3. Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовле­творительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью реза­нием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатыва­емости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и ко­робление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряже­ния, снижающие конструкционную прочность.

Главный недостаток углеродистых сталей — небольшая прокаливае- мость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упроч­няемых термической обработкой. Крупные детали изготовляют из сталей без термического упрочнения — в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкций.

По статической прочности углеродистые стали относятся преимуще­ственно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

1. Углеродистые стали обыкновенного качества

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повы­шенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и за­грязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно использу­ют в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различ­ного назначения.

Стали обыкновенного качества поставляют горячекатаными в виде проката (прутки, листы, уголки, швейлеры, трубы и т.п.). Для этих сталей марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380 - 94.

Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), по­казывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», в полу спокойных — «пс», в кипящих — «кп». Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и полуспокойны- ми производят стали Ст1 - Стб, кипящими — Ст1 - Ст4. Сталь СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содер­жание углерода (С< 0,23 %), серы (8 < 0,06 %) и фосфора (Р < 0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Мп, 81, 8, Р, а также Аб и Р (табл. 9.1).

Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая формула: С (%)« 0,07х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание С~ 0,07 X 3 и и 0,21 % (фактически 0,14 - 0,22 %).

Концентрация марганца возрастает от 0,25 - 0,50 % в стали Ст1 до 0,50 - 0,80 % в стали Стб. Три марки стали производят с повышенным (0,80 - 1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г» в мар­ке: Ст ЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипя­щих — не более 0,05 %, у полуспокойных — не более 0,15 %, у спокойных — не более 0,30 %.

Степень раскисления определяет также различное содержание газо­образных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости <50. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпс и СтЗкп он составляет -20; -10 и 0 °С соответственно.

Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного каче­ства регламентирует ГОСТ 535 - 88.

Марка стали	С	Мп	81 в стали			8	Р
			кп	ПС	СП	не более
СтО	< 0,23	-	-	-	-	0,06	0,07
Ст1	0,06-0,12	0,25-0,5	0,05	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
Ст2	0,09-0,15	0,25-0,5	0,05	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
СтЗ	0,14-0,22	0,3-0,65	0,07	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
Ст4	0,18-0,27	0,4-0,7	0,07	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
Ст5	0,28-0,37	0,5-0,8	-	0,05-0,17	0,15-0,35	0,05	0,04
Стб	0,38-0,49	0,5-0,8	-	0,05-0,17	0,15-0,35	0,05	0,04
СтЗГ	0,14-0,22	0,8-1,1	-	0,05-0,17	-	0,05	0,04
Ст5Г	0,28-0,37	0,8-1,1	-	0,05-0,17	-	0,05	0,04

Таблица 9.1. Содержание элементов в углеродистых сталях обыкновенного качества, %

Примечания: 1. В сталях Ст1 - Стб допускается не более 0,3 % Сг; 0,3 % №; 0,3 % Си; 0,08 % Лк; 0,01 % N. 2. В сталях, выплавленных из керченских руд, допускается до 0,15 % Ая и 0,05 % Р. 3. В сталях, выплавленных в электропечах, допускается не более 0,012 % N.

Прокат подразделяют на три группы (I - III) и пять категорий (1 - 5). Группа проката оценивает качество поверхности и способ использова­ния проката. Прокат I группы используют без обработки поверхности, II группы — для изготовления деталей обработкой резанием, III группы — для заготовок и деталей, получаемых горячей обработкой давлением.

К

I

С =

КС - КС А КС

100 %,

атегории проката (определяет заказчик) различаются набором нор­мируемых показателей механических свойств. Для всех категорий гаран­тируют уровень ег_в, од 2, <5 и допустимый угол загиба. Для категории 3 дополнительно определяют КС11 при 20 °С; для категории 4 - КС11 при -20 °С; для категории 5 - КС11 при -20°С и склонность стали к деформа­ционному старению. Мерой склонности к старению служит показатель С:

где КС — ударная вязкость в исходном состоянии; КСА — ударная вяз­кость деформированной (на 7 или 10 %) стали после старения при 250°С в течение 1 ч.

Уровень механических свойств зависит от толщины проката. Мас­штабный фактор учитывает влияние скорости охлаждения горячекатаной стали. Свойства регламентированы для проката толщиной А < 10, 10 -

20, 20 - 40, 40 - 100 и > 100 мм. С увеличением толщины проката снижа­ются (70,2 и 6. Так, для Ст Зсп при Д < 10 мм <т_0>2 > 255 МПа, 6 > 28 %; при Д > 100 мм сто 2 > 205 МПа, 6 > 21 %.

Значения механических свойств спокойных и полуспокойных сталей для проката толщиной менее 10 мм приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Механические свойства углеродистых сталей

Марка стали	°"в) МПа	°0,2> МПа	%	КС112 о°с> МДж/м2	Марка стали	^В, МПа	00,2, МПа	6, %	КС112 о°с МДж/м2
		не менее					не менее
СтО	> 310	-	20	-	Ст4	410-530	265	24	-
Ст1	320-420	-	31	-	Ст5	490-630	295	20	-
Ст2	340-440	-	29	0,9-1,1	Стб	> 590	315	15	-
СтЗ	380-490	255	26	0,7-1,0

Примечание. В кипящих сталях Ст1кп - Ст4кп значения <т_ъ на 10 - 20 МПа, Со,2 на 10 МПа меньше, а 6 на 1 % больше, чем в приведенных сталях тех же марок.

Сортамент изделий из проката отличается большим разнообразием. Его подразделяют на четыре группы: сортовая сталь (круглый, квадрат­ный, полосовой, угловой прокат; швеллеры; двутавровые балки), листовая сталь, специальные профили, трубы. Форма, размеры, условия поставки проката регламентируются соответствующими стандартами.

Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназна­чен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабона- груженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочте­ние в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций опреде­ляется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, пре­жде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низ­коуглеродистые стали, из которых изготавливают сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции.

Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и спе­циализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно СтЗ широко применяют в сельскохозяйственном машиностро­ении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.п.).

Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей подвер­гают термическому улучшению.