Сколько углерода содержится в углеродистой стали?

Классификация углеродистой стали

ООО «ЧЗМК» занимается производством и обработкой металлоконструкций, в том числе из углеродистой стали. В данной статье рассмотрим классификацию этого материала по разным признакам.

Углеродистая сталь – это материал с содержанием углерода до 2,14%. В ней отсутствуют легирующие элементы, присутствует немного примесей, а также магния, кремния и марганца.

Особенности и основная классификация материала

Наличие углерода в стали обеспечивает ее надежность и прочность, а также снижает уровень вязкости и пластичности. Основная масса материала содержит до 99,5% железа. Сталь меняет свои характеристики благодаря термической обработке, в ходе которой достигается нужная твердость поверхности металла.

Основная классификация углеродистой стали базируется на количестве углерода. Выделяют три вида материала:

• низкоуглеродистые (содержат около 0,2% углерода);
• среднеуглеродистые (0,2–0,6%);
• высокоуглеродистые (до 2%).

Чем больше в материале содержится углерода, тем более прочный и менее пластичный он будет, также понижается вязкость стали и повышается хрупкость. Сплавы, которые содержат более 2,4% углерода, уже относятся к чугунам.

Достоинства углеродистой стали:

• высокая пластичность;
• отличная свариваемость;
• хорошая податливость обработке вне зависимости от температуры нагрева металла;
• сохранение высоких прочностных характеристик даже при большом нагреве (до 400 градусов);
• устойчивость к динамическим нагрузкам.

Недостатки углеродистой стали:

• при увеличении содержания углерода сталь снижает свою пластичность;
• имеет склонность к расширению под воздействием тепла;
• имеет слабые электротехнические характеристики;
• при нагреве до температуры, превышающей 200 градусов, ухудшает свою режущую способность и снижает твердость;
• податлива к появлению ржавчины, что налагает серьезные требования к стальным изделиям, например, необходимость в нанесении защитного покрытия.

Углеродистая сталь также классифицируется по структуре на три группы:

• доэвтектоидные (в основе их структуры – зерна феррита и перлита, содержание углерода не выходит за показатель 0,8%);
• эвтектоидные (в основе структуры – перлит, содержание углерода – 0,8%);
• заэвтектоидные (содержат вторичный цементит и более 0,8% углерода).

Структура стали определяет ее качественное состояние.

На параметры стали серьезно влияют примеси, которые в ней содержатся. Положительное влияние на металл оказывают кремний и марганец (они повышают податливость раскислению), а негативное – фосфор и сера (они ухудшают его свойства).

Повышенное содержание фосфора становится причиной того, что стальные изделия трескаются и деформируются при воздействии на них холодного воздуха, это называется хладноломкостью. При повышении температуры сталь с фосфором хорошо поддается обработке (сварке, ковке, штамповке).

Стальные изделия с высокой концентрацией серы плохо поддаются обработке под воздействием высоких температур. Это явление называют красноломкостью. Материал по структуре представляет собой сернистые зерна с легкоплавкими границами. Повышение температуры нарушает между ними связи, что приводит к появлению трещин. Параметры углеродистой стали с высоким содержанием серы можно улучшить, если легировать ее при помощи других химических элементов.

Технологии производства

Изготовление углеродистой стали занимается металлургический вид промышленности. Материал получают путем переработки заготовок из чугуна с сокращением содержания серы и фосфора, а также снижение углерода до оптимальной концентрации. Существуют три вида технологий производства сплава:

1. В печах конвертерного типа.

В основе методики был метод Бессемера – продувка жидкого чугуна при помощи воздушных масс. В ходе процедуры углерод окисляется и удаляется из сплава, после этого слитки чугуна становились сталью. В результате в металле оставались фосфор и сера, повышалась прочность, но при этом сталь становилась более пластичной и быстрее старела. Метод перестал использоваться ввиду низкого качества получаемого материала.

