3.2.2. Углеродистые стали

Состав и свойства углеродистых сталей. Это сложные по химическому составу сплавы, основными составляющими которых являются железо (97,0…99,5 %) и углерод (до 2,14 %). Кроме того, в них находится ряд элементов, наличие которых вызвано технологическими особенностями производства (марганец, кремний) или невозможностью полного удаления (сера, фосфор, кислород, водород, азот), а также случайные примеси (хром, никель, медь и др.).

О

Рис. 54. Влияние углерода на механические свойства стали

сновное влияние на свойства ста­лей оказывает углерод. С его увеличением повышаются твердость и прочность, но при этом уменьшаются вязкость и пластичность (рис. 54). Прочность (_в) достигает максимального значения при содержании углерода примерно 0,9 %. С его увеличением повышается порог хладноломкости и уменьшается ударная вяз­кость. Углерод также оказывает влия­­ние и на технологические свойства: при его повышении сталь снижает способность деформироваться в горячем и особенно холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

Примеси в сталях подразделяются на полезные, вредные и случайные.

К полезным примесям относятся кремний и марганец, которые вводятся в сталь в качестве раскислителей при ее выплавке. После раскисления эти элементы частично переходят в сплав. Количество марганца обычно не превышает 0,5…0,7 %, а кремния 0,3…0,5 %. Они растворяются в феррите и тем самым повышают его твердость и прочность.

К вредным примесям относятся сера, фосфор, кислород, водород.

Сера вызывает хрупкость стали при ее горячей обработке. Такое явление называется красноломкостью. Красноломкость связана с образованием сульфида железа FeS, который с Fe образует легкоплавкую эвтектику Эвт [FeS + Fe]. Температура плавления эвтектики 988 С, и располагается она по границам зерен. При горячей обработке стали (с температурой нагрева 1000 С и выше) эвтектика расплавляется, и сталь хрупко разрушается. Поэтому количество серы в сталях строго ограничивается. Красноломкость понижает марганец, который связывает серу в сульфиды MnS, при этом образование легкоплавкой эвтектики исключается. Частицы сульфидов располагаются в виде отдельных включений, вытянутых в направлении прокатки. Наличие таких включений приводит к снижению пластичности и ударной вязкости.

Фосфор, растворяясь в феррите, повышает его прочность, но очень сильно понижает пластичность, вызывая в стали хладноломкость – уменьшение ударной вязкости при понижении температуры (рис. 55).

П

Рис. 55. Влияние фосфора на хладоломкость стали: 1 – 0,08 % Р; 2 – 0,06 % Р

орогом хладноломкости называется тем­пература, при которой ударная вязкость резко падает. Различаются верхний и нижний пороги хладноломкости. Верхний порог соответствует температуре, при которой в изломе испытуемого образца стали имеется 90 % вязкой составляющей, а нижний порог соответствует наличию в изломе лишь 10 % вязкой составляющей. Критическая температура хрупкости соизмеряется с 50 % вязкой составляющей.

Каждая 0,01 % фосфора повышает порог хладноломкости на 25 С. Вредное влияние фосфора усугубляется еще и тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Участки, обогащенные фосфором, отличаются повышенной хрупкостью. Поэтому даже в углеродистых сталях обычного качества количество фосфора не превышает 0,045 %.

Вредные примеси в виде газов находятся в сталях в небольших количествах и трудно определяются. Такие примеси называются скрытыми.

Газовые примеси частично растворены в железе, частично находятся в виде неметаллических включений (оксидов и нитридов) или расположены в свободном состоянии в раковинах, трещинах и других пустотах. Оксиды и нитриды – твердые и хрупкие соединения, которые являясь концентраторами напряжений, снижают пластичность сталей. Водород, несмотря на то, что он не растворяется в стали, вызывает надрывы, называемые флокенами.

Случайные примеси – это элементы попадающие в стали при выплавке из руд или вторичного сырья.

Назначение и маркировка углеродистых сталей. На рис. 56 приведена классификация углеродистых сталей по назначению.

Конструкционные углеродистые стали обычного качества составляют до 70 % всего проката. Они широко применяются в промышленности, строительстве, на транспорте, в том числе и железнодорожном. Например, сталь Ст3 используется в вагоно- и локомотивостроении для изготовления рам тележек рефрижераторных вагонов, балок надрессорных тележек, подпятников, шкворней, опорных и хребтовых балок, кузовов крытых цельнометаллических вагонов, дверей вагонов всех типов, крышек разгрузочных люков полувагонов и т. д.

Согласно ГОСТ 380-94 конструкционные углеродистые стали обычного качества подразделяются на три группы: А, Б и В. В каждой группе имеется несколько марок.

Рис. 56. Классификация углеродистых сталей по назначению

Группа А (поставляемая по механическим свойствам) включает семь марок – Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Группа Б (поставляется по химическому составу) имеет также семь марок – БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6.

Группа В, которая поставляется как по механическим свойствам, так и по химическому составу, включает только пять марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливаются кипящими, полуспокойными и спокойными. При их маркировке в конце обозначения приводятся буквы кп (кипящая), пс (полуспокойная) или сп (спокойная). Например, сталь БСт3кп – сталь углеродистая конструкционная обычного качества, поставляется по химическому составу, третьей марки, кипящая.

Полуспокойные стали с номерами марок 1…6 производятся с обычным и повышенным содержанием марганца (от 0,7 до 1,0 %). В этом случае при их обозначении после цифры добавляется буква Г (например, БСт 4Гпс).

Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяются.

Стали марок ВСт1, ВСт2, ВСт3 всех категорий и всех степеней раскисления (в том числе и с повышенным содержанием марганца) поставляются с гарантией свариваемости.

Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 2 июня 1997 г. № 205 с 1 января 1998 г. введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 380-94 в качестве государственного стандарта, распространяемого на углеродистую сталь обыкновенного качества, предназначенную для изготовления проката горячекатаного: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмов, слябов, сутунок, труб, поковок и штамповок, лент, проволоки, метизов и др.

Согласно отмеченному стандарту углеродистая сталь обыкновенного качества изготавливается следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст3Гпс, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гсп, Ст6пс, Ст6сп. Химический состав этих сталей соответствует нормам, приведенным в табл. 2.

Таблица 2