Как определить углеродистую сталь

Обновлено: 22.01.2025

Наверняка все слышали про углеродистые стали, но редко кто различает их виды, поэтому именно классификация и станет предметом разговора в этой статье. Мы также научимся расшифровывать маркировку, ведь только так можно определить качество предметов и инструментов, сделанных из этого материала.

1 Характеризуем углеродистую сталь

Сталь состоит из двух компонентов – железа (Fe) и углерода (С). Также в составе присутствуют добавки, но когда доля примесей сведена к минимуму, то речь идет об углеродистых сплавах. Этот тип делится на низко-, средне- и высокоуглеродистые. В первом случае в составе присутствует менее 0,2% С, во втором 0,2–0,6%, а в третьем содержание углерода достигает 2%.

К достоинствам материала стоит отнести приемлемую цену в сочетании с довольно неплохими характеристиками. Углеродистые стали пластичны и прекрасно подвергаются обработке независимо от температуры нагрева. Еще к плюсам можно отнести отличную свариваемость. Этот материал остается прочным даже при 400 °C и не боится динамических нагрузок. Штампуемость ухудшается с повышением количества углерода.

Недостатков тоже хватает:

при нагреве более 200 °C страдает твердость и режущая способность;
сплав склонен к коррозии, поэтому нуждается в защитном покрытии.
электротехнические свойства на низком уровне.
материал склонен к тепловому расширению.

Изменение содержания С в материале приводит к структурным превращениям, на основе этого может выделяться еще одна классификация.

В доэвтектоидных сплавах доля С не превышает 0,8%. Для такого материала характерна структура, состоящая из зерен феррита и перлита. Причем с увеличением С преобладает перлит, а вторая структурная составляющая стремится к минимуму. В эвтектоидных сталях (0,8% С) соответственно остается один перлит. А вот дальнейшее увеличение в составе углерода приводит к появлению вторичного цементита. Последние сплавы называются заэвтектоидными.

На свойства углеродистых сталей влияет и доля постоянных примесей. К полезным добавкам относятся кремний и марганец. Эти элементы способствуют раскислению сплава, а вот содержание фосфора с серой наоборот. Повышенное содержание Р приводит к хладноломкости, т.е. заготовка растрескивается и ломается во время холодной обработки. Однако в нагретом состоянии сплав можно подвергать обработке (ковке, сварке и т. д.).

Сера вызывает красноломкость. Этот дефект характеризуется плохой обрабатываемостью материала при термическом воздействии. Сернистое железо образует эвтектику с Fe, которая распределяется по краям зерен, и с повышением температуры она начинает плавиться. В результате нарушается связь между зернами и образуются трещины. Чтобы улучшить технологические показатели углеродистых сталей, можно провести микролегирование цирконием, титаном и бором.

В зависимости от содержания С значительно изменяются свойства углеродистых сталей. С его увеличением до 1% возрастает твердость и предел прочности. При этом пластичность и предел текучести, напротив, ухудшаются. А вот если количество С будет превышать 1%, то это может негативным образом отразиться на прочности. Дело в том, что в структуре материала возможно образование грубой сетки вторичного мартенсита, которая способствует снижению прочности. Поэтому содержание С даже в высокоуглеродистых сталях на практике обычно не превышает 1,3%.

2 Способы получения такого сплава

Прежде чем предметом разговора станет классификация и маркировка на углеродистых сталях, уделим несколько минут особенностям изготовления. Существует три основных способа выплавки этого материала, которые отличаются главным образом типом оборудования. Огромной популярностью пользуются конвертерные установки. Это специальные печи, в которых и плавят все составляющие, а именно чугун и лом. Особенностью такого способа можно назвать дополнительную обработку сплава техническим кислородом.

Когда необходима ошлакование примесей, добавляют обожженную известь. К недостаткам такого метода относится большое пылеобразование, вызванное обильным окислением железа, а угар достигает 9%. Поэтому целесообразно устанавливать специальные пылеочистительные установки, что несколько усложняет процесс и повышает себестоимость продукции. А вот производительность находится на весьма высоком уровне.

Следующий тип оборудования, пользующийся не меньшей популярностью, это мартеновские печи. В плавильную камеру загружают сырье (чугун, стальной лом и т. д.) и нагревают. В результате сложных физико-химических взаимодействий компонентов, шлака и газовой среды получается готовая сталь, которую выпускают через отверстие в задней стенке.

