Недостатки простых углеродистых сталей. Влияние углерода на свойства стали. Влияние основных элементов на свойства углеродистых сталей

Углеродистая сталь – это металлургические композиции с низким содержанием добавок и высоким содержанием железа – до 99 ½ %. Этот материал высоко востребован в различных сферах промышленности, чем объясняется его высокая доля в производстве – до 80%. Сегодня разработано около 2 тысяч марок. Структура материала зависит от содержания в нем углерода. Изменяя процентное соотношение можно влиять на такие характеристики, как твердость, текучесть, пластичность и плотность. Критичным является показатель углерода в составе материала в 0,8%.

Относительно этого показателя УС различают:

если С менее 0,8%, в структуре материала присутствует феррит и перлит;
на уровне содержания С (углерода) в 0,8% для материала характерна перлитная структура;
при содержании С более 0,8% в структуре появляется цементит.

Общая тенденция с повышением содержания С выражается в повышении прочности, ударной вязкости и порога хладноломкости, но пластичность проката снижается.

Классификация углеродистых сталей

Кроме классификации по структурным параметрам,их принято различать по технологии получения:

электрические УС;
мартеновские;
кислородно-конвертерные.

По уровню раскисления подразделяют материал:

спокойный;
кипящий;
полуспокойный.

По качеству, в соответствии с наличием и объемам вредных примесей железный сплав бывает:

обычного качества;
качественные стали.

По сфере использования УС бывают:

обычные;
инструментальные;
конструкционные.

По наличию и объемам С в углеродистом железном сплаве материал классифицируют:

высокоуглеродистые стали марки с содержанием С более 0,65%;
среднеуглеродистые – от 0,25 до 0,6%;
низкоуглеродистые стали марки с содержанием С до 0,25%.

Чем выше показатели углерода, тем тверже и прочнее материал, но и выше его хрупкость. Маркировка материала напрямую связана с его назначением:

Обычного качества обозначают условным буквенным обозначением Ст. Далее следуют цифры от 1 до 7, которые показывают содержание С (углерода), кратное 10. Производства железных сплавов этой группы регламентирует ГОСТ380-85. Дополнительно эти материалы принято различать по группе поставок: А, Б и В. Это обозначение указывается перед маркой (группа А не указывается). Для А – стабильны механические свойства, для Б стабильны механический состав, для В стабильны свойства и состав.
Конструкционные УС регламентирует ГОСТ380-88, маркировка осуществляется цифрами: от 08 и до 85. Эти цифры информируют о содержании С (углерода) в материале в сотых долях %. Если железный сплав характеризуется увеличенным содержанием марганца, в конце маркировки указывается Г.
Инструментальные УС регламентирует ГОСТ1435-54 и 5952-51. Этот железный сплав относится к качественным, и маркируется буквой У. Далее следуют цифры, которые показывают объемы углерода в десятых долях %. Существует подгруппа высшего качества, в этом случае обозначение завершается буквой А. Им характерно повышенное содержание углерода.

В обозначении марки принято указывать степень раскисления: пс или кс.

Процент С в составе инструментальной стали обуславливается ее применение. У7 — для изготовления кузнечных молотов, штампов и зубил, У8 идет на изготовления инструментария для работы с камнем и металлом, У9 – оптимален для производства штемпелей и кернеров. Последующие модификации используют для выпуска полотен ножовок, сверл, плашек, резцов.

Отличие углеродистых сталей от легированных

Марки УС различают технологические процессы и использование различных добавок. Так чем отличаются углеродистые стали от легированных, если в эти железные сплавы также добавляются элементы, изменяющие механические, эксплуатационные и технологические параметры:

В состав углеродистых железных сплавов входят железо, углерод и нормальные примеси, которые бывают полезными и вредными. К первым относится марганец и кремний. Вредные примеси – это сера и фосфор.
В состав материала не входят легирующие добавки, которые изменяют свойства, такие как: молибден, титан, вольфрам и другие.
УС не предназначены для специального использования, это общепромышленный материал.
В сравнении с легированными материалами, углеродистые сплавы имеют более низкие технологические и эксплуатационные параметры, в том числе твердость и теплостойкость.

