Содержит небольшое количество марганца (Mn), кремния (Si), серы (S) и фосфора (Р).
Стали подразделяют:
- по назначению - на конструкционные и инструментальные;
- по способу производства - на мартеновские, выплавляемые в мартеновских печах; бессемеровские, получаемые в конвертерах, имеющих футеровку из кислых материалов; томасовские, получаемые в конвертерах с футеровкой из основных материалов, и электросталь, выплавляемую в дуговых или индукционных высокочастотных печах;
- по химическому составу - на углеродистые и легированные.
Легированные стали кроме углерода содержат повышенное количество марганца (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), вольфрам (W), ванадий (V) и других элементов, которые придают этим сталям особые свойства, например, повышенную прочность и твердость, коррозионную стойкость.
Для изготовления сварных конструкций большое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая по ГОСТ 380. Углеродистая обыкновенного качества сталь в зависимости от назначения подразделяется на три группы:
- группа А - поставляемая по механическим свойствам;
- группа Б - поставляемая по химическому составу;
- группа В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.
В зависимости от нормируемых показателей:
- стали группы А подразделяют на три категории - Al, А2, A3;
- стали группы Б - на две категории - В1 и Б2;
- стали группы В - на шесть категорий - Bl, В2, ВЗ, В4, В5, В6.
Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б - марки БСт0, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способами. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается. Если сталь относится к кипящей, ставится индекс "кп", если к полуспокойной - "пс" и спокойной - "сп".
По видам проката сталь бывает листовая, широкополосная, сортовая (полосовая, круглая и др.), фасонная (швеллер, уголок, двутавр). Арматурная сталь в зависимости от технологии изготовления подразделяется на стержневую и проволочную арматуру, а в зависимости от профиля - на гладкую и периодического профиля. Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций.
Качественные стали по ГОСТ 1050-88 маркируют двухзначными цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т. д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10, 0,15, 0,20% углерода.
Сталь по ГОСТ 1050-88 изготовляют двух групп:
- группа I-с нормальным содержанием Мn (0,25-0,80%);
- группа II-с повышенным содержанием Мn (0,70-1,2%). При повышенном содержании марганца (Мn) в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание Мn.
Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются легирующими. Легированные стали подразделяют в зависимости от содержания легирующих элементов на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%). Легированные стали маркируют цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой входит в состав стали, а стоящие за ней цифры - среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Влияние основных элементов на свойства углеродистых сталей
- низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% С;
- среднеуглеродистые - от 0,25 до 0,6% С и
- высокоуглеродистые - свыше 0,6% С.
С увеличением содержания углерода повышается предел прочности стали, твердость и хрупкость при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости. Содержание углерода в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25% не ухудшает свариваемости стали. При более высоком содержании углерода стали ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Повышение содержания углерода в присадочном металле вызывает пористость шва.
Марганец содержится в стали в пределах 0,3- 0,8%, в указанных пределах марганец (Мn) не затрудняет процесс сварки. При сварке среднемарганцовистых сталей с содержанием 1,8-2,5% Мn возникает опасность появления в связи с тем, что марганец (Мn) способствует закаливаемости стали.
Кремний содержится в низко- и среднеуглеродистой стали в пределах 0,02-0,35%, в указанных пределах он не вызывает затруднений при сварке. При содержании кремния (Si) в специальных сталях от 0,8 до 1,5% затрудняется из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния (Si).
Сера является вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое , называемое сернистым железом. Сталь с примесью S дает в нагретом состоянии, т. е. становится красноломкой. Содержание S в стали не должно превышать 0,055%. Свариваемость стали с повышением содержания S резко ухудшается.
Фосфор также является вредной примесью в стали. Содержание Р в стали не должно превышать 0,05%, он образует с железом химическое соединение - фосфористое железо. Фосфор увеличивает твердость и хрупкость стали, вызывает хладноломкость, т. е. появление трещин в холодном состоянии.
Ванадий в легированных сталях содержится в пределах 0,2-0,8%. Он способствует закаливаемости стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки V активно окисляется и выгорает.
Вольфрам в легированных сталях содержится в пределах от 0,8 до 18%. W увеличивает твердость стали и затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.