Также получить этот сплав можно и с помощью электрических печей. Достоинства этого метода: отсутствие загрязнений и окислительной среды, чего нельзя добиться в предыдущих способах. Из-за меньшего содержания водорода электросталь реже поражается флокенами. Классификация способов достаточно разнообразна, но независимо от типа производства углеродистых сталей в плавильные камеры всегда погружают чугун и лом.

3 Можно ли повысить прочность углеродистой стали?

В легированных марках задать свойства сплава получается за счет ввода определенных дополнительных компонентов, а вот как повысить прочность углеродистых сталей? Достичь таких улучшенных свойств поможет термическая обработка. Один из методов – поверхностная плазменная закалка. В результате превращений в структуре преобладает мартенсит высокой твердости (до 9,5 ГПа). На некоторых участках твердость мартенсита и вовсе достигает 11,5 ГПа.

Кроме того, после упрочнения плазменной закалкой в структуре появляется метастабильный остаточный аустенит, и с увеличением С его содержание может достигать 90%. Подобное преобразование существенно повышает износостойкость металла. После обкатки часть аустенита превращается в мартенсит деформации.

Химико-термическая обработка заключается в изменении состава, структуры и, соответственно, свойств материала в результате химического воздействия, сопровождающегося дополнительно и высокими температурами. Благодаря такой обработке углеродистые стали становятся более твердыми, улучшаются их показатели износостойкости, материал приобретает антикоррозионные свойства и не боится взаимодействия с кислой средой.

4 Классификация – по какому признаку еще можно разделить сталь?

Во время производства этапу очищения сплава от вредных примесей могут уделять внимание по-разному. Так, когда доля серы и фосфора совершенно незначительна, то речь идет о качественном материале. Конечно, он имеет и более высокую стоимость, но и механические показатели таких сталей находятся на совершенно ином уровне. Однако зачастую нет смысла тщательно очищать материал от примесей, ведь таким образом, во-первых, получится удешевить продукцию, а, во-вторых, свойства и характеристики сплавов обыкновенного качества вполне сносны, при этом они тоже могут подвергаться различным термическим обработкам. Классификация этих углеродистых сталей насчитывает три вида: А, Б и В.

Первые отбирают, основываясь только на механических характеристиках, при этом химический состав не уточняется, поэтому они не подвергаются ни термическому воздействию, ни обработке давлением. В сталях группы Б, напротив, известен состав. А вот сплавы повышенного качества относятся к третьей категории (В). В этом случае гарантируются определенные механические свойства и химический состав. Стали последних двух групп подвергаются термической обработке и горячей деформации.

Следующей объектом нашего внимания станет классификация по назначению углеродистых сталей. Из конструкционных сплавов в основном производят детали механизмов, автомобильные запчасти и т. д. Инструментальные стали, содержащие более 0,7% углерода, нашли себя при изготовлении строительных инструментов. К их достоинствам относится повышенная твердость и отличная прочность.

Спокойные (содержится до 0,12% кремния) стали относятся к достаточно качественным сплавам. Для них характерны однородный химический состав и структура. Они подвергаются обработке, имеют неплохую ударную вязкость даже при –50 °C. Правда, с повышением температуры и после проведения сварочных работ эта характеристика ухудшается. Да и поверхность такого материала может быть менее качественной по сравнению с марками кипящих сталей.

Достоинствами полуспокойных (0,07–0,12% Si) можно назвать равномерное распределение примесей, что обеспечивает постоянные механические свойства проката. К последнему типу (КП) относится материал с содержанием кремния не более 0,07%. Такая кипящая сталь характеризуется незавершенным процессом раскисления, в результате структура получается менее однородной. Положительные стороны КП:

низкая себестоимость из-за небольшого содержания специальных добавок;
повышенная пластичность;
хорошо сваривается и штампуется.

5 Маркировка и правила расшифровки

В этом пункте мы поговорим об особенностях маркировки углеродистых сталей. Как указывает нам классификация, такие сплавы делятся на инструментальные и конструкционные. В обозначении первых будет присутствовать буква "У". Находится этот символ в самом начале шифра. Если речь идет о продукции с минимальным содержанием вредных элементов, то в конце буквенно-цифрового обозначения стоит "А". Еще маркировка может рассказать про содержание углерода сочетанием минимум двух цифр, для высококачественных видов их надо умножить на 100. Таким образом, в Ст15 входит 0,15% углерода.