Вместо этого, углеродистую сталь стали изготавливать в печах конвертерного типа. Вместо воздуха стали использовать кислород. В результате получается материал, близкий по качеству к сплавам из мартеновских установок.

2. В мартеновских установках.

Применение мартеновских печей подходит для различных марок углеродистой стали. В основе метода лежит выжигание углерода из сплавов чугуна при помощи воздушных масс и за счет добавления руд железа и ржавых металлических изделий. Изготовление происходит внутри установок, к которым подключается прогретый воздух и горючий газ.

В плавильную камеру загружают все необходимое сырье для изготовления углеродистой стали, которое затем нагревается до температуры плавления. Такие камеры могут вмещать до 500 тонн и выдерживать температуры до 1700 градусов. В них происходит выжигание углерода при помощи газовой среды, шлака и расплавленного металла. В результате получается сплав, который вытекает через заднюю стенку установки.

3. В печах, работающих от электричества.

Электродуговые или индукционные печи позволяют изготовить качественную углеродистую сталь практически без примесей, более чистую и жаростойкую. Процесс производства происходит при помощи вакуума, благодаря чему получаются более качественные заготовки.

Данный метод является более дорогим, поэтому используется только при особой необходимости.

Способы улучшения прочностных характеристик

Повышение прочности углеродистой стали любой группы происходит при помощи термической обработки. Одним из наиболее распространенных методов является закалка плазмой. В ходе процедуры на поверхности образуется структура из мартенсита, твердость которого превышает 9,5 ГПа. Данная структура увеличивает устойчивость стали к износу.

Еще один метод улучшения прочностных характеристик стали — химико-термическая обработка. В ходе процедуры сплав нагревается до конкретного показателя, а затем подвергается воздействию химикатов, что позволяет улучшить его параметры. Такая обработка повышает твердость и стойкость металла к износу, а также улучшает устойчивость к образованию ржавчины в кислых и влажных средах. Метод подходит для углеродистой стали любой группы.

Другие параметры классификации

Классификация углеродистых сталей возможна по уровню очищения от вредных примесей. Выделяют такие группы сплавов:

• обыкновенного качества (В);
• качественные (Б);
• повышенного качества (А).

К категории В относят стали, соответствующие определенным механическим характеристикам. Они отличаются более доступной стоимостью, не подвергаются обработке под давлением или термической. Справы категорий А и Б можно подвергать различным деформациям, и для них производитель прописывает состав и все свойства.

Существует классификация по сфере применения:

• конструкционные – используются для изготовления изделий разного назначения;
• инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов.

В маркировке углеродистой стали встречаются обозначения «сп», «пс» и «кп». Они указывают на степень ее окисления и являются еще одной классификацией сплавов:

• «сп» – спокойные сплавы с содержанием до 0,12% кремния, отличаются ударной вязкостью, однородной текстурой и химическим составом; основной недостаток – в менее качественной поверхности изделий;
• «пс» – полуспокойные сплавы с содержанием кремния 0,07–0,12%, которые отличаются равномерным распределением примесей;
• «кп» – кипящие углеродистые стали с содержанием кремния менее 0,07%, которые отличаются неоднородной структурой.

Достоинства кипящих сталей:

• доступная стоимость (за счет незначительного содержания добавок);
• высокая пластичность;
• хорошая обрабатываемость и податливость обработке при помощи пластической деформации.

Маркировка углеродистых сталей

Маркировка углеродистых сталей не особо отличается от требований к обозначению других сплавов. Расшифровка маркировок, как правило, указывается в специальных таблицах.

Буква «У» указывается в начале и обозначает принадлежность сплавов к инструментальным. О качественной группе, к которой относится сталь, указывают обозначения «А», «Б», и «В», они указываются в конце. Количество углерода для материала повышенного качества обозначается в сотых долях процента, а для двух других групп — в десятых долях.

