5.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали. Углеродистые стали. Классификация и маркировка углеродистых сталей.

Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14%С.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Углерод. Структура сталей в отожженном состоянии – феррит + цементит. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций (возрастает предел прочности (_В), и падают значения относительного удлинения и сужения ( и )). Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1%С повышает предел хладноломкости в среднем на 20С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

Кремний и марганец вводят в сталь в ходе раскисления при выплавке:

2FeO + Si  2Fe + SiO₂

FeO + Mn  Fe + MnO

Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления, растворяется в феррите, сильно повышая _т. Это снижает способность стали к вытяжке. В связи с этим в сталях, предназначенных для холодной штамповки содержание кремния должно быть снижено.

Марганец растворяется в феррите и цементите, повышает прочность, практически не снижая пластичности; и резко снижает красноломкость стали, вызванную серой.

Сера нерастворима в феррите и даже малое ее количество образует с железом сульфид FeS, который входит в состав эвтектики (Fe + FeS), образующейся t=988С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен приводит к тому, что при нагреве стали до температур прокатки или ковки (1000–1200С) эвтектика расплавляется, возникают надрывы и трещины – красноломкость.

Присутствие марганца снижает красноломкость (FeS + Mn  MnS + Fe). MnS плавится при t = 1620С. При t = 8001200С MnS пластичен и под действием внешних сил вытягивается в продолговатые линзы.

Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажая кристаллическую решетку. Как следствие повышаются _т и _В, но уменьшается пластичность и вязкость. При содержании фосфора более 1,2% имеет место образование химического соединения Fe₃P.

Фосфор уменьшает работу развития трещины, и каждая 0,01%Р повышает порог хладноломкости на 20 – 25С, то есть способствует хладноломкости стали.

Способность фосфора к сегрегации по границам зерен также способствует охрупчиванию стали. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Вследствие этого в серединных слоях слитка отдельные участки обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость.

Верхние пределы содержания примесей:

Mn – 0,8%

Si – 0,5%

S – 0,06%

P – 0,06%

Азот, кислород, водород могут присутствовать в следующих формах: находится в различных несплошностях (газообразное состояние); в -твердом растворе; образовывать различные соединения – неметаллические включения (нитриды, оксиды – FeO, Fe₂O₃, SiO₂ и т.д.).

Примеси внедрения (N, O) концентрируясь в зернограничных объемах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Неметаллические включения, оксиды и сульфиды в процессе деформации располагаются в виде разорванных строчек (оксиды), или в виде продолговатых линз (сульфиды), ориентированных вдоль направления прокатки. Эти включения служат центрами кристаллизации феррита, в результате образуется полосчатая феррито-перлитная структура. Наличие такой полосчатой структуры вызывает сильную анизотропию свойств.

Очень вредным является водород. Поглощенный при выплавке водород не только охрупчивает сталь, но и приводит к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов (очень тонких трещин овальной формы, имеющих в изломе вид пятен-хлопьев серебристого цвета). Металл, имеющий флокены, НЕЛЬЗЯ использовать в промышленности. Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле.

Классификация сталей

По структуре в отожженном состоянии:

• доэвтектоидные

• эвтектоидные

• заэвтектоидные

По качеству:

• обыкновенного качества (до 0,05%S и 0,05%P)

• качественные (до 0,04%S и 0,04%P)

• высококачественные (до 0,025%S и 0,025%P)

• особо высококачественные (до 0,015%S и 0,025%P)

По назначению:

• конструкционные (до 0,8%С)

• инструментальные (более 0,7%С)

• специального назначения

По содержанию углерода:

• низкоуглеродистые (0,3%С)

• среднеуглеродистые (0,3–0,6%С)

• углеродистые (0,6–0,85%С)

По степени раскисления

• спокойные

• полуспокойные

• кипящие

Кипящая сталь раскислена только Mn. В такой стали содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей СО₂, создавая впечатление «кипения» стали.

Полуспокойные раскислены марганцем и алюминием.

Спокойные раскислены марганцем, алюминием и кремнием. Затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Кроме того, ликвация в слитках спокойной стали значительно меньше, чем в кипящей. Спокойные углеродистые стали имеют порог хладноломкости на 30-40С ниже, чем кипящие.

Маркировка углеродистых сталей

При маркировке высококачественных сталей в конце марки ставится буква «А».

При маркировке кипящие стали маркируются «кп», полуспокойные «пс», спокойные «сп», буквы ставятся в конце марки.

Если сталь содержит повышенное количество марганца, при маркировке углеродистых сталей это отражается буквой «Г».

Стали обыкновенного качества

Маркируют буквами «Ст» (сталь) и цифрой – условный номер марки (с увеличением порядкового номера возрастает количество углерода).

Пример: Ст1 – сталь обыкновенного качества, порядковый номер по ГОСТ –1

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, уголки, прутки; а также листы, трубы.

Для сварных конструкций применяют спокойные стали.

С повышением содержания углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 (С0,3%) применяют для элементов строительных конструкций не подвергаемых сварке. Они предназначены для производства рельсов, ж/д колес, валов и шкивов грузоподъемных машин и механизмов.

Качественные углеродистые стали

Маркируют цифрами 05, 08, 10, 15, 20 …85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Пример: 45 – сталь качественная, содержание углерода 0,45%.

Низкоуглеродистые стали (С0,25%)

05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. _В330340МПа, _0,2200210МПа, =33-31%. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей.

Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки. 15, 15кп, 20, 25 (_В380460МПа, _0,2250МПа, =2723%) без термической обработки или после нормализации. Изготавливают трубопроводы, сосуды под давлением, паровые котлы, строительные конструкции.

Низкоуглеродистые стали используют для ответственных сварных конструкций, а также деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3–0,5%С)

30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после термической обработки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (термическая обработка – закалка, нормализация, улучшение).

0,20,4%С – болты, гайки, шпильки.

0,30,5%С – не обладают хорошей свариваемостью – применяют после термической обработки для изготовления валов, звездочек, шестерен, т.е. деталей, работающих при больших статических и динамических нагрузках.

Высокоуглеродистые стали (0,6–0,8%С)

60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Применяют после термической обработки (закалки, отпуска, поверхностной закалки) для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают пружины, рессоры (0,5–0,7%С); шпиндели, прокатные валки и т.п.

Углеродистые инструментальные стали

У7, У8, У9 … У13.

Буква «У» в маркировке обозначает – углеродистая, а цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента.

Пример: У10 – качественная инструментальная сталь, содержание углерода 1%.

Основные требования, предъявляемые к инструментальным сталям – износо-, теплостойкость, повышенная твердость (выше твердости обрабатываемого материала) и высокая прочность в сочетании с достаточной вязкостью.

Углеродистые стали обыкновенного качества или высококачественные (У10А, У9А и т.п.) применяют для изготовления инструмента для резания материалов низкой твердости и небольшими скоростями (так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190 – 200С).

Термическая обработка – закалка и низкий отпуск.

Применение:

У7, У8 – деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры. Эти стали характеризуются высокой вязкостью и находят применение для инструментов, подвергающихся ударам и толчкам: кузнечного инструмента, пуансонов, матриц, пневматического инструмента.

У10, У11, У12, У13 – фрезы, сверла, пилы, ножовки ручные, напильники, бритвы, медицинский инструмент, бурильный инструмент, резцы, мечики. А также различный измерительный инструмент.

Углеродистые инструментальные стали обладают пониженной прокаливаемостью и поэтому их применяют для инструментов небольших размеров.