Область применения углеродистых сталей

Сфера применения УС определяется видом. Так, для холодной деформации и горячей ковки используется малоуглеродистая сталь, марки ее отличаются высокой пластичностью. Железные сплавы со средним содержанием углерода немногим отличаются по показателям текучести и пластичности, но его прочность уже выше. Они актуальны для производства элементов конструкций и механизмов, которые будут эксплуатироваться в обычных условиях. УС с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, из них изготавливают различный инструмент и измерительные приборы. УС обычного качества используется на производстве листового материала, швеллеров, прутьев, балок и других изделий. Из нее выполняют элементы машин и металлические конструкции.

Обработка углеродистых сталей

Основными видами обработки УС являются: отжиг, закалка, нормализация, старение и отпуск.

Углеродистые стали обыкновенного качества. Сплав группы А поставляются для изделий, которые не подвергаются обработке. Группа Б – это материалы, которые предназначены для штамповки, ковке, а иногда и температурной обработке. Группа В – это сплавы, которые могут обрабатываться методом сварки.
Сталь углеродистая качественная. Этот материал можно подвергать химикотермической обработке, нормализации, холодной механической обработке, высадке, штамповке и обработке давлением. Особенности технологического процесса зависят от конкретной марки.

Одним из главных преимуществ этого железного сплава является его невысокая стоимость. Именно этот фактор обуславливает широкую применяемость материала.

Углеродистая сталь, марки которой описаны ниже, широко применяется в различных отраслях. Выбор определенной марки углеродистой стали осуществляется, исходя из конкретной цели, в которой она будет использована. Это связано с тем, что каждая марка отличается своими характеристиками.

Классификация стали

Все углеродистые стали, в зависимости от области предназначения, разделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали, и делятся по нескольким параметрам:

Метод раскисления.
Состав химических элементов.
Микроструктура.
Качество.

Согласно основным стандартам, углеродистые стали делятся на:

Конструкционную обычную.
Конструкционную качественную.
Инструментальную качественную.
Инструментальную высокого качества.

Технология изготовления

Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства отличается, в зависимости от применяемого оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:

Конверторные плавильные печи.
Печи мартеновского типа.
Электрические печи.

Конверторные

Конверторные печи осуществляют расплавление всего состава сплава. При таком методе расплавленная масса подвергается обработке техническим кислородом. Для очистки раскаленной массы от разнообразных примесей в нее добавляют известь. Так удается превратить примеси в шлак. Во время производственного процесса активно происходит процесс окисления металла. Это провоцирует выделение большого количества угара.

Изготовление углеродистых сталей в печах конверторного типа имеет существенный недостаток. К нему относится то, что при работе происходит выделение большого количества пыли. Это приводит к необходимости установки дополнительных фильтровальных установок, что влечет за собой затраты денежных средств. Несмотря на это, конверторный метод имеет высокую производительность, и широко применяется в металлургии.

Мартеновские

Получение различных марок углеродистой стали с использованием печей мартеновского типа дает возможность получить конечный продукт высокого качества. Производственный процесс происходит следующим образом:

В специализированный отсек печи загружаются составляющие сплава: чугун, стальной лом и т. д.;
Весь состав нагревается до высокой температуры;
Под воздействием температуры все составляющие превращаются в однородную раскаленную массу;
При плавлении происходит взаимодействие всех компонентов сплава железа и углерода;
Материал, получившийся в результате химического взаимодействия, выходит из печи.

Электрические

Способ получения различных марок углеродистой стали в электрических печах отличается от вышеперечисленных. Его отличие состоит в способе нагрева состава. Применение электричества для разогрева компонентов снижает окисляемость металла. Это значительно уменьшает количество водорода в составе металла, что улучшает структуру сплава и влияет на качество окончательного продукта.

Использование стали

Углеродистая сталь различных марок используется для изготовления конструкций во многих отраслях. В зависимости от области применения продукции, используются определенные марки.