Углеродистые стали нередко маркируются буквой «Г», она стоит после цифр, указывающих на количество углерода. Буква указывает на повышенной содержание марганца в сплаве. Уровень раскисления обозначается как «сп», «пс» или «кп».

Применение углеродистых сталей

Сталь используется во многих сферах, особенно активно в производстве автомобилей. Из нее изготавливают надежные и прочные детали, например корпуса автомобильных элементов, поршни насосов, промышленное оснащение и т.д.

Сплавы с повышенной концентрацией марганца применяются для производства пружин, торсионов и узлов, требующих упругости.

Сталь с низким содержанием углерода применяется при строительстве сооружений и коммуникаций из металла.

Вы можете заказать обработку углеродистой стали любого вида в Череповецком заводе металлоконструкций. Мы занимаемся проектированием, изготовлением и доставкой продукции по всей России. Работа выполняется профессионалами с большим опытом. За ходом процедуры вы сможете наблюдать при помощи онлайн-трансляции из наших цехов.

Преимущества работы с нами:

• гарантия на все изделия от 12 до 24 месяцев;
• высокое качество продукции;
• квалифицированная помощь менеджеров.

У нас есть опыт работы с крупными российскими компаниями. По всем вопросам вы можете обратиться к нашим менеджерам.

Углеродистые и легированные стали

В практике чистое железо не используется, а применяются сплавы железа с углеродом и легирующими элементами: хромом, марганцем, кремнием, никелем, вольфрамом и др.

Подбором химических элементов и их концентрацией, проведением различных видов термической обработки материалов получают необходимые механические характеристики материалов, обеспечивающие не только работоспособность, но и высокую долговечность изделий. Кроме того, можно получить сплавы со специфическими свойствами жаропрочности, коррозийной стойкости, повышенной износостойкости и д.р.

Углеродистые стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь состоит в основном из двух химических элементов (железа и углерода), а легированные – из железа, углерода и специально введенных в сплав легирующих добавок. Механические свойства сталей зависят от содержания углерода (рис.15).

При малом содержании углерода (от 0,05 до 0,3 %) сталь хорошо прокатывается в листы, гнется, штампуется и вытягивается в холодном состоянии, хорошо сваривается и режется кислородом, но практически не закаливается, имеет относительно низкую твердость и износостойкость. Это строительные стали, из них прокаткой изготовляют трубы, листы, сталь угловую, швеллеры, двутавры и другой сортовой прокат, используемый для изготовления строительных конструкций.

Небольшое количество углерода (до 0,0001 %) может помещаться в свободных местах кристаллической решетки, большая же часть углерода находится в химически связанном с железом состоянии – в виде цементита Fe₃C.

Углеродистая сталь представляет собой смесь зерен железа и карбидов железа. Первые называются в металловедении – ферритом, а вторые – цементитом.

Стали с содержанием углерода 0,3…0,8 % называют машиностроительными. Из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3…0,45 % делают валы и оси, а из высокоуглеродистых сталей (0,5…0,8 % углерода) – шестерни, рельсы и др.

Стали, содержащие углерода 0,7…1,3 %, называют инструментальными, из них изготовляют режущий инструмент (сверла, метчики, плашки, резцы и др.). Стали с содержанием углерода 0,3…1,3 % закаливаются и становятся более твердыми и износостойкими; чем больше в этих сталях углерода, тем они становятся тверже и прочнее, но хуже обрабатываются и свариваются. С увеличением прочности и твердости стали снижаются ее вязкость и пластичность. Сталь называется углеродистой (нелегированной) если в ней кроме углерода нет других легирующих элементов. Естественно, в сталях есть примеси химических элементов (сера, фосфор, марганец, кремний и т.д.), которые попали в нее из исходных веществ при производстве стали, т.е. из железной руды, угля, металлолома и чугуна.