Никель в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах 0,2-0,3%, в конструкционных - от 1 до 5% и легированных - от 8 до 35%. В стали никель (Ni) увеличивает пластические и прочностные свойства, свариваемости не ухудшает.
Молибден ограничивается содержанием в стали от 0,15 до 0,8%. При сварке молибден (Мо) способствует образованию трещин, активно окисляется и выгорает.
Хром в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,3% конструкционных - 0,7-3,5%, легированных хромистых сталях - 12-18% и хромоникелевых - 9-35%. Сr затрудняет сварку, так как в процессе сварки образует тугоплавкие хрома.
Титан и ниобий в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях при сварке соединяются с С, препятствуя образованию карбидов хрома. Этим титан (Ti) и ниобий (Nb) улучшают свариваемость.
Медь в сталях содержится в пределах 0,3-0,8%; Си улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и коррозионную стойкость стали.
Кислород содержится в сталях в виде оксида железа, который растворяется в чистом расплавленном железе в количестве до 0,5, что соответствует содержанию 0,22% О 2 . Растворимость оксида железа в стали уменьшается с повышением содержания С. ухудшает свариваемость стали, снижает ее прочностные и пластические свойства.
Азот растворяется в расплавленном металле, попадая в сварочную ванну из окружающего воздуха. При охлаждении сварочной ванны N 2 образует химические соединения с железом (нитриды), которые повышают прочность и твердость и значительно снижают стали.
Водород - вредная примесь в стали, скапливается в отдельных местах сварочного шва, при сварке вызывает появление и мелких трещин.
От количества которого завичсят ее свойства.
Машиностроительные заводы получают сталь с металлургических предприятий в отожженном или горячекатаном состоянии. Структура конструкционных сталей (доэвтектоидных) состоит из феррита и перлита, инструментальных - из перлита и цементита.
С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита - очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 19).
При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.
Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t 50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.
По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор .
Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород , азот и водород .
Обозначение марок - буквенно-цифровое.
Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств, при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.
Группа - А - сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.
Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.
Сплавы группы - В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.
Степень раскисленности, обозначают буквами кп - кипящие, пс - полуспокойные и сп - спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 - Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.
При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.
В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.
Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности - буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.
Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой - У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента - 0,7 - 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву - А. например У7А, У13А, У10А.
По структуре в отожженном (равновесном) состоянии различают следующие группы сталей:
1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная - феррит ;
2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис.20.а);
3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали - перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.20, б, в);
4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.20, г ).
Рис.20 Микроструктуры сталей:
а - доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б - эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в - эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г - заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).
Легированные стали - это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например, стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.
Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов, в общем, составляет 2,5 - 5,0%; до 10 % и более 10 % соответственно.
Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки
В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром - X, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан - Т, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий -Ю, кобальт-К, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0%.
Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.
У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17AГI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный - 30ХГСА. Буква - А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.
Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.
), 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).
Углеродистая сталь благодаря доступной стоимости и высоким прочностным характеристикам относится к широко распространенным сплавам. Из таких сталей, состоящих из железа и углерода и минимума других примесей, изготавливают различную машиностроительную продукцию, детали колов и трубопроводов, инструменты. Широкое применение эти сплавы находят и в строительной сфере.
Что собой представляют углеродистые стали
Углеродистые стали, которые в зависимости от основной сферы применения подразделяются на конструкционные и инструментальные, практически не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых примесей, как марганец, магний и кремний.
Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Так, высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода, среднеуглеродистые стали – 0,3–0,6%, низкоуглеродистые – до 0,25%. Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.
Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.
Количественное содержание углерода также оказывает серьезное влияние на технологические характеристики металла, в частности на его свариваемость, легкость обработки давлением и резанием. Из сталей, относящихся к категории низкоуглеродистых, изготавливают детали и конструкции, которые не будут подвергаться значительным нагрузкам в процессе эксплуатации. Характеристики, которыми обладают среднеуглеродистые стали, делают их основным конструкционным материалом, используемым в производстве конструкций и деталей для нужд общего и транспортного машиностроения. благодаря своим характеристикам оптимально подходят для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, для производства ударно-штампового и измерительного инструмента.
Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.
Хотя считается, что несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. Конечно, при помощи таких добавок не получится сделать из углеродистой стали нержавейку, но заметно улучшить свойства металла они вполне могут.
Классификация по степени раскисления
На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.
Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.
Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.
Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к углеродистой стали можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.
Методы производства и разделение по качеству
Для производства углеродистых сталей используются различные технологии, что сказывается на их разделении не только по способу производства, но и по качественным характеристикам. Так, различают:
- высококачественные стальные сплавы;
- углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.
Стальные сплавы, обладающие обыкновенным качеством, выплавляются в мартеновских печах, после чего из них формируют слитки больших размеров. К плавильному оборудованию, которое используется для получения таких сталей, относятся также кислородные конвертеры. По сравнению с качественными стальными сплавами, рассматриваемые стали могут иметь большее содержание вредных примесей, что сказывается на стоимости их производства, а также на их характеристиках.
Сформированные и полностью застывшие слитки металла подвергают дальнейшей прокатке, которая может выполняться в горячем или холодном состоянии. Методом горячей прокатки производят фасонные и сортовые изделия, толстолистовой и тонколистовой металл, металлические полосы большой ширины. При помощи прокатки, выполняемой в холодном состоянии, получают тонколистовой металл.
Для качественной и высококачественной категорий могут использоваться как конвертеры и мартеновские печи, так и более современное оборудование – плавильные печи, работающие на электричестве. К химическому составу таких сталей, наличию в их структуре вредных и неметаллических примесей соответствующий ГОСТ предъявляет очень жесткие требования. Например, в сталях, которые относятся к категории высококачественных, должно содержаться не более 0,04% серы и не больше 0,035% фосфора. Качественные и высококачественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу их производства и к характеристикам отличаются повышенной чистотой структуры.
Область применения
Как уже говорилось выше, углеродистые стальные сплавы по основному назначению делят на две большие категории: инструментальные и конструкционные. , содержащие 0,65–1,32% углерода, используются в полном соответствии со своим названием – для производства инструмента различного назначения. Для того чтобы улучшить механические свойства инструментов, обращаются к такой технологической операции, как , которая выполняется без особых сложностей.
Конструкционные стальные сплавы применяются в современной промышленности очень широко. Из них делают детали для оборудования различного назначения, элементы конструкций машиностроительного и строительного назначения, крепежные детали и многое другое. В частности, такое популярное изделие, как проволока углеродистая, производится именно из стали конструкционного типа.
Используется проволока углеродистая не только в бытовых целях, для производства крепежа и в строительной сфере, но и для изготовления таких ответственных деталей, как пружины. После выполнения цементации конструкционные углеродистые сплавы можно успешно использовать для производства деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются серьезному поверхностному износу и испытывают значительные динамические нагрузки.
Конечно, углеродистые стальные сплавы не обладают многими свойствами легированных сталей (в частности, той же нержавейки), но их характеристик вполне хватает для того, чтобы обеспечить качество и надежность деталей и конструкций, которые из них изготавливаются.
Особенности маркировки
Правила составления которой строго оговорены пунктами соответствующего ГОСТа, позволяет узнать не только химический состав представленного сплава, но и то, к какой категории он относится. В обозначении углеродистой стали, обладающей обыкновенным качеством, присутствуют буквы «СТ». Пунктами ГОСТа оговаривается семь условных номеров марок таких сталей (от 0 до 6), которые также указываются в их обозначении. Узнать, какой степени раскисления соответствует та или иная марка, можно по буквам «кп», «пс», «сп», которые проставляются в самом конце маркировки.
Углеродистые стали содержат в своем составе углерод до 2,14%, марганец (до 0,8%), кремний (до 0,35%), серу (до 0,06%) и фосфор (до 0,07%). Перечисленные элементы всегда присутствуют в стали, и поэтому их классифицируют как постоянные примеси . Марганец и кремний вводят в стали с целью раскисления, присутствие серы и фосфора объясняется трудностью удаления их при выплавке.
Кремний растворяется в феррите и сильно упрочняет его, снижая при этом пластичность и значительно повышая предел текучести. При этом уменьшается способность стали к вытяжке и холодной высадке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть сниженным.
