3.2. Сталі

Сталлю називається сплав заліза з вуглецем, в якому вуглецю міститься не більше 2,14%. Це теоретичне визначення. На практиці в сталях, як правило, не міститься вуглецю більше 1,5%.

Вплив вуглецю і домішок на властивості сталі. Вуглець істотно впливає на властивості сталі навіть за умови його незначної зміни його вмісту. У сталі є дві фази - ферит і цементит (частково у вигляді перліту). Кількість цементиту зростає прямо пропорційно вмісту вуглецю. Як вже говорилося, ферит характеризується високою пластичністю і низькою твердістю, а цементит, навпаки, дуже низькою пластичністю і високою твердістю. Тому з підвищенням вмісту вуглецю до 1,2% знижуються пластичність і в'язкість сталі і підвищуються твердість і міцність.

Підвищення вмісту вуглецю впливає і на технологічні властивості сталі. Ковкість, зварюваність і оброблюваність різанням погіршуються, але ливарні властивості поліпшуються.

Крім заліза і вуглецю в сталі завжди присутні домішки. Наявність домішок пояснюється технологічними особливостями виробництва сталі (марганець, кремній) і неможливістю повного видалення домішок, що потрапили в сталь із залізної руди (сірка, фосфор, кисень, водень, азот). Можливі також випадкові домішки (хром, нікель, мідь і ін.)

Марганець і кремній вводять в будь-яку сталь для розкислення, тобто для видалення шкідливих домішок оксиду заліза FеО. Марганець також усуває шкідливі сірчисті сполуки заліза. При цьому вміст марганцю зазвичай не перевищує 0,8%, а кремнію - 0,4%. Марганець підвищує міцність, а кремній пружність сталі.

Розчиняючись у фериті, фосфор сильно спотворює кристалічну решітку, знижуючи при цьому пластичність і в'язкість, але підвищуючи міцність. Шкідливий вплив фосфору полягає в тому, що він сильно підвищує температуру переходу сталі в крихкий стан, тобто спричиняє її холодоломкість. Шкідливість фосфору посилюється тим, що він може розподілятися в сталі нерівномірно. Тому вмісту фосфору в сталі обмежується величиною 0,045%.

Сірка також є шкідливою домішкою. Вона нерозчинна в залізі і утворює з ним сульфід заліза FeS, який в свою чергу утворює з залізом легкоплавку евтектику. Евтектика розташовується на межі зерен і робить сталь крихкою при високих температурах. Це явище називається красноломкість. Кількість сірки в сталі обмежується 0,05%.

Водень, азот і кисень містяться в сталі у невеликих кількостях. Вони є шкідливими домішками, які погіршують властивості сталі.

Класифікація сталей. За хімічним складом сталі можуть бути вуглецевими, що містять залізо, вуглець і домішки і легованими, що містять додатково легуючі елементи, введені в сталь з метою зміни її властивостей.

За вмістом вуглецю сталі діляться на низьковуглецеві (до 0,25% С), середньовуглецеві (0,25 ... 0,7% С) і високовуглецеві (більше 0,7% С).

За призначенням розрізняють сталі:

- конструкційні, що йдуть на виготовлення деталей машин, конструкцій та споруд,

-інструментальні, що йдуть на виготовлення різного інструменту,

- стали спеціального призначення з особливими властивостями: нержавіючі, жаростійкі, жароміцні, зносостійкі, з особливими електричними і магнітними властивостями і ін .

За показниками якості стали класифікуються:

- звичайної якості,

-якісні,

- високоякісні,

- особливо високоякісні.

Якість сталі характеризується сукупністю властивостей, визначених процесом виробництва, хімічним складом, вмістом газів і шкідливих домішок (сірки і фосфору). Відповідно до ГОСТ сталі звичайної якості повинні містити не більше 0,045% Р і 0,05% S, якісні - не більше 0,035% Р і 0,04% S, високоякісні - не більше 0,025% Р і 0,025% S і особливо високоякісні - не більше 0,025% Р і 0,015% S.

Вуглецеві конструкційні сталі можуть бути тільки звичайної якості і якісними.

Якісні конструкційні вуглецеві дива маркіруються цифрами 08, 10, 15, 20, 25, ..., 85, які позначають середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Ці сталі відрізняються від сталей звичайної якості більшою міцністю, пластичністю та ударною в'язкістю. Якщо для сталей звичайної якості максимальна міцність становить 700 МПа, то для якісної вона досягає 1100 МПа. Більш докладно вони будуть розглянуті спільно з конструкційними легованими сталями (див. розділ 5.1.).