При содержании углерода 0,8% (точка S – эвтектоидная точка) сплав железа и цементита носит название перлита. Он имеет слоистое строение зерна; в мягкой основной массе феррита параллельно друг другу располагаются мельчайшие твердые пластинки цементита. Стали с содержанием углерода меньше 0,8 % называются доэвтектоидными, с 0,8 % – эвтектоидными и свыше 0,8 % — заэвтектоидными. У сталей с содержанием углерода 0,8…2,1 % сплав представляет собой механическую смесь перлита и цементита, количество последнего увеличивается с ростом содержания углерода.

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 – невысокая пластичность и ударная вязкость; инструментальные – более высокая твердость; машиностроительные по сравнению со строительными сталями имеют более низкие значения ударной вязкости и пластичности, но повышенные — прочности и твердости.

Стали классифицируются (рис.16, 17) по следующим признакам: по химическому составу (углеродистые и легированные); по назначению (строительные, машиностроительные и инструментальные); по способу производства (мартеновские, бессемеровские, электростали и др.); по качеству (обыкновенные, качественные и высококачественные).

Стали обыкновенного качества 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. С увеличением цифры в марке стали от 0 до 6 несколько возрастает содержание углерода в стали. Индексы Б и В указываются только в марках сталей группы Б и В, а индекс А у сталей группы А опускается.

Имеются разновидности сталей группы А по раскислению (кп, сп, пс) и по содержанию марганца: 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.

У сталей группы В нормируется химический состав и механические свойства: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5 (в отличие 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, БСт1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) не следует применять для строительных конструкций, работающих при низких температурах;

– спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп,…), которые более надежны при низких температурах;

– полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс,…).

В конце марки указываются ее категория (от 1 до 6, причем цифра 1 для стали категории 1 не указывается).

Примеры расшифровки марок сталей обыкновенного качества: сталь Ст2кп3 – сталь обыкновенного качества группы А (нормируются механические свойства), марки Ст2, кипящая, 3-ей категории; сталь ВСт4кп4 – сталь обыкновенного качества, группы В (нормируются механические свойства и химический состав), марки Ст4, кипящая, 4-ой категории.

Качественные углеродистые стали (приложение 3) могут быть с обычным содержанием марганца (05кп, 08кп, …25, …85) и с повышенным (15Г, 20Г, …85Г). Цифра в марке качественных сталей означает содержание углеродав сотых долях %,а индекс Г указывает на наличие марганца (1%). По содержанию углерода стали делятся на: низкоуглеродистые (С 0,5%).

Примеры расшифровки марок качественных сталей: сталь 45- среднеуглеродистая сталь, содержащая 0,45% углерода; сталь 08кп — низкоуглеродистая сталь, содержащая 0,08% углерода, кипящая; сталь 70Г2- высокоуглеродистая сталь, содержащая 0,7% углерода и 2% марганца.

Высококачественные стали содержат меньшее количество вредных примесей (S

Химические элементы образуют с железом химические соединения (FeSi, Fe₃W, FeCr) или твердые растворы замещения. Легирующие элементы (Mn, Ni, Cu, …) 1-й группы (аустенитообразующие) расширяют область g — железа (повышают точку А₄ и снижают А₃), этим самым улучшается закаливаемость сталей, а это приводит к увеличению твердости, прочности и снижению упругости. Легирующие элементы (Al, Si, W, Ti, Mo, Cr) 2-й группы (ферритообразующие) растворяются хорошо в феррите и изменяют его свойства, улучшая механические свойства сплава в целом.

По назначению (рис.17) легированные стали подразделяются аналогично углеродистым сталям на конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами (жаропрочные, нержавеющие и др.).

Арматурные стали изготовляют из углеродистых сталей обыкновенного качества и легированных сталей (приложение 6).

При расшифровке марки стали (табл. 4) по аналогии с вышеприведенными примерами указать легированная или углеродистая сталь, марку и вид стали, содержание химических элементов, степень раскисления, и другие показатели.

Варианты марок сталей.