Обычного качества

Количество посторонних примесей, находящихся в готовой продукции, регламентировано ГОСТ 380-2005. Углеродистая сталь обычного качества используется для производства:

Ст0 – обшивки, арматуры и т. д.;
Ст1 – швеллеров, тавровых и двутавровых балок. Отличается низкой твердостью, но хорошей вязкостью;
Ст2 – частей неответственных конструкций. Является высокопластичным материалом;
Ст3 – металлопроката, применяемого для возведения строительных конструкций, кузова, дисков автомобильной техники и т. п.;
Ст5 – болтов, гаек, рычагов, пальцев, осей и т. д.;
Ст6 – деталей повышенной прочности для деревообрабатывающих и металлообрабатывающих станков.

Качественная

Из марок качественной стали изготавливают:

Трубы и детали, которые применимы в котлостроении.
Изделия с высокой пластичностью – болты, гайки и др.
Детали, предназначенные для создания свариваемых конструкций.
Различного рода патрубки, пальцы, оси.
Шестерни, муфты сцепления грузовых автомобилей, автобусов и другой техники.
Пружинные шайбы, кольца.

Инструментальная

Углеродистые инструментальные стали разных марок имеют повышенную прочность, и большой показатель ударной вязкости. Они применяются для создания всевозможных инструментов и сменных элементов. При производстве изделия подвергаются многократному воздействию высокой температуры, что улучшает их физические свойства. Изделия устойчивы к быстрому изменению температуры, и имеют высокую устойчивость к коррозии.

Маркировка стали

Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:

Группа А. К ней относятся сплавы, соответствующие строго заданным механическим свойствам;
Группа Б. Стали этой группы четко соответствуют по химическому составу;
Группа В. Продукция этой группы должна соответствовать механическим, физическим и химическим свойствам одновременно.

У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Цифра в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Обозначение типа сплава следующее:

КП – кипящий;
ПС – полуспокойный;
СП – спокойный.

Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то буква не проставляется.

Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:

Ст0 – зеленая полоса + красная.
Ст1 – одна желтая + одна черная.
Ст3Гсп – коричневая + синяя.
Ст3 – красная.
Ст4 – черная.
Ст5Гпс – коричневая + зеленая.
Ст5 – зеленая.
Ст6 – синяя.

Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца.

Категории качественной стали

Качественные стали разной маркировки можно разделить на несколько категорий:

08пс, 08кп – имеют высокую пластичность. Хорошо подходят для холодной прокатки;
От 10 до 25 – используется для горячей штамповки или прокатки;
От 60 до 85 – применяется для выполнения ответственных конструкций, таких как рессоры, пружины, муфты сцепления;
30, 50, 30Г, 50Г – повышенной прочности, выдерживающие большие нагрузки.

Исключения в обозначениях

Качественные стали имеют некоторые исключения в обозначениях. К ним относятся:

15К, 20К, 22К – применяются в строении котлов;
20-ПВ – имеет в своем составе 0.2 процента углерода и медь с хромом. Из нее выполняются трубы для систем отопления;
ОсВ – содержит добавки никеля, хрома и меди. Из нее изготавливают оси железнодорожных вагонов;
А75, АСУ10Е, АУ10Е – применима для деталей в часовых механизмах.

Из вышеперечисленного следует, что перед использованием изделия из углеродистой стали необходимо обратить внимание на его маркировку. Так можно определить его физико-химические свойства и область предназначения. Зная значение маркировки металлической продукции, не возникнет трудностей при подборе конкретного вида для любых целей.

Благодаря своим прочностным характеристикам и доступной цене углеродистая сталь является весьма распространенным сплавом. Его главные элементы - это железо и углерод с минимумом присесей. Из углеродной стали производят различную машиностроительную продукцию, детали трубопроводов и котлов, инструменты. В строительстве сплавы тоже нашли широкое применение.

Основные характеристики

В зависимости от основного своего назначения углеродистые стали делятся на инструментальные и конструкционные, легирующих элементов в их составе практически нет. От обыкновенных стальных сплавов они отличаются еще и тем, что имеют в составе значительно меньше базовых примесей: марганца, магния, кремния. Содержание главного элемента - углерода - варьируется в довольно широких пределах . В составе высокоуглеродистой стали содержится 0,6−2% C, среднеуглеродистой - 0,3−0,6%, низкоуглеродистой - до 0,25%.

Основной элемент определяет свойства и структуру. Во внутренней структуре сплавов с менее чем 0,8% C (сталь доэвтектоидная) - преимущественно перлит и феррит, а при увеличении концентрации главного элемента формируется вторичный цементит.

