Классификация углеродистых сталей

Углеродистыми сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % С. Существует несколько систем классификации сталей. Углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали содержат до 0,65 % С, инструментальные - более 0,65 % С.

Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали подразделяются на следующие группы.

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на низкоуглеродистые до 0,25 % С, среднеуглеродистые – 0,3…0,5 % С, высокоуглеродистые - > 0,50 % С.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные при содержании углерода до 0,8 % С, эвтектоидные – 0,8 % С и заэвтектоидные – более 0,8% С.

Углеродистые стали, как наиболее дешевые, технологичные и имеющие достаточно высокий комплекс механических свойств, применяются для металлоконструкций общего назначения, используются в строительных конструкциях, для изготовления деталей в машиностроении и т.д. Стали углеродистые поставляются по ГОСТ 380-94 (Стали обыкновенного качества), ГОСТ 1050-88 (Прокат из углеродистой качественной конструкционной стали).

По назначению стали подразделяются на стали общего и специального применения. К сталям специального назначения относятся автоматные, котельные, строительные, стали для глубокой вытяжки.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

По способу производства стали подразделяют на деформируемые стали и на литейные.

Согласно диаграмме железо - углерод, к сталям относят сплавы железа с содержанием углерода, менее 2,14% (все сплавы левее точки Е). Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания, углерод оказывает заметное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита. При содержании до 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8 % С в структуре стали кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит. Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, однако, уменьшается вязкость и пластичность стали. Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8 - 1,0 %. При увеличении содержании углерода в стали более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных колоний, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает также существенное влияние на технологические свойства стали - свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением. Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются, и имеют высокую обрабатываемость давлением.

Кроме железа и углерода (основных компонентов) в сталях содержатся технологические добавки (марганец, кремний) и примеси, главными из которых, наиболее вредными, являются сера и фосфор.

Марганец и кремний вводят в сталь при раскислении, они упрочняют железо. Марганец увеличивает прокаливаемость (возможную глубину закаленного слоя) сталей, а также уменьшает вредное влияние серы. Содержание вредных примесей - серы и фосфора регламентируется стандартами. Основным источником серы и фосфора в стали является исходное сырье - чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также приводит к красноломкости стали при прокатке и ковке. Она образует с железом соединение FeS - сульфид железа. При нагреве стальных заготовок до температуры горячей деформации включения FeS вызывают в стали хрупкость, а в результате оплавления при деформации образуют надрывы и трещины. Фосфор, растворясь в железе, уменьшает его пластичность.

Содержание марганца в сталях обычно, колеблется в пределах от 0,25 до 0,8%. В сталях обыкновенного качества содержание марганца зависит от содержания углерода. В сталях Ст1, Ст2 марганец содержится в количестве 0,25 - 0,50%; в Ст3, Ст4 - от 0,30 - 0,60% до 0,40 - 0,70%; в Ст5, Ст6 - 0,5 - 0,8%. Кроме того ГОСТ 380-94 предусматривает стали с повышенным содержанием марганца Ст3Гпс и Ст3Гсп (0,8 - 1,1%).

Кремний - один из основных раскислителей сталей. Его содержание в сталях колеблется от допустимой примеси (до 0,05%) до 0,30 - 0,37%. Согласно ГОСТ 380-94, кипящие стали содержат кремний в количестве, менее 0,05%, спокойные -0,15 - 0,30%, полуспокойные 0,05 - 0,15%.

Сера и фосфор - основные, наиболее вредные примеси в сталях. Массовая доля серы в стали всех марок по ГОСТ 380-94, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора - не более 0,040 %, в стали марки Ст0: серы - не более 0,060 %, фосфора - не более 0,070 %. Кроме того, вредными примесями в сталях являются кислород, водород и азот. Их присутствие вызывает понижение пластичности.

Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, снижают вязкость и пластичность стали. Повышенное содержание водорода охрупчивает сталь и приводит к образованию внутренних трещин - флокенов.