Дата добавления: 2016-05-11 ; просмотров: 9370 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Углеродистая сталь – высокая прочность

Углеродистая сталь – высокая прочность

Углеродистой сталью называют конструкционную или инструментальную сталь, в состав которой входит железо (до 99%) и углерод (до 2%), при этом в сплаве нет или почти нет легирующих добавок.

Нормы содержания различных химических элементов в сплавах углеродистой стали указаны на изображении ниже:

Виды сплавов углеродистой стали подразделяются по содержанию углерода, качеству и степени раскисления.

Виды углеродистых сталей по содержанию углерода

Углерод – основной элемент углеродистой стали, и его содержание в сплаве может варьироваться в достаточно широких пределах: от 0,25% до 2%.

Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%

Большая часть такого типа стали выпускается в виде холоднокатаных и отожжённых полос и листов. Её свойства варьируются в зависимости от содержания основных химических элементов:

• C до 0,1%, Mn менее 0,4%. Материал обладает высокой способностью к горячей деформации и холодному волочению. Используется при производстве проволоки, очень тонких листов, тары и корпусов автомобилей.
• C от 0,1% до 0,25%. Такой материал более прочен и твёрд, чем описанный выше, а его способность к деформации ниже. Часто применяется для производства деталей с цементируемым поверхностным слоем.
• C около 0,25%, Mn и Al до 1,5%. Материал с высокой вязкостью. Подходит для металлов, предназначенных для ковки, штамповки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов.
• C около 0,15%, Mn менее 1,2%, Pb до 0,3% (или без него), минимальное количество Si. Применяется в массовом производстве на автоматических линиях деталей, которые не предназначены для восприятия серьёзных механических и температурных нагрузок.

Среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,2% до 0,6%

Обычно в таких видах стали содержание марганца находится на уровне 0,6-1,65%. Они подходят для производства продукции, которая будет эксплуатироваться при высоких нагрузках. Могут подвергаться ковке. Подходят для машиностроения.

Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,6% до 2%

С повышением количества углерода до 1% сталь становится более прочной и твёрдой, одновременно снижаются пределы её текучести и пластичности. Дальнейшее увеличение углерода более 1% приводит к началу формирования грубой сетки из вторичного мартенсита, что снижает прочность материала.

Высокоуглеродистая сталь отличается высокой себестоимостью, низкой пластичностью и плохой свариваемостью. Такой материал имеет ограниченную область применения – его применяют для производства режущего инструмента, высокопрочной проволоки.

Виды углеродистой стали по виду и качеству

Углеродистая сталь производится по различным технологиям, что ведёт к их разделению по качественным характеристикам. Различают два вида стали:

• конструкционная;
• инструментальная.

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,65-0,70% углерода (в виде исключения также выпускается конструкционная сталь с содержанием 0,85% углерода). Она достаточно прочная, хорошо сопротивляется удару, а также хорошо обрабатывается.

Конструкционные углеродистые стали широко применяются в промышленности: их применяются для изготовления элементов конструкций машиностроительного и строительного назначения, детали для оборудования, крепёжные детали и многое другое.

Её также делят по качеству на 3 вида:

1. Обыкновенного качества – сталь широкого применения, которая подходит для производства крепёжных деталей, труб, строительных конструкций, листового проката и т.д.
2. Повышенного качества – применяется для изготовления котлов, паровозных и вагонных осей, проволоки и т.д.
3. Качественная – подходит для деталей, требующих высокой пластичности и сопротивления удару, применяемых при повышенном давлении, например, труб, болтов, винтов, зубчатых колёс и т.д.

Инструментальная углеродистая сталь отличается содержание углерода от 0,7% и выше. Такой тип стали твёрдый и прочный, что делает его подходящим для производства инструмента. Подразделяется на качественную (сера 0,03%, фосфор 0,035%) и высококачественную (сера 0,02%, фосфор 0,03%).