Представленные стали с преобладанием ферритной структурой высоко пластичны и имеют низкую прочность. Если в структуре преобладает цементит , металл характеризуется высокой прочностью, однако и большой хрупкостью. При повышении содержания C до 0,8−1% растет прочность и твердость, но сильно ухудшается вязкость и пластичность.

Количественное содержание углерода сказывается на технологических характеристиках, в частности, на свариваемости, легкости обработки резанием и давлением.

Из низкоуглеродистых сталей изготавливают детали и конструкции, не предназначенные для значительных нагрузок.
Характеристики среднеуглеродистых сталей делают их основным конструкционным материалом, который используется в производстве конструкций и деталей для транспортного и общего машиностроения.
Высокоуглеродистые сплавы оптимальны для изготовления деталей, которые должны иметь повышенную износостойкость, в производстве измерительного и ударно-штампового инструмента.

Металл, как и иные стальные сплавы, в составе содержат примеси:

кремний;
фосфор;
марганец;
азот;
серу;
водород;
кислород.

Кремний и марганец - это полезные примеси, которые вводятся в состав на стадии выплавки для раскисления. Фосфор и сера - вредные примеси , ухудшающие качественные характеристики сплава.

Считается, что легирование и углеродистые виды несовместимы, тем не менее с целью улучшения их технологических и физико-механических характеристик может выполняться микролегирование с помощью добавления различных добавок:

бора;
титана;
циркония;
редкоземельных элементов.

С их помощью не удастся превратить металл в нержавейку, но значительно улучшить свойства получится.

Классификация по степени раскисления

На разделение на типы влияет, в частности, степень раскисления. В зависимости от этого параметра наши сплавы делят на полуспокойные, спокойные и кипящие.

Более однородную внутреннюю структуру имеют спокойные стали, чье раскисление достигается путем добавления в расплавленный металл алюминия, ферросилиция и ферромарганца . Благодаря тому, что сплавы нашей категории полностью раскислились в печи, в их составе отсутствует закись железа. Остаточный алюминий, препятствующий росту зерна, обеспечивает мелкозернистую структуру. Она и практически абсолютное отсутствие растворенных газов позволяет получить качественный металл для изготовления из него самых ответственных деталей и конструкций. Наряду с плюсами у спокойных сплавов есть большой минус - достаточно дорогая выплавка.

Есть более дешевые, хотя и менее качественные, углеродистые сплавы, при выплавке которых используют минимум специальных добавок. В структуре такого металла из-за того, что процесс раскисления в печи не довели до конца , есть растворенные газы, негативно отражающиеся на характеристиках. Азот, например, плохо влияет на свариваемость и провоцирует образование трещин в области шва. Развитая ликвация в структуре сплавов приводит к тому, что металлопрокат, сделанный из них, отличается неоднородностью по структуре и механическим характеристикам.

У полуспокойных сталей промежуточное положение по свойствам и степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав их вводится немного раскислитилей, благодаря которым затвердеванием металла происходит практически без кипения , но выделение газов в нем продолжается. В результате получается отливка, в структуре которой меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Эти внутренние поры при последующей прокатке металла завариваются практически полностью.

Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется как конструкционные материалы.

Производство и деление по качеству

Углеродистые стали получают путем использования разных технологий. Различают:

качественные углеродистые стали;
высококачественные стальные сплавы;
углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Сплавы обыкновенного качества получают в мартеновских печах, а из них формируются большие слитки. К плавильному оборудованию, использующемуся для получения таких сталей, относятся, в частности, кислородные конвертеры. В сравнении с качественными стальными сплавами, в металле может содержаться много вредных примесей, что отражается на характеристиках и стоимости производства.

Сформированные и застывшие слитки прокатывают горячими или холодными. Горячей прокаткой получают сортовые и фасонные изделия, тонколистовой и толстолистовой металл, широкие металлические полосы. Холодной прокаткой получают тонколистовой металл.

Для производства качественной и высококачественной стали используются мартеновские печи и конвертеры, а также плавильные печи, которые работают на электричестве.