Маркировка сплавов обыкновенного качества тоже дает такую информацию, только количество вышеуказанного элемента должно быть умножено всего лишь на 10. Так что, Ст2 содержит 0,2% С. Углеродистые стали групп Б и В обязательно будут маркироваться этими символами в начале обозначения. А вот "Г", стоящая после цифр, отвечающих за количество углерода, говорит о том, что в сплаве повышенное содержание марганца.

Кипящие, спокойные и полуспокойные типы обозначаются сочетанием букв "кп", "сп" и "пс", стоящими в конце обозначения. Например, маркировка БСт2кп читается как кипящая сталь обыкновенного качества, относящаяся к группе Б. Более точно ознакомиться с химическим составом сплавов "Б" и "В" можно, только заглянув в марочник. Если после цифирного обозначения не указывает тип сплава, то речь идет о спокойных сталях.

6 Где применяется такая сталь?

Сфера использования этих сплавов довольно обширна, а вот особенности применения во многом зависят от маркировки углеродистых сталей. Например, из материала обыкновенного качества, главное достоинство которого низкая цена, изготавливают швеллеры, прутки, балки, трубы, листы и иной горячекатаный рядовой прокат, не подвергающийся термическому воздействию.

А вот если изделие будет подвергаться термическому воздействию, то его следует делать из стали повышенного качества. В общем, эти сплавы широко используются при производстве различного оборудования и деталей котлов. Сверла, метчики, пуансоны, матрицы штампов и остальные элементы, нуждающиеся в повышенной твердости, изготавливают из инструментальных сталей.

Благодаря тому, что этот сплав не теряет свойства даже при высоких температурах, достигающих 450 °C, он нашел свое применение и при производстве посуды. Ножи, кастрюли, сковородки, да и формы для выпечки, все это производится из углеродистых сталей. Правда, у подобного материала есть один минус – склонность к коррозии, поэтому приходится использовать защитное покрытие, например, эмаль.

Углеродистая сталь – марки и их отличия простыми словами

1 Что характерно для углеродистой стали и почему?

В этой статье речь пойдет о сплаве железа и углерода (С). Конечно, не обходится и без других примесей, но углеродистая сталь содержит до 2% С, а процентное содержание иных добавок незначительно. Такой материал нашел свое широкое применение во многих промышленных цехах. Из него изготавливают инструменты, оборудование, детали котлов, различные элементы. Этот дешевый сплав пользуется невероятной популярностью в строительной индустрии, особенно при изготовлении несущих конструкций. Среднеуглеродистые сплавы часто используются в машиностроении.

Огромный спрос обоснован не только приемлемой стоимостью материала, но и его свойствами. Он достаточно пластичен, легко подвергается обработке и превосходно сваривается. Также углеродистые сплавы не боятся динамических нагрузок. Но во многом характеристики металла зависят от его химического состава. С увеличением процентного содержания С изменяется структура сплава и его свойства. С возрастанием количества углерода до 1% увеличивается предел прочности и твердость, зато такое изменение негативно сказывается на пластичности и пределе текучести.

Дальнейшее увеличение С только ухудшит прочностные характеристики, именно поэтому в высокоуглеродистых сталях содержание этого элемента обычно не превышает 1,3%.

Ради справедливости стоит отметить и недостатки, которыми обладают такие марки сталей. К ним относятся низкие электротехнические свойства, недостаточная коррозионная устойчивость, которая еще более ухудшается с повышением температуры. Поэтому изделия следует покрывать защитным слоем. Также при нагреве снижаются прочностные характеристики сплавов, а перегрев приводит к короблению и образованию трещин. Негативно сказывается и высокий коэффициент теплового расширения.

Скажем еще пару слов о примесях, их влияние может принести как пользу, так и вред. К первым относятся марганец и кремний, которые способствуют раскислению. А такие добавки как сера и фосфор отрицательно скажутся на характеристиках. Первая способствует красноломкости, т. е. материал плохо поддается обработке в нагретом состоянии. А вот фосфор вызывает хладноломкость – металл боится холодной обработки.

2 Классификация углеродистых сталей

Если углеродистая сталь содержит менее 0,8% С, то она будет иметь доэвтектоидную структуру. При увеличении этого элемента до 0,8% и более, структура материала изменяется на эвтектоидную и заэвтектоидную соответственно. В первом случае структура ферритно-перлитная, в эвтектоидных уже преобладает перлит, а при дальнейшем увеличении С в составе материала появляется вторичный цементит.