Сферы применения инструментальной стали

Виды углеродистой стали по степени раскисления

Степень раскисления – это ещё один фактор, влияющий на разделение углеродистых сталей по типам. Всего их 3 типа: спокойные, полуспокойные и кипящие.

Спокойные стали отличаются более однородной внутренней структурой – их расклисление осуществляется добавлением в расплавленный металл ферросилиция, ферромарганца и алюминия. В составе практически нет закиси железа. Структура мелкозернистая за счёт остаточного алюминия. В итоге получается качественный металл, подходящий для изготовления наиболее ответственных деталей и конструкций. Однако у сплавов этого типа есть существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Кипящие углеродистые стали – более дешёвая, но и менее качественная альтернатива спокойным сплавам. При их выплавке используется минимальное количество специальных добавок, а процесс раскисления в печи не доводится до конца, в результате чего в структуре кипящей углеродистой стали присутствуют растворённые газы, негативно влияющие на её характеристики.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение и по свойствам, и по степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав добавляется небольшое количество раскислителей – благодаря этому металл затвердевает практически без кипения, при этом в нём продолжается процесс выделения газов. В итоге, в структуре полуспокойной углеродистой стали меньше газовых пузырей, чем в кипящей стали. Чаще всего полуспокойные углеродистые стали применяют в качестве конструкционных материалов.

Углеродистые стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь состоит в основном из двух химических элементов (железа и углерода), 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 Fe₃C.

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 с содержанием углерода 0,3…0,8 % называют машиностроительными . Из сталей с содержанием углерода 0,3-0,45 % делают валы, оси, а из высокоуглеродистых сталей (0,5-0,7 % углерода) – рельсы и др.

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,).

В конце марки указываются ее категория (от 1 до 6, причем цифра 1 для стали категории 1 не указывается).

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

Классификация и маркировка углеродистых сталей

Общая характеристика и способы получения сталей и чугунов

Стали и чугуны являются железоуглеродистыми сплавами сложного состава. Помимо железа и углерода в них всегда присутствуют такие примеси, как Mn, Si, S, P и газы (O, N, H). Эти примеси называют постоянными. Кроме постоянных примесей в сталях и чугунах могут также в небольшом количестве содержаться и любые другие – случайные примеси.

Стали отличаются от чугунов более низким содержанием углерода и всех постоянных примесей. В сталях углерода содержится менее 2,14% по массе, а в чугунах – больше 2,14%. Примерный химический состав низкоуглеродистых сталей и передельных чугунов приведён в следующей таблице:

Кристаллизация сталей, согласно диаграмме «железо-цементит», завершается образованием аустенита, а чугунов – механической смеси аустенита и цементита, т.е. ледебурита. По этой причине стали, в отличие от чугунов, являются более пластичными материалами и лучше обрабатываются давлением при нагреве. Однако чугуны имеют более высокие литейные характеристики.

Чугуны получают в доменных печах из железных руд, содержащих железо в виде некоторых химических соединений, обычно в виде окислов. Доменный процесс состоит в восстановлении этих окислов твёрдым углеродом топлива (кокса) и печными газами (в основном СО). Продуктом доменного производства является восстановленное из окислов железо, обогащённое углеродом и постоянными примесями, то есть чугун.

Стали получают в сталеплавильных печах из чугунов. Сущностью процесса передела чугуна в сталь является снижение содержания в сплаве углерода и всех постоянных примесей путём их избирательного окисления и перевода в шлак или газы. В процессе выплавки стали окисляются не только примеси, но и основной компонент сплава – железо. При этом расплав оказывается насыщенным окислами железа FeO, которые могут существенно ухудшить свойства готовой стали. Для уменьшения содержания кислорода в сталях на заключительном этапе их выплавки проводят операцию раскисления. В жидкий расплав вводят Mn, Si и Al, которые более активны к кислороду, чем Fe. В результате окислы железа восстанавливаются, а кислород поступает в шлак. Схема реакций раскисления следующая:

Mn ® MnO шлак

FeO + Si ® Fe + SiO₂

По степени раскисления стали подразделяются на кипящие, спокойные и полуспокойные. Спокойные стали полностью раскислены Mn, Si и Al. Кипящие стали раскислены не полностью (только Mn), и процесс их раскисления продолжается в ковше. При этом кислород, содержащийся в сталях, взаимодействует с углеродом и образуются пузырьки газа СО, которые при бурном выделении создают эффект кипения. Схема этой реакции следующая:

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение.