К составу, а именно к наличию в структуре вредных и неметаллических примесей, ГОСТ предъявляет жесткие требования. В высококачественных сталях должно быть не более 0,04% серы и не более 0,035% фосфора . Высококачественные и качественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу выплавки и характеристикам имеют повышенную чистоту структуры.

Применение и маркировка

Инструментальные сплавы, в которых 0,65−1,32% C, используются для изготовления различного инструмента. Для улучшения механических свойств инструментов делают закалку материала изготовления.

Из конструкционных сплавов делают детали для разного оборудования, элементы конструкций строительного и машиностроительного назначения, крепежные детали и прочее. Из конструкционной стали делается проволока углеродистая, которая используется в быту , в производстве крепежа, в строительстве, для изготовления пружин. После цементации конструкционные сплавы успешно используются в производстве деталей, подвергающихся при эксплуатации серьезному поверхностному износу и испытывающих большие динамические нагрузки.

Маркировка говорит о химическом составе сплава и о его категории. В обозначении углеродистой стали обыкновенного качества есть буквы «ст». ГОСТ оговаривает семь условных номеров марок (0−6), также указывающихся в обозначении. Степень раскисления обозначают буквы «кп», «пс», «сп», проставленные в конце маркировки. Марки высококачественных и качественных сталей обозначаются цифрами, которые указывают на содержание в сплаве C в сотых долях процента.

О том, что сплав инструментальный, можно понять по букве «У» в начале маркировки. Цифра, следующая за этой буквой, говорит о содержании C в десятых долях процента. Литера «А», если таковая присутствует в обозначении инструментальной стали, указывает на улучшенные качественные характеристики сплава.

Стали с повышенным содержанием углерода могут быть менее склонными к образованию структур малой пластичности. При воздействии структурных и сварочных напряжений металл малой пластичности может разрушиться. Этому способствует наличие в нем и его сварочном шве диффузионного водорода. Для предупреждения появления холодных трещин применяются способы, позволяющие устранить факторы, способствующие появлению таких недостатков.

Углеродистая сталь востребована разнообразными предприятиями, из нее изготавливают детали для машиностроения, несущие конструкции, всевозможные инструменты и другие предметы.

1

Углеродистые стали (УС) представляют собой металлургические низколегированные композиции, содержащие до 99,5 % железа. В них также вводятся в строго дозированных количествах различные добавки. Последние обуславливают особые эксплуатационные, технологические и механические свойства интересующих нас сплавов. От общего количества сталей, выплавляемых на металлургических предприятиях, на долю углеродистых композиций приходится порядка 80 %. Сейчас известно более двух тысяч марок таких сплавов. По сфере применения все они делятся на конструкционные, инструментальные и стали обыкновенного качества.

Углеродистая сталь

Их структура зависит от процентного содержания углерода. Изменяя его количество, можно придать готовой композиции заданные свойства (текучесть, плотность, пластичность, твердость). Если углеродистая сталь содержит менее 0,8 % углерода, ее структура включает в себя перлит и феррит. В сплавах с углеродом более 0,8 % обязательно присутствует цементит (вторичный). А вот низколегированная сталь с содержанием интересующего нас элемента на уровне 0,8 % имеет перлитную структуру. Прочность сплава, его ударная вязкость и порог хладноломкости повышаются при увеличении содержания углерода в нем. Но при этом фиксируется снижение пластичности проката.

Углеродистые стали подразделяют на три типа в зависимости от своего химсостава. Они могут быть низко-, средне- и высокоуглеродистыми. В первых углерод присутствует в малых количествах (до 0,25 %). Такие композиции хорошо деформируются (их плотность сравнительно мала) и в горячем состоянии, и в холодном, обладая высокой степенью пластичности. В среднеуглеродистом прокате углерода имеется 0,3–0,6 %. Эти сплавы характеризуются неплохой текучестью и пластичностью и при этом достаточной прочностью. Чаще всего они используются для строительных и иных конструкций, которые эксплуатируются в обычных условиях.

Всевозможные измерительные приборы и инструменты повышенной прочности делают из высокоуглеродистых (0,6–1,4 %) сплавов. Они имеют повышенную плотность и ряд уникальных характеристик (их обуславливает особая структура выплавляемой стали). Таким образом, область применения углеродистых композиций зависит от их химического состава и непосредственно от назначения конкретной марки стали. Позже поговорим об этом подробнее.

