки буква У означает углеродистую инструментальную сталь, цифры - среднее массовое содержание углерода в десятых долях процента, буква А – сталь высококачественную, буква Г – повышенное содержание марганца.

Область применения:

– зубила, молотки, отвертки, центры токарных станков (У7, У7А);

– пуансоны, матрицы, ножницы, пилы (У8, У8А);

– керны, деревообрабатывающий инструмент (У9, У9А);

– резцы, метчики, развертки, фрезы (У10, У10А);

– штампы вырубные, пилы, пресс-формы (У11, У11А);

– резцы, сверла, фрезы, метчики (У12, У13,У13А).

Сталь автоматная выплавляется по ГОСТ 1414–75 следующих марок: А11, А12, А20, А30, А35Е, А40Г. Стали содержат вредные добавки серы 0,08–0,25 и фосфора 0,06–0,15 %. Для улучшения обрабатываемости резанием в стали вводят свинец (до 0,3 %), марганец (до 1,5 %) и селен (до 0,1 %) (АС14, АС35Г и А35Е).

Область применения:

– детали крепежа (болты, гайки);

– втулки, валики, детали двигателя.

Сталь литейная выплавляется по ГОСТ 977–79 следующих марок: 15Л, 20Л, …, 55Л.

Область применения:

– отливки мелких и крупных машиностроительных деталей;

– литые коленчатые валы;

– детали подвижного состава.

2.1.2 Легированные стали, их виды и марки

Легированные стали отличаются от углеродистых сталей:

– повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии;

– значительной ударной вязкостью;

– высокими значениями σ т и γ;

– большим электросопротивлением;

– обладают лучшей прокаливаемостью;

– увеличивают количество остаточного аустенита.

В диаграмме состояния Fe –легирующий элемент Ni и Mn – расширяют область существования γ-фазы; Мо, Тi – сужают область существования γ-фазы; Si, Al, W, Sn, Mo и Ti – расширяют область α-фазы. Основными легирующими элементами в стали являются Cr, Ni, Si, Mn. Никель – увеличивает пластичность и вязкость стали; уменьшает температуру порога хладноломкости ; уменьшает чувствительность стали к концентрации напряжения. Хром увеличивает жаростойкость и коррозионную стойкость стали; увеличивает электрическое сопротивление; уменьшает коэффициент линейного расширения; увеличивает прокаливаемость стали; замедляет распад мартенсита. Кремний увеличивает жаростойкость стали ; затрудняет формирование и рост цементитных частиц; используется как раскислитель при плавке стали.

W, Mo, V, Ti, B – дополнительно улучшают свойства стали. Mo и W – увеличивают прокаливаемость стали (+ Ni); способствуют измельчению зерна; подавляют отпускную хрупкость стали.

V, Ti, Ni, Zr – образуют труднорастворимые в аустените карбиды; (до 0,15 %) измельчают зерна; снижают порог хладноломкости.

В – повышает прочность и прокаливаемость стали (0,001–0,005 %).

Эффективность легированных элементов достигается при их оптимальном содержании в стали.

легированные стали классифицируют:

По типу равновесной структуры;

Структуре после нормализации;

Химическому составу;

Назначению.

Легированные стали относят: к доэвтектоидным (феррит + легированный перлит); заэвтектоидным (легированный перлит + карбиды); эвтектоидным.

Разделяют стали на 3 основных класса:

– перлитный (сорбит, тростит и бейнит);

– мартенситный (в легированных);

– аустенитный (в высоколегированных).

Легированные стали делятся:

– по химическому составу : на хромистые; марганцовистые; хромоникелевые; хромоникельмолибденовые и т.д.;

– по общему количеству легирующих элементов в них : на низколегированные (до 2,5 %); легированные (2,5–10 %); высоколегированные (свыше 10 %);

– по назначению : на конструкционные (цементуемые, улучшаемые); инструментальные; с особыми свойствами («автоматные» пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и др. стали).

Маркировка легированных сталей: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, Т – титан, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные, Ю – алюминий.

Машиностроительные цементируемые улучшаемые стали содержат 0,1–0,3 % углерода и 0,2– 4,4 % легирующих элементов. После насыщения углеродом, закалки и низкого отпуска детали из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (до 58–63 HRC ) при вязкой центральной части. Стали 15ХФ, 15Х, 20Х (с пределом текучести до 700 МПа) используют для изготовления небольших нагруженных деталей, испытывающих средние по величине знакопеременные и ударные нагрузки. Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А (с пределом текучести более 700 МПа) используют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания, при повышенных нагрузках. Особо ответственные детали, например зубчатые колеса авиационных и судовых двигателей, изготавливают из сталей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Экономно легированные стали 18ХГТ, ЗОХГ, 25ХГТ имеют наследственную мелкозернистую структуру, что позволяет сократить технологический цикл обработки детали. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей крупносерийного и массового производства.

Машиностроительные улучшаемые легированные стали содержат 0,3–0,5 % углерода и до 5 % легирующих элементов. Используются преимущественно после улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500– 600 °С на сорбит). Основное применение – ответственные детали машин, эксплуатируемые при воздействии циклических или ударных нагрузок. Для изготовления средненагруженных небольших деталей машин и механизмов без значительных динамических нагрузок применяют хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержа­ния углерода возрастает прочность этих сталей, но несколько снижается их вязкость и пластичность. Из хромоникелевых сталей 40ХН, 50ХН, а также из хромокремнемарганцевых сталей 30ХГСА, 35ХГСА, которые обладают высокими прочностными и вязкостными свойствами, изготавливают ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.

Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38ХМЗМА обладают повышенными механическими свойствами при температуре до 450 °С.

Мартенситостареющие высокопрочные стали (с пределом прочности 1800–2000 МПа) – безуглеродные (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Высокие механические свойства сталей HI8K9M5T, H12KI5M10 достигаются за счет совмещения мартенситного g ® a-превращения, старения мартенсита и легирования твердого раствора. Эти стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали теплоустойчивы до температур 500– 700 °С. Находят применение для ответственных деталей в авиации, судостроении.

Износостойкие конструкционные стали обладают высоким сопротивлением контактной усталости и истиранию за счет высокой твердости, однородности структуры, минимального содержания неметаллических включений и металлургических дефектов. Термическая обработка (закалка и низкий отпуск) стали ШХ15ГС обеспечивает их твердость HRC 60–66. Для деталей, работающих в агрессивных средах (морской воде, слабых растворах кислот, щелочах), применяют коррозионностойкую высокоуглеродную сталь 95X18. Детали, эксплуатируемые при воздействии ударных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп, а следовательно, снижение износостойкости обычных сталей, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали Г13Л. Для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения скольжения, применяют графитизированную сталь, имеющую структуру ферритно-цементитной смеси и графита. Последний играет роль смазочного материала, предотвращающего схватывание контактирующих деталей.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы устойчивы к коррозии на воздухе, в воде (в т.ч. морской), в ряде кислот, солей и щелочей. Из хромистых сталей Х25Т, Х28, имеющих ферритную структуру, изготавливают детали, эксплуатируемые в высокоагрессивных средах, например в кипящей азотной кислоте. Хромоникелевые стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х12Н10Т, имеющие аустенитную структуру, используют в авиа- и судостроении.

Жаропрочные стали и сплавы обеспечивают эксплуатацию деталей при температуре свыше 500 °С. Для деталей, эксплуатируемых в среде с температурой 500– 580 °С, используют низкоуглеродистые стали, имеющие структуру пластинчатого перлита, легированные кобальтом, молибденом, ванадием, в частности 16М, 25ХМ, 12Х1МФ. Нагруженные детали, эксплуатируемые в среде с температурой до 450-470 °С, изготавливают из высокохромистых сталей 15X11НМФ, 1ХКВНМФ, имеющих в зависимости от температуры отпуска структуру сорбита или троостита.