Влияние углерода и постоянных примесей на структуру

И свойства сталей

Наиболее сильное влияние на структуру и свойства сталей оказывает углерод. Чем больше в сталях углерода, тем больше в их структуре твёрдого и хрупкого цементита и меньше мягкого и пластичного феррита. По этой причине с увеличением содержания углерода возрастает твёрдость сталей, но снижается их пластичность и вязкость. Прочность сталей при повышении содержания углерода до 0,8 – 1 % возрастает, а затем начинает снижаться. Таким образом, наилучшими прочностными характеристиками обладает сталь по составу близкая к эвтектоидной, в структуре которой преобладает перлит. С повышением содержания углерода повышается порог хладноломкости сталей, то есть та температура, при охлаждении до которой, вязкое разрушение сменяется хрупким. (Для ориентира, у стали, содержащей 0,4 % углерода, порог хладноломкости составляет 0° С). С повышением содержания углерода снижается способность сталей к свариванию и к пластичной деформации, особенно при нагреве. Склонность к обработке резанием оптимальная у среднеуглеродистых сталей. При повышенном содержании углерода сталь является слишком твердой и хрупкой, что ведёт к быстрому износу режущего инструмента. При низком содержании углерода сталь, напротив, является слишком мягкой, вязкой и липнет к резцу. Это приводит к шероховатой поверхности резания.

Кремний специально вводят в сталь на заключительном этапе её выплавки с целью раскисления. Si препятствует растворению в стали кислорода в виде соединения FeO, ухудшающего свойства сплава. Обычно Si растворяется в феррите и повышает его прочность. Таким образом, Si в сталях является полезной примесью.

Фосфор попадает в сталь в основном из руды. Он, как и Si, растворяется в феррите, но приводит к снижению его пластических свойств и увеличению хрупкости. Р может скапливаться в сталях и в чистом виде, в виде так называемых сегрегаций, что также способствует увеличению хрупкости стали, особенно при низких температурах. С увеличением содержания Р повышается порог хладноломкости стали. Таким образом Р в сталях является вредной примесью, полностью избавиться от которой не просто.

Сера также является вредной примесью. Она попадает в сталь из руды и золы топлива. В сталях S не растворяется, а образует соединение FeS, которое совместно с железом формирует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988° С, располагающуюся по границам зерен. При повышении температуры сталей до температуры горячего деформирования эта эвтектика размягчается (или проплавляется), что приводит к ломкости сталей. Такое явление называют красноломкостью. Таким образом, S ведёт к красноломкости сталей.

Марганец, как и Si, специально вводят в сталь на этапе раскисления. Он не только оказывает полезное раскисляющее действие, но и препятствует вредному влиянию на сталь серы. Mn более активно взаимодействуя с серой образует соединение MnS, которое совместно с железом формирует эвтектику с температурой плавления 1600°С, которая уже не проплавляется при температурах горячего деформирования. Это и препятствует красноломкости стали. Таким образом, Mn является полезной примесью.

Газы: O, N, H попадают в сталь из атмосферы на этапе её выплавки. Эти газы либо растворяются в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды и т.п.), либо скапливаются в порах в чистом виде. Растворяясь в феррите, они повышают его хрупкость, снижают вязкость. Нитриды, оксиды и тому подобные соединения загрязняют сталь и снижают её прочностные характеристики. Также вредное влияние на сталь оказывают газы, скопившиеся в чистом виде, особенно водород. Водород, скапливаясь в порах под большим давлением, может приводить к внутренним надрывам стали.