2

Кроме углерода, в УС всегда имеются включения других химических элементов. К таковым относят кислород, водород, фосфор, марганец, азот, серу, кремний. От количества этих примесей зависит плотность готового проката и другие его механические свойства. Марганец дает возможность выполнять раскисление УС. Поэтому его специально добавляют в любой сплав. Под раскислением понимают важную и полезную операцию – удаление вредных продуктов закиси железа. За счет введения марганца структура металла становится более качественной. Он обеспечивает растворение сернистых веществ в цементите и феррите.

Трубы из углеводородистой стали

Аналогичную функцию выполняет и кремний. Он отлично раскисляет металлургические композиции. Их структура благодаря этому обретает требуемую упорядоченность. Здесь стоит отметить, что кремний полностью растворяется в феррите. Лишь небольшая его часть иногда остается в виде силикатов в углеродистых сплавах. Низколегированная сталь при этом не теряет своих стандартных характеристик. Негативное воздействие на свойства УС оказывает сера и фосфор. Первая попадает в металл из печных газов и из руды. Сера снижает плотность проката (усредненный ее показатель равняется 7,8 г/куб. см) и делает сплав хрупким. По этой причине ее содержание в УС должно контролироваться и корректироваться. В качественном углеродистом прокате серы не может быть более 0,04 %, в обыкновенном – более 0,03.

Фосфор попадает в сталь из флюсов и железной руды. При большом содержании данного элемента прокат становится хрупким. Это приводит к хладноломкости сплава, что недопустимо. В настоящее время фосфор без проблем удаляется из металлургических углеродистых композиций, применение которых требует минимального содержания этой примеси. Углеродистые и легированные стали в незначительных объемах содержат азот, водород, кислород. Их количество зависит от вида металлургического производства (конвертерный, мартеновский процесс, выплавка в электрических агрегатах). Азота и водорода в прокате может быть от 0,0001 до 0,0007 %, кислорода – от 0,002 до 0,03 %.

Чрезмерное содержание таких примесей становится причиной увеличения предела хладноломкости сплавов. Они могут снижать ударную вязкость стали. Особенно опасен переизбыток водорода. Он может привести к появлению флокенов – надрывов в готовом прокате. При их наличии структура и свойства металла ухудшаются.

3

Обычная углеродистая сталь изготавливается в виде балок, прутьев, листьев и швеллеров. Ее свойства позволяют применять сплавы обыкновенного качества в машиностроительной отрасли и в строительной сфере в качестве надежных опорных изделий. Маркируются обычные стали буквами Ст и цифрой от 0 до 6. Последние указывают на прочность сплава. Чем большая цифра стоит в маркировке, тем более прочной является сталь. Обозначение УС также включает в себя методику раскисления металлургической композиции. С этой точки зрения сплавы могут быть:

кипящими (маркировка – КП);
полуспокойными (ПС);
спокойными (СП).

Изделия из прочной стали

Кроме того, обычные по качеству углеродистые стали делят на подвиды А, Б и В. Сплавы группы А нельзя использовать для производства сварных конструкций. Эти стали не регламентируются по химическому составу. Их основным показателем принято считать механические свойства. Сплавы Б-подвида имеют строго определенный химсостав. При этом их механические свойства могут изменяться. Изделия из сталей группы Б допускается подвергать термической обработке, ковке, штамповке. Самыми дорогими (и, конечно же, качественными) являются сплавы В-подвида. Их химсостав и механические свойства четко соответствуют требованиям Госстандартов. За счет особых характеристик таких сталей их разрешается сваривать без ограничений (по разным технологиям).

Конструкционные УС поставляют в виде разнообразных полуфабрикатов, включая различные варианты поковок и проката. Такие качественные углеродистые стали имеют мало неметаллических примесей и негативно влияющих на свойства стали элементов (серы и фосфора). Поэтому их характеристики (механические и химические) являются строго гарантированными. Обозначаются конструкционные качественные сплавы числами, состоящими из двух цифр – 45, 20, 08, 85 и так далее. Этот код указывает содержание (в сотых частях процента) углерода в готовом прокате. Если перед нами сталь с маркировкой 45, несложно понять, что углерода в ней около 0,45 %. Конструкционные УС идеально подходят для производства широкой номенклатуры машиностроительных изделий. Важно! Начальные свойства таких сплавов (эксплуатационные и прочностные) легко повышаются посредством проведения их термической обработки.