Также сплавы делятся согласно степени раскисления на спокойные, кипящие и полуспокойные. Если металл был полностью раскислен в печи и, соответственно, не содержит закиси железа, то такой сплав называется спокойным. К его достоинствам следует отнести отсутствие газов, а главный недостаток – относительно дорогая выплавка. В основном такой материал пользуется спросом для изготовления ответственных конструкций. Более дешевое производство у кипящей углеродистой стали, но в этом случае она будет содержать растворенные газы. Они негативно скажутся на свариваемости материала. Например, азот может спровоцировать появление трещин при проведении сварочных работ. Кипящие сплавы содержат некоторое количество закиси железа, вызванное неполным раскислением в печи.

Существуют еще полуспокойные марки сталей. Они выступают по степени раскисления чем-то средним между кипящими и спокойными. Металл затвердевает в изложнице без кипения, однако процесс сопровождается выделением газов. Но стоит отметить, что количество газовых пузырей значительно меньше, чем в случае с кипящими сталями, а в процессе прокатки они завариваются полностью. Этот сплав чаще всего используется как конструкционный материал.

Делятся сплавы также в зависимости от способа создания и имеющихся на выходе качеств. Углеродистая сталь обыкновенного качества в основном выплавляется в мартеновских печах, а затем разливается в большие слитки. Такой металл имеет довольно большое содержание неметаллических включений. В прокатанном виде наблюдается полосатость вдоль направления течения.

Качественный сплав также производится с помощью мартеновских печей, но в этом случае к технологии предъявляются более строгие требования, за счет чего количество неметаллических включений значительно снижается. Высококачественные сплавы изготавливаются в электропечах. Такая технология гарантирует повышенную чистоту материала, а значит, и превосходные механические свойства.

Знакомое даже непрофессионалу разделение – по назначению, сплавы делятся на инструментальные и конструкционные. Первые используются для изготовления различных инструментов. Содержание углерода в них колеблется в пределах от 0,65 до 1, 32%. Конструкционные марки нашли свое применение при изготовлении различных деталей и узлов. Например, для производства элементов, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающие динамические нагрузки, лучше всего зарекомендовали себя цементуемые марки сталей. Они делятся на 3 группы: сплавы с неупрочняемой, слабоупрочняемой и сильноупрочняемой сердцевиной. Все цементуемые сплавы подвергаются цементации.

По химическому составу такие сплавы делятся на мало-, средне- и высокоуглеродистые стали. Содержание С в последнем случае превышает 0,7%, а в первом менее 0,3%. Если в составе присутствует С в пределах от 0,3 до 0,7%, то это среднеуглеродистые стали.

3 Читаем маркировку без затруднений

Если вам предстоит работать с таким материалом, то важно не тушеваться при виде маркировки. Сплавы обыкновенного качества обозначаются сочетанием букв Ст с цифрами от 0 до 6 и делятся на 3 категории. Если материал поставляется с гарантией механических свойств, при этом его химический состав не оговаривается, то он относится к группе А. Причем в этом случае категория в маркировке никак не обозначается. А определить свойства сплава можно по его номеру, чем он выше, тем больше прочность.

А вот сплав с гарантированным составом, но не регламентируемыми свойствами будет обозначаться буквой "Б". Символ находится в самом начале шифра. У этих сталей в соответствии с номером изменяется содержание С. Если же на первой позиции увидите "В", то речь идет о сплавах, в которых регламентируется и состав, и механические свойства. Первый соответствует сталям группы Б с аналогичным номером, а механические свойства – сплавам категории А. Более подробно ознакомиться с характеристиками можно, изучив сопроводительные документы.

В конце маркировки указывается степень раскисления. Полуспокойные и кипящие обозначаются сочетанием букв "пс" и "кп", соответственно. Если в конце шифра нет никаких символов, значит, сплав относится к спокойному типу. Сейчас попробуем разобрать все на конкретных примерах. Ст5 – углеродистая сталь с номером 5, относится к группе А, спокойная. Шифр БСт2кп означает, что сплав с номером 2 относится к категории Б, кипящий.