Классификация и маркировка углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют по структуре, по качеству, по способу производства, по степени раскисления и по назначению.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали содержат менее 0,8 % углерода и имеют структуру, состоящую из зёрен феррита и перлита. Эвтектоидные стали содержат 0,8 % углерода. Их структурой является перлит, т.е. механическая смесь феррита с цементитом. У заэвтектоидных сталей, содержащих более 0,8 % углерода, в структуре кроме перлита присутствует вторичный цементит, который располагается в виде сетки по границам зёрен перлита.

По качеству стали подразделяют на стали обычного качества и качественные. Качество стали определяется содержанием вредных примесей. Чем меньше в стали вредных примесей, тем выше её качество.

По способу производства стали подразделяют на мартеновские, кислородно-конверторные и электростали. Всё зависит от того агрегата, в котором выплавлялась сталь. По степени раскисления стали делят на кипящие, спокойные и полуспокойные.

По назначению стали подразделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали — это обрабатываемые стали, используемые для изготовления деталей машин или конструкций. Обычно в качестве конструкционных сталей используют доэвтектоидные и эвтектоидные стали. Инструментальные углеродистые стали используют для изготовления ударного, измерительного или режущего инструмента. Обычно в качестве инструментальных сталей используют стали с содержанием углерода от 0,7 до 1,3 % , структура которых улучшена специальной термической обработкой.

Углеродистые стали обычного качества имеют 3 группы поставки: А, Б и В. Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Эти стали используют в состоянии поставки без дополнительной обработки давлением или сварки. Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом, свойства при этом не гарантируются. Такие стали подвергают термообработке или обработке давлением, в результате которых структура и свойства сталей изменяются. Гарантированный химический состав необходим этим сталям для выбора оптимального режима термообработки. Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали используют, главным образом, для изготовления сварных конструкций, в которых часть материала подвергается термообработке, а часть — нет. По этой причине и требуются гарантии на механические свойства и химический состав данных сталей.

Все стали обычного качества маркируют буквами Ст, после которых стоит цифра от 0 до 6. Для сталей группы Б и В вначале марки ставят соответствующую букву. У сталей группы А букву не ставят. В конце марки указывают степень раскисления стали: «кп» – кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная.

Например: Ст3кп — сталь группы А, с номером 3, кипящая.

БСт4пс — сталь группы Б, с номером 4, полуспокойная

Чем выше номер стали группы А, тем лучше её прочностные характеристики. У сталей группы Б с возрастанием номера повышается содержание углерода. У сталей группы В свойства такие же как у сталей группы А, а химический состав такой же как у сталей группы Б соответствующего номера. (Информацию о химическом составе сталей обычного качества и их свойствах можно получить в справочнике).

Маркировка качественных углеродистых сталей зависит от их назначения.

Конструкционные углеродистые стали маркируют цифрами: 0,8; 10; 15; 20 и т.д. до 85. Цифра означает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если сталь содержит повышенное количество Mn (0,8 £ Mn £ 1,2 %), то в конце марки стали ставится буква Г. Степень раскисления стали обозначают буквами «кп» и «пс» в конце марки. Для спокойных сталей степень раскисления не указывают.

Сталь 40 — качественная углеродистая конструкционная сталь, содержащая 0,4 % углерода, спокойная.

Сталь 60Гпс — качественная углеродистая конструкционная сталь, содержащая 0,6% углерода, с повышенным содержанием Mn, полуспокойная

Инструментальные углеродистые стали маркируют буквой У, после которой ставится цифра, означающая среднее содержание углерода в десятых долях процента.

У7 — инструментальная углеродистая сталь, содержащая 0,7 % углерода.

У13 — инструментальная углеродистая сталь, содержащая 1,3 % углерода.