Находят применение при изготовлении инструмента для обработки древесины, матриц, фрез, пневматического инструмента, плашек, сверлильных приспособлений, кусачек, плоскогубцев и аналогичных инструментов. Также из них делают ножовочные полотна, напильники, измерительные механизмы. Маркируются инструментальные сплавы литерой У, цифрами, указывающими на количество углерода (десятые части процента), а также дополнительной буквой А (ставится в конце обозначения стали, если речь идет о прокате высокого качества). Если перед вами сплав с маркировкой У13А, сразу можно понять, что вы имеете дело с инструментальной высококачественной сталью с углеродом 1,3 %.

4

При колебаниях температуры от +20 до +900° плотность рассматриваемых сталей практически не изменяется. Эта величина находится в пределах 7,7–7,9 г/куб.см. По сути, плотность УС аналогична показателю плотности железа. Это логично, ведь основу любого углеродистого сплава составляет именно оно. Изменить плотность, а также свойства и структуру УС позволяет их термообработка. Под такой операцией понимают нагрев сплава, а затем его охлаждение.

Термообработка стали

Термическая обработка углеродистых сталей бывает следующих видов:

отжиг;
отпуск;
закалка;
нормализация.

Применение позволяет получить сплавы со структурой, мало чем отличающейся от равновесной. Такая операция осуществляется по простой схеме: нагрев металла до определенной температуры и его выдержка в течение заданного времени, а затем охлаждение проката (оно происходит, как правило, вместе с печью на протяжении относительно длительного временного отрезка). Закалка углеродистой стали производится аналогичным образом. Но охлаждается нагретый металл в данном случае с заданной (достаточно быстрой) скоростью. Она подбирается металлургами так, чтобы готовый прокат получил полностью мартенситную структуру. При закалке обязательным является применение специальных масел, соляных растворов либо воды. Эти жидкости обеспечивают быстрое охлаждение УС.

Отпуск дает возможность получить прокат с определенными свойствами. Он применяется только для закаленных ранее сплавов. Отпуск обеспечивает снятие напряжений (внутренних) в металле и повышение его механических параметров. Углеродистая сталь, кроме того, может подвергаться нормализации (нагрев, выдержка и остывание естественным путем на открытом воздухе). Такой процесс не относят к основным типам термообработки. Он, скорее, представляет собой подвид стандартной закалки или отжига.

Содержит небольшое количество марганца (Mn), кремния (Si), серы (S) и фосфора (Р).

Стали подразделяют:

по назначению - на конструкционные и инструментальные;
по способу производства - на мартеновские, выплавляемые в мартеновских печах; бессемеровские, получаемые в конвертерах, имеющих футеровку из кислых материалов; томасовские, получаемые в конвертерах с футеровкой из основных материалов, и электросталь, выплавляемую в дуговых или индукционных высокочастотных печах;
по химическому составу - на углеродистые и легированные.

Легированные стали кроме углерода содержат повышенное количество марганца (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), вольфрам (W), ванадий (V) и других элементов, которые придают этим сталям особые свойства, например, повышенную прочность и твердость, коррозионную стойкость.

Для изготовления сварных конструкций большое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая по ГОСТ 380. Углеродистая обыкновенного качества сталь в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

группа А - поставляемая по механическим свойствам;
группа Б - поставляемая по химическому составу;
группа В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей:

стали группы А подразделяют на три категории - Al, А2, A3;
стали группы Б - на две категории - В1 и Б2;
стали группы В - на шесть категорий - Bl, В2, ВЗ, В4, В5, В6.

Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б - марки БСт0, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способами. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается. Если сталь относится к кипящей, ставится индекс "кп", если к полуспокойной - "пс" и спокойной - "сп".