Качественные углеродистые сплавы маркируют цифрами, показывающими среднее содержание С в сотых долях. Если после цифирного обозначения увидите букву "Г", то речь идет о сталях с повышенным содержанием марганца. Как и в предыдущем случае степень раскисления указывается в конце. Пример: Сталь 20 – качественная углеродистая, содержание С 0,2%. Отсутствие каких-либо символов после цифр свидетельствует, что в составе металла менее 0,8% марганца, и он относится к спокойному типу. Сталь 40Гкп – углеродистая (0,4% С) с повышенным содержанием марганца, кипящая.

Маркировка инструментальных сплавов начинается с символа "У", за которым следуют числа, показывающие количество углерода в составе сплава. Только в этом случае С указывается в десятых долях. В конце шифра можно увидеть букву "А", так обозначаются сплавы повышенного качества. У4 – инструментальная углеродистая сталь (0,4% С). У8А – сплав (0,8%С) повышенного качества.

Высокоуглеродистая сталь – полезно ли иметь много примесей в сплаве?

Высокоуглеродистая сталь нашла свое применение во многих областях, потому что обладает рядом достоинств. Однако далеко не всегда ее использование целесообразно, поэтому очень важно знать свойства и особенности данного сплава. Именно о них и пойдет речь ниже.

1 Какие стали называются высокоуглеродистыми?

Сначала стоит вообще разобраться с тем, что такое сталь. Итак, это сплав углерода и железа, а также иных легирующих элементов. Причем содержание первого колеблется в пределах от 0,02% до 2,14%, и в зависимости от его количества стали делятся на мало-, средне- и высокоуглеродистые. Что же насчет последних, так в этом случае, как уже становится понятно из названия, в сплаве повышенное количество углерода, это более 0,6 %. Такой состав влияет на эксплуатационные характеристики.

Высокоуглеродистая сталь, механические свойства которой мы подробнее рассмотрим чуть ниже, сваривается достаточно проблематично, а все из-за склонности материла к таким дефектам, как закаленные зоны и трещины в области термического влияния. В связи с этим необходимо использовать наконечники с малой тепловой мощностью. Что же насчет пламени, так оно должно быть восстановительным, ведь окислительное приведет к чрезмерному выгоранию углерода, а это поспособствует повышенной пористости шва.

Дабы предотвратить вышеописанные дефекты, следует подогреть материал до температуры 200–250 °С.

2 Свойства и область применения высокоуглеродистой стали

Рассмотрим, как же содержание углерода влияет на свойства сталей. Итак, с возрастанием этого элемента в структуре увеличивается доля цементита, при этом количество феррита, напротив, снижается. В связи с этим материал становится менее пластичным. Что же насчет таких характеристик, как твердость и прочность, то на них подобное изменение влияет положительным образом. Но и тут не все так просто, максимальные прочностные характеристики будут достигнуты при значении углерода 1%, если же его количество еще возрастет, то в структуре возникнет сетка вторичного цементита, и прочность начнет снижаться.

Теперь остановимся на ударной вязкости таких сталей, она снижается, а вот электросопротивление и температурный интервал перехода материала от вязкого разрушения к хрупкому становится выше. Кроме того, стоит отметить ухудшение литейного свойства, свариваемости, да и более проблематичными станут такие операции, как резание и обработка материала давлением. В связи с этим данные марки сталей не совсем пригодны для сваривания, хотя этой операции и не избежать, особенно когда речь идет о ремонтных работах. Их намного чаще используют для штамповки деталей. Кроме того, широкое распространение нашла и проволока, сделанная именно из этого типа материала. Также они применяются и в литейной отрасли.

3 Маркировка для высокоуглеродистых сталей

Безусловно, знать каково влияние тех либо иных химических элементов на свойства сплавов весьма важно, однако как же определить его состав? Ведь именно он играет существенную роль и влияет на свойство, качество, а также предел прочности материала, и если его неправильно подобрать, то иногда последствия могут быть необратимыми. Так, например, в случае превышения предела прочности какого-либо элемента конструкции, она разрушается.

Именно для этого существует маркировка, которая имеет буквенные и цифирные обозначения и наносится специальной несмывающейся краской. Причем по данному коду можно не только прочитать количество легирующих элементов, но и узнать еще дополнительную информацию, такую как качество металла, его степень раскисления и т. д. Об этом и пойдет речь в данном пункте.