Марганец повышает прочность феррита и уменьшает красноломкость стали, которую вызывает сера. С железом сера образует сульфид FeS, который практически не растворяется в железе и образует с ним эвтектику (Fe + FeS), плавящуюся при температуре 988°С. При кристаллизации эта эвтектика размещается вокруг зерен в виде оторочек. Во время горячей обработки при нагреве выше 1000°С эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами и в металле при деформации возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью стали. При наличии марганца в стали вместо сульфида железа образуется сульфид марганца MnS с температурой плавления 1620°С, благодаря чему устраняется явление красноломкости.
Соединения серы снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, резко снижают работу развития вязкой трещины и вязкость разрушения К 1С . Сульфиды ухудшают свариваемость и коррозийную стойкость.
Фосфор в малых количествах растворяется в железе, образуя твердый раствор. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность и вязкость и резко повышает порог хладноломкости стали. Каждая 0,01% фосфора повышает переходную температуру хладноломкости на 20...25 о С. При повышенном содержании фосфор с железом образует фосфиды Fe 3 Р и Fe 2 P, которые в составе эвтектики размещаются по границам зерен и снижают прочность стали.
Существуют в сталях так называемые скрытые примеси, к которым относят кислород 0,002...0,008%), азот (0,002...0,007%), водород (0,0001...0,0007%). Эти примеси могут находиться в стали в виде хрупких неметаллических включений (FeO, Al 2 O 3 , Fe 4 N) или твердого раствора, а также быть в свободном виде в дефектных участках металла (трещинах, раковинах и др.). При плавлении они растворяются в стали, а затем выделяются при охлаждении, главным образом, по границам зерен, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Кроме того, неметаллические включения есть концентраторами напряжений. Наличие водорода становится причиной возникновения в легированных сталях флокенов (микронесплошностей металла диаметром до 10…15 мм в центральной части поковки).
Неметаллические включения являются хрупкими и во время прокатки разбиваются, располагаясь в стали в виде цепочек. При этом образуются микроскопические концентраторы напряжений, что снижает характеристики усталости и ударную вязкость.
Некоторые примеси попадают в сталь при выплавке из скрапа и называются случайными . К таким примесям относятся хром, никель, медь при наличии до 0,3%. Влияние их в таком количестве на свойства сталей незначительно.
Наибольшее влияние на свойства стали имеет углерод. На рисунке 6 приведены кривые зависимости прочности и пластичности стали от содержания в ней углерода. Видно, что углерод очень резко повышает свойства прочности при одновременном снижении пластичности и вязкости. Это объясняется тем, что цементитные включения тормозят передвижение дислокаций в феррите и, естественно, при увеличении количества повышается их влияние.
При увеличении количества углерода переходная температура хладноломкости стали резко повышается. Каждая 0,1% С повышает на 20 о С температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению.
Углерод влияет также и на другие физические свойства стали, в частности, с повышением количества углерода увеличивается электросопротивление и коэрцитивная сила, а магнитная проницаемость уменьшается.
Углеродистые стали подразделяются по способу производства в зависимости от используемых плавильных агрегатов на конверторную, мартеновскую и электросталь. При этом по способу раскисления сталь может быть кипящей (раскислена только марганцем), полуспокойной (раскислена марганцем и кремнием) и спокойной (раскислена марганцем, кремнием и алюминием).
Рисунок 6 - Зависимость механических свойств стали (а) и
фазового состава (б) от содержания углерода
1.4.2.1 Классификация и маркировка углеродистых сталей
По структуре в равновесном состоянии различают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025 до 0,8%, их структура состоит из феррита и перлита. Содержание углерода в эвтектоидной стали составляет 0,8% С при полностью перлитной структуре. В заэвтектоидных сталях наряду с перлитной составляющей образуются цементитные включения, а содержание углерода может изменяться от 0,8 до 2,14%.
Наиболее распространена классификация углеродистых сталей по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, В соответствии с этим признаком стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.
Углеродистые стали обыкновенного качества (табл. 1) маркируются буквами Ст , что означает сталь. После Ст следует условный номер марки от 0 до 6, который отображает химический состав стали. Степень раскисления стали указывается буквами кп, пс, сп , которые означают, соответственно, кипящую (раскисленную марганцем), полуспокойную (раскисленную марганцем и кремнием), спокойную (раскисленную марганцем, кремнием и алюминием). Массовая доля серы в сталях всех марок £ 0,050%, фосфора – £ 0,040%, в Ст0 серы – £0,060%, фосфора – £ 0,070%.
Достаточно часто встречается еще маркировка прошлых лет, в соответствии с которой все стали обыкновенного качества подразделяются на три группы.
Группа А – маркируются Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.
Группа Б – маркируются буквами М, К, Б (что указывает на способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский), а затем Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6.
Группа В – маркируются ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.
Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Они не поддаются горячей обработке. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.
Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом и у потребителя могут подвергаться горячей обработке (например, ковке и термической обработке).
Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (применяются для сварных конструкций).
Таблица 1 - Химический состав углеродистых сталей обыкновенного
качества
Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливают кипящими, полуспокойными, спокойными, а стали с номерами 5 и 6 – полуспокойными и спокойными.
Углеродистые качественные стали отличаются от сталей обыкновенного качества меньшим содержанием серы (не более 0,04%) и фосфора (не более 0,035%), а также меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узким диапазоном. Качественные углеродистые стали маркируются словом сталь и последующим двузначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, например, 08, 10, 15 и т.д. (табл. 2).
Таблица 2 - Состав и механические свойства качественных углеродистых сталей
| Марка стали | С, % | Mn,% | Si, % | Cr, % | s 0,2 , МПа | s в, МПа | δ,% | y, % | KCU, Дж/см 2 |
| 0,05-0,12 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,10 | - | |||||
| 0,07-0,14 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,15 | - | |||||
| 0,12-0,19 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,17-0,24 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,22-0,30 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,27-0,35 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,5 | ||||||
| 0,32-0,40 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,37-0,45 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,42-0,50 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,47-0,55 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,52-0,60 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,57-0,65 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - |
При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления буквами кп, пс . В случае спокойной стали степень раскисления не указывается. К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7 - 1,0%). Такие стали имеют в конце марки букву Г .
Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с более низким содержанием серы (до 0,025%) и фосфора (до 0,025%). При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.
Качественные углеродистые стали подразделяются на низко-, средне- и высокоуглеродистые в зависимости от содержания углерода. К низкоуглеродистым сталям высокой пластичности и малой прочности относятся стали 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г..., 25Г, которые используются для изготовления малонагруженных деталей (кулачковых валов, осей, втулок). Термическая обработка (закалка с отпуском, цементация) значительно повышает прочность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл. Среднеуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,3...0,55%) в зависимости от требуемых механических свойств используются после нормализации, закалки с высокотемпературным отпуском, закалки ТВЧ и низкотемпературного отпуска. Из этих сталей изготовляют валы, шестерни, шатуны, шпиндели и т.д.
Высокоуглеродистые стали содержат углерода от 0,6 до 0,85% и характеризуются высокими прочностными и упругими свойствами, повышенной износостойкостью. После закалки и отпуска или закалки с нагревом ТВЧ детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают канатную проволоку, а также пружинную проволоку после патентования.
Углеродистые стали, которые содержат 0,7...1,3%С, используются для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7...У13 , где У обозначает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента.
К положительным качествам углеродистых сталей относится их достаточно высокий комплекс механических свойств, который обеспечивается проведением термической обработки. Углеродистые стали имеют хорошие технологические свойства. Они недефицитны и дешевы.
Основным недостатком углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость (до 15 мм).
Чугуны
1.4.3.1 Общие сведения
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.
Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.
Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.
В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые (углерод находится в виде графитных включений).
В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe 3 C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).
В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.
Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одновременно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.
Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.
Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.
Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит , следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.
В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.
Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Графит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми .
Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.
Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.
Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.
Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.
Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он способствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.
Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.
Сера по своей отбеливающей способности в 5 - 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.
Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950 о С, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.
Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают никель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.
Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжимающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2...0,5%), промежуточную (δ = 5...10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).
По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.
Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.
Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.