По видам проката сталь бывает листовая, широкополосная, сортовая (полосовая, круглая и др.), фасонная (швеллер, уголок, двутавр). Арматурная сталь в зависимости от технологии изготовления подразделяется на стержневую и проволочную арматуру, а в зависимости от профиля - на гладкую и периодического профиля. Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций.

Качественные стали по ГОСТ 1050-88 маркируют двухзначными цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т. д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10, 0,15, 0,20% углерода.

Сталь по ГОСТ 1050-88 изготовляют двух групп:

группа I-с нормальным содержанием Мn (0,25-0,80%);
группа II-с повышенным содержанием Мn (0,70-1,2%). При повышенном содержании марганца (Мn) в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание Мn.

Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются легирующими. Легированные стали подразделяют в зависимости от содержания легирующих элементов на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%). Легированные стали маркируют цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой входит в состав стали, а стоящие за ней цифры - среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Влияние основных элементов на свойства углеродистых сталей

низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% С;
среднеуглеродистые - от 0,25 до 0,6% С и
высокоуглеродистые - свыше 0,6% С.

С увеличением содержания углерода повышается предел прочности стали, твердость и хрупкость при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости. Содержание углерода в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25% не ухудшает свариваемости стали. При более высоком содержании углерода стали ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Повышение содержания углерода в присадочном металле вызывает пористость шва.

Марганец содержится в стали в пределах 0,3- 0,8%, в указанных пределах марганец (Мn) не затрудняет процесс сварки. При сварке среднемарганцовистых сталей с содержанием 1,8-2,5% Мn возникает опасность появления в связи с тем, что марганец (Мn) способствует закаливаемости стали.

Кремний содержится в низко- и среднеуглеродистой стали в пределах 0,02-0,35%, в указанных пределах он не вызывает затруднений при сварке. При содержании кремния (Si) в специальных сталях от 0,8 до 1,5% затрудняется из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния (Si).

Сера является вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое , называемое сернистым железом. Сталь с примесью S дает в нагретом состоянии, т. е. становится красноломкой. Содержание S в стали не должно превышать 0,055%. Свариваемость стали с повышением содержания S резко ухудшается.

Фосфор также является вредной примесью в стали. Содержание Р в стали не должно превышать 0,05%, он образует с железом химическое соединение - фосфористое железо. Фосфор увеличивает твердость и хрупкость стали, вызывает хладноломкость, т. е. появление трещин в холодном состоянии.

Ванадий в легированных сталях содержится в пределах 0,2-0,8%. Он способствует закаливаемости стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки V активно окисляется и выгорает.

Вольфрам в легированных сталях содержится в пределах от 0,8 до 18%. W увеличивает твердость стали и затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.

Никель в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах 0,2-0,3%, в конструкционных - от 1 до 5% и легированных - от 8 до 35%. В стали никель (Ni) увеличивает пластические и прочностные свойства, свариваемости не ухудшает.

Молибден ограничивается содержанием в стали от 0,15 до 0,8%. При сварке молибден (Мо) способствует образованию трещин, активно окисляется и выгорает.

Хром в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,3% конструкционных - 0,7-3,5%, легированных хромистых сталях - 12-18% и хромоникелевых - 9-35%. Сr затрудняет сварку, так как в процессе сварки образует тугоплавкие хрома.

Титан и ниобий в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях при сварке соединяются с С, препятствуя образованию карбидов хрома. Этим титан (Ti) и ниобий (Nb) улучшают свариваемость.

Медь в сталях содержится в пределах 0,3-0,8%; Си улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и коррозионную стойкость стали.

Кислород содержится в сталях в виде оксида железа, который растворяется в чистом расплавленном железе в количестве до 0,5, что соответствует содержанию 0,22% О 2 . Растворимость оксида железа в стали уменьшается с повышением содержания С. ухудшает свариваемость стали, снижает ее прочностные и пластические свойства.

Азот растворяется в расплавленном металле, попадая в сварочную ванну из окружающего воздуха. При охлаждении сварочной ванны N 2 образует химические соединения с железом (нитриды), которые повышают прочность и твердость и значительно снижают стали.

Водород - вредная примесь в стали, скапливается в отдельных местах сварочного шва, при сварке вызывает появление и мелких трещин.