Итак, кроме углерода на свойства стали влияет также и наличие марганца. Он способствует прокаливаемости, улучшению прочностных характеристик материала и его износостойкости. В связи с этим он присутствует почти в каждом типе стали, и если его содержание более 0,8%, то в маркировке такого материала сразу после цифрового обозначения, указывающего количество углерода, будет следовать буква "Г". Если речь идет об инструментальных сталях с содержанием углерода более 0,75%, то их код начинается с заглавной буквы "У", после которой следует процентное содержание С в десятых долях. Так, У9 означает, что говорят об углеродистой инструментальной стали, в которой около 0,9% углерода.

Кроме того, высокоуглеродистые стали разных марок имеют и еще некоторые обозначения. Например, если сплав будет высокого качества, то в конце шифра обязательно ставится буква "А", а вот особо высококачественные обозначаются как "Ш". По степени раскисления эти материалы делятся на кипящие, полуспокойные и спокойные их обозначение в маркировке "кп", "пс" и "сп", соответственно.

Чем отличаются углеродистые стали от легированных?

Определение сталь объединяет сплавы на основе железа и углерода с другими веществами. При очистке железной руды получают чугун, содержащий 2,14-6,67% углерода. Этот элемент отвечает за твердость, при этом металл хрупок и не пластичен. Уменьшение углеродной составляющей изменяет структуру, делает материал ковким, повышает его ударную вязкость.

Чем отличается углеродистая сталь от легированной?

Углеродистая сталь состоит из тех же элементов, что первоначальное сырье: железо, углерод, кремний, марганец и вредные примеси: сера, фосфор. Легированными (ligare-связывать) называют сплавы, усиленные другими металлами: хромом, никелем, медью, молибденом.

Характеристики легированной стали

Для легирования применяют металлы, способные образовывать устойчивые соединения с железом и углеродом. Из карбидов, интерметаллидов и дисперсных частиц под воздействием температур формируется сложная кристаллическая решетка. При уменьшении углеродной доли каркас структуры создают хром, никель, марганец и другие элементы, а карбидные соединения вытесняются к границам зерен. Активное железо находится в связанном состоянии и не может реагировать с агрессивными веществами.

Легированные стали классифицируют по количеству присадок:

Низколегированные — до 2,5%;
Среднелегированные — 2,5-10%;
Высоколегированные — выше 10%.

И различают по назначению:

Инструментальные — применяют в производстве измерительных и режущих инструментов, штамповой оснастки;
Конструкционные — для изготовления агрегатов и механизмов, корпусов автомобилей и оборудования, конструкций;
Специальные — коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.

Для определения марок создана буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают русскими буквами. В составе большей части сплавов не более 1% углерода, но эта характеристика одна из самых важных, поэтому ее указывают в начале маркировки в сотых долях процента. Числовые значения, округленные до единиц опускают.

● Буква А в конце значит, что сталь высококачественная.

Если содержание углерода 1% и более, первую цифру не пишут, например ХВГ, ХВСГ, ШХ15СГ. Для некоторых групп применяют обозначения перед маркировкой: А — автоматные, Ш — подшипниковые, Р — быстрорежущие, Э — электротехнические, Е — магнитно-твердые. Сплавы выпускаемые одним предприятием имеют свои названия, например ЭИ417 (Электросталь), ЧС 116-ИД (Челябинская сталь), ВНС-65 ВИЭМ).

Разработано более тысячи легированных стальных сплавов с различными уникальными свойствами: устойчивые к охрупчиванию на холоде, стойкие к кислотам и щелочам, кавитационным нагрузкам. В сравнении с углеродистыми они обладают меньшей теплопроводностью, твердостью. При термической обработке, в том числе сварке, необходимо учитывать свойства всех металлов в составе.

Характеристики углеродистой стали

Качества сплавов зависят от степени обработки. На первых этапах железную руду подвергают раскислению, восстанавливают окись железа до металла. По количеству оставшихся в расплаве атмосферных газов установлены классы:

В зависимости от наличия вредных примесей определяют качество:

Так как от углерода зависит твердость и одновременно ударная хрупкость, предусмотрена следующая классификация сталей:

● Низкоуглеродистые — до 0,25%;

● Высокоуглеродистые — выше 0,6%.

Действует деление по областям применения:

● Конструкционные — большая группа, объединяющая несколько видов: строительные, автоматные, термоупрочняемые, повышенной прочности и др. Маркировка начинается с цифр, обозначающих углерод в сотых долях процента: от 08 до 85. Если увеличено содержание марганца, в конце добавляют Г

● Инструментальные — для изготовления инструмента, не подвергающегося нагреву: зубила, молотки, топоры. Группу сталей относят к качественным и обозначают буквой У в начале, высшее качество дополнительно маркируют знаком А в конце.

● Общего назначения — недорогие сплавы для изготовления труб, прутков, швеллеров, ковки и литья. Предусмотрено несколько подгрупп. К группе А относят стали со стабильными механическими свойствами (Ст1кп, Ст6сп), первую букву не пишут. У группы Б регламентирован химический состав (БСт4сп, БСт6пс), у В стабильны состав и свойства (ВСт3сп, ВСт5).

Углеродистые стали предназначены для изготовления нагруженных деталей и конструкций: рельсов, валов, тяг, осей, пружин рессоров, деталей турбин. Они отлично свариваются, поддаются резанию, ковке, но требуют защиты от коррозии.

Разница между легированной и углеродистой сталью

Различие в химическом составе определяет характеристики материалов.

Легированные стали отличаются коррозионной стойкостью.

В зависимости от элементов, связанных с железом, они могут работать в морской воде, кислотных средах даже при высоких температурах, но плохо справляются с ударными нагрузками, имеют малую несущую способность. Производство сплавов и конечных продуктов сопряжено с применением десятков сложных технологий.

Углеродистые стали без антикоррозийных покрытий подвержены быстрому разрушению.

Их области применения: все металлоемкие производства. Экономическая целесообразность большого расхода сырья коррелирует с простотой обработки.

Углеродистая сталь: состав, свойства

При выплавке железной руды сначала получают чугун, в химическом составе которого не менее 2,14% углерода. Процедура науглероживания превращает сырье в сталь. Металл становится пластичнее, но обладает меньшей твердостью. Так как углеродная массовая доля по-прежнему считается высокой, такие сплавы называют углеродистыми. В зависимости от этого показателя, определяют три группы:

Высокоуглеродистые (0,6-1,4%) — особо твердые сплавы. Из них изготавливают канатную проволоку, дробь для дробеструйной обработки, штампы для деформации металлов. В группу входят некоторые пружинные марки.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) — наряду с прочностью повышается пластичность, что крайне важно для технологической обработки. Область применения: конструкции, работающие в нормальных условиях.
Низкоуглеродистые (до 0,25%) — мягкие сплавы с хорошей формообразующей способностью. Детали обычно подвергают отжигу для увеличения прочности.

Углерод образует карбидные соединения, находящиеся в состоянии цементита и обуславливает следующие свойства углеродистых сталей:

Прочность;
Упругость;
Износостойкость.

Наряду с этим цементит неустойчив к изменениям внешних условий, подвержен распаду с образованием свободного графита, хрупок. Причиной может быть избыточная кинетическая энергия, увеличение нагрузок. В ходе разрушения кристаллической решетки образуются графитные хлопья и вкрапления, вследствие чего изделие утрачивает первоначальные свойства.

Характеристики углеродистых сталей объясняются прежде всего сложным молекулярным строением. Ячейка структуры цементита приобретает форму октаэдра.

В результате сплавам присущи следующие технико-экономические показатели:

Высокая прочность и несущая способность;
Из-за плохой прокаливаемости формируется твердый поверхностный слой и мягкая сердцевина, это свойство компенсирует хрупкость;
Долговечность, в нормальных условиях или с использованием способов защиты от коррозии срок службы достигает 50 лет;
Низкая цена. Технологический процесс выплавки доступен с момента появления мартеновских печей в конце XIX века.

Углеродистая сталь — незаменимый конструкционный материал, а невысокая стоимость позволяет использовать ее в строительстве масштабных сооружений: трубопроводов, зданий, мостов.

Выдающиеся механические параметры применяют при изготовлении инструментов и крепежей, деталей, испытывающих повышенные нагрузки.

Химический состав

Классификация по качеству и способу производства

В рудах содержится большое количество неметаллических включений, минералов и газов, влияющих на физико-химические свойства. К полезным относятся кремний и магний, к вредным, фосфор и серу. Выплавка производится в следующей последовательности:

Плавление: осуществляется при максимальной температуре с активным окислением железа, марганца, кремния, фосфора и других элементов.
Окисление: при распаде карбидов образуется углекислый газ, в состоянии кипения массовая доля углерода уменьшается до 2%.
Раскисление: оксиды восстанавливают до железа ферромарганцем, ферросилицием и другими реагентами. При плохой раскисленности материал склонен к трещинообразованию.

Температура доменных печей не позволяла выплавлять стали. Сегодня произвести эти операции можно несколькими способами:

Мартеновские печи. Пьер Мартен дополнил кузнечные печи регенератором, который не позволял рассеиваться тепловой энергии продуктов горения, таким образом удалось получить достаточную температуру. Снижение углеродной составляющей достигалось в основном выгоранием карбидов. Последняя печь в России работала до 2018 года на Выксунском заводе.
Конвертеры. Расплавленную массу продувают кислородом снизу и сверху. В ходе химической реакции окисления выделяется дополнительная энергия. Контакт воздушного потока с расплавом увеличивают перемешиванием.
Электроплавка. Электрометаллургия позволяет заменить реагенты электролизом, в частности на этапе восстановления из окиси не требуется уголь, что снижает количество примесей и вредные выбросы в атмосферу. Кроме этого предусмотрены возможности получения температур до 20 тыс С⁰ с помощью эффекта электротермии и вакуумная плавка.

В результате проведенной работы получают углеродистые стали разного качества. Этот параметр указывают в технической документации, так как от маркировки зависит область применения.

Обыкновенные — самый распространенный материал для производства металлопроката, конструкций, термоупрочняемых деталей: валов, осей, втулок. Вредные примеси: до 0,05%.
Качественные — характеристики указывают в отраслевых стандартах. Общее содержание примесей: до 0,035%.
Высококачественные — загрязненность до 0,025%. В основном применяются для изготовления инструментов.
Особо высококачественные — концентрации серы и фосфора ниже 0,015%. В обозначении употребляют букву «Ш».

Получение сталей с малым содержанием примесей возможно только методом электроплавки. Они используются для производства некоторых механизмов и деталей оборудования специального назначения, например в атомной энергетике.

Классификация по уровню раскисления и количеству углерода

На этапе окисления расплав насыщается водородом, азотом, углекислотой, а железо превращается в окись. Восстановление металла осуществляется до нужных параметров, так как дополнительная очистка приводит к удорожанию. В связи с этим действует следующая классификация:

Кипящие (кп) — раскисление осуществляют марганцем, структура неоднородная и насыщенная пузырьками воздуха, характеристики отличаются от слитка к слитку. КП ценят за низкую стоимость и пластичность, их используют для производства плит, подставок, неответственных элементов, работающих при температуре не ниже -20 С⁰.
Полуспокойные (пс) — окись восстанавливают марганцем и алюминием, если процедура проведена правильно, то газы концентрируются в верхней части слитка. При обработке прокаткой дефекты устраняются.
Спокойные (сп) — газы удалены практически полностью, структура однородная и плотная. Применяются для изготовления сортового и фасонного проката.

Индекс раскисления указывают только для обыкновенных и частично для качественных сталей, в других маркировках он не используется, так как требования к химическому составу устраняют эту необходимость.

Чем больше углерода, тем выше прочность, но из-за снижения пластичности и ударной вязкости материал становится хрупким. При превышении установленных нагрузок вместо пластической деформации образуются трещины и сколы.

По его массовой доле углерода определяют назначение:

Обыкновенные (от 0,06 до 0,49%) — в зависимости от группы поставки механические свойства или состав могут быть стабильны.
Конструкционные — понятие включает в себя сплавы разного качества со средним содержанием (0,25-0,6%), применяется в машиностроении и строительстве.
Инструментальные — марки с самой высокой твердостью (от 0,7), из них изготовляют ударные инструменты, группа включает в себя только качественные и высококачественные стали У7,У8 — У11А, У12а.

Характеристики и структуру металла изменяют термообработкой. Таким образом достигается баланс прочности и пластичности стальных изделий, повышается коррозионная стойкость. В ряде случаев закаливанию подвергаются лишь поверхностные слои, а сердцевина остается пластичной.

Маркировка углеродистых сталей

Обозначение указывает на класс, чистоту и назначение. В России и СНГ приняты регламенты ГОСТ и ОСТ, устанавливающие нормы химического состава, механических свойств и методов испытаний. В каждой стране разработана своя система: DIN(Германия), EN (Евросоюз), JIS (Япония). Свои нормативы действуют даже в небольших государствах, таких как Чехия, Югославия, Бельгия, в США работает сразу несколько организаций стандартизации, которые создали 8 спецификаций.

Читайте также: