Влияние углерода на свойства металлов

Обновлено: 19.05.2024

Механические свойства стали зависят от наличия углерода в ее составе. Углерод в стали дает возможность изменять эти свойства и использовать ее в производстве в соответствии с показателями прочности и пластичности. При должных условиях цементация металла может пройти качественно и наделить сталь новыми полезными свойствами.

Изменение структуры при добавлении углерода

Показатели прочности и пластичности зависят от структуры и ее изменений при увеличении содержания углерода.

При доле до 0,2% образуется феррит и третичный цементит, дальнейшее увеличение приводит к образованию эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Значение показателя перлита постепенно повышается и при углероде 0,8% содержится только перлит. Если содержание более 0,8% появляются иглы вторичного цементита и перлит.

Образование цементита происходит до 2% углерода, при этом снижается прочность из-за хрупкости цементитной сетки по границам перлитных зерен. При превышении этого значения формируется эвтектическая смесь.

Новые свойства и преимущества сплава

Углерод в составе стали дает ей дополнительные преимущества, прежде всего это:

достаточная твердость поверхностного слоя и относительная мягкость внутреннего слоя;
хорошая обрабатываемость;
долговечность;
доступная цена.

С увеличением доли углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность, следовательно, чем его больше, тем труднее процесс обработки резанием, хуже показатели деформации и сваривания. Исходя из этого выделяют следующие виды стали:

Низкоуглеродистые, с долей менее 0,25%. Они достаточно пластичны, легко поддаются деформации и обработке.
Среднеуглеродистые, с долей 0,3-0,6%. Этот вид также пластичен, имеет средний показатель прочности.
Высокоуглеродистые, с долей 0,6-2%. С низкой вязкостью и высоким показателем прочности. Сварка производится только с предварительным разогревом до 225 градусов.

Помимо основных механических свойств, увеличение содержания углерода дает повышение порога хладноломкости.

Применение углеродистой стали

Сферы применения зависят от механических свойств, и, следовательно, от того, сколько углерода в стали. С показателем 0,7-1,3% углеродистую сталь используют для изготовления режущих и ударных инструментов. Маркируют их буквой «У», последующая цифра характеризует долю, например, У13. Чем выше показатель, тем больше влияние углерода на механические свойства стали.

Низкоуглеродистые стали разделяют на подгруппы в зависимости от назначения:

Низкоуглеродистые: 05, 08, 10. Благодаря своей пластичности используются в холодной штамповке для изготовления шайб, прокладок, кожухов и иных деталей.
Низкоуглеродистые: 15, 20, 25. Такое значение углерода в составе стали дает повышенную твердость и достаточный задел вязкости, применяются для изготовления деталей малого размера (кулачков, толкателей, малонагруженных шестерней).
Среднеуглеродистые: 30, 35, 40, 45, 50, 55. Применяются для изготовления коленчатых валов малооборотных двигателей, зубчатых колес, маховиков – деталей, у которых работоспособность определяется сопротивлением усталости. Используют после нормализации и поверхностной закалки, которые повышают вязкость и пластичность, соответственно, улучшается показатель обрабатываемости.
Высокоуглеродистые: 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для изготовления рессор, эксцентриков и пружин. Предварительно подвергаются закалке и среднему отпуску, что улучшает свойства упругости необходимые для изготавливаемых деталей.
Котельные: 12К-22К. Используют для изготовления оборудования, эксплуатируемого при высоких температурах (сосуды и котлы для турбин и камер сгорания).
Сталь автоматная. Нашла применение для изготовления крепежных изделий автомобилей в статических нагрузках (шпильки, гайки, болты).

Влияние других примесей

Как и углерод, иные химические элементы в составе стали влияют на ее механические свойства:

кремний – используется как активный раскислитель;
марганец – снижает влияние кислорода и серы, уменьшает стойкость к нагрузкам;
сера и фосфор – увеличивают показатель красноломкости, относятся к категории вредных примесей;
титан – улучшает показатели прочности и пластичности;
хром – повышает жаростойкость и стойкость к стиранию;
никель – улучшает вязкость и упругость;
медь – оказывает влияние на стойкость к коррозии.

Механические свойства стали в металлических конструкциях полностью зависят от ее состава и наличия тех или иных примесей. Именно эти характеристики необходимо учитывать при применении стали в промышленном производстве. Некоторое негативное влияние содержания элементов можно снизить дополнительными методами улучшения – термическим упрочением поверхности (цементация) или добавлением антикоррозийной защиты, проще говоря – гальваника, покрытие которой увеличивает срок службы изделия.

Мы надежная компания, в основе деятельности которой – правила честной конкуренции и жесткого контроля качества услуг.

Углерод в металле

Содержание углерода в металле определяет свойства углеродистых сталей, в частности, механические характеристики. Благодаря изменению процентного соотношения углерода можно сделать материал более пластичным или твердым, вязким или прочным.

Такие стали называются углеродистыми и классифицируются по своему составу, степени окисления, а также методам производства и применения. Металлы с разной степенью цементита используются в разных сферах. Как же углерод в металле способствует повышению ее востребованности?

На что влияет углерод в металле

В процессе производства невозможно полностью удалить примеси из стали, поэтому они остаются в небольшом процентном содержании во всех углеродистых соединениях. Также их наличие зависит от выбранного метода плавки.

На основании доли углерода в металле принято выделять углеродистую и легированную сталь. Интересующий нас компонент позволяет скорректировать технические и механические характеристики материала.

В стали присутствуют:

железо – в пределах 99 %;
углерод – до 2,14 %;
кремний – не более 1 %;
марганец – до 1 %;
фосфор – максимум 0,6 %;
сера – до 0,5 %.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Также сталь содержит небольшую долю водорода, кислорода, азота.

Для чего нужен углерод в металле? В сталеплавильных процессах он играет такие роли:

Присутствует в большинстве марок стали, поскольку позволяет получить материал с широким диапазоном механических свойств. А именно: влияет на соотношение феррита и перлита в структуре твердого металла, расширяет диапазон температур, при которых железо остается в устойчивом состоянии.
Считается вредной примесью в сталях специального назначения, таких как электротехнические, жаропрочные, стойкие к коррозии, пр.
Забирает на свое окисление основную долю кислорода, вдуваемого в ванну с целью избавления от примесей. Например, в кислородно-конвертерном и мартеновском скрап-рудном процессах уходит более 75–80 % кислорода. Поэтому основной задачей управления окислительным рафинированием считается регулировка удаления углерода в металле.
Является единственной примесью при изготовлении стали, во время окисления которой выделяются газы CO и CO2. Объем последних многократно превосходит объема металла – если говорить точнее, то окисление килограмма углерода при +1 500 °C приводит к образованию более 10 м3 CO. Газ удаляется из ванны в форме пузырей, благодаря чему металл перемешивается со шлаком, возрастает скорость протекания тепло- и массообменных процессов. В результате на плавку уходит меньше времени.
Пузыри оксида углерода проходят через расплав, параллельно избавляя его от газов, неметаллических включений при плавке и вакуумировании.
Реакция окисления углерода сопровождается нагревом ванны, что важно для протекания кислородных процессов. Так, на кислородно-конвертерном этапе обработки металла тепло реакции окисления углерода обеспечивает 20–25 % приходной части теплового баланса плавки. Так сплав достигает температуры выпуска при значительной доле лома в шихте.
От количества углерода в металле и его постоянного окисления зависит содержание кислорода в стали и оксидов железа в шлаке. Окисленность ванны влияет на потери железа со шлаком в виде оксидов, остаточное содержание прочих примесей, угар раскислителей и легирующих добавок, пр.
Благодаря окислению интересующего нас элемента во время затвердевания металла в изложницах удается формировать слитки стали разных видов. Речь идет о кипящем, спокойном и полуспокойном типе данного металла.

Увеличение доли углерода в металле провоцирует такие изменения:

повышение электросопротивления;
увеличение коэрцитивной силы;
ухудшение проницаемости магнитов;
снижение плотности индукции магнитов.

Свойства металла (стали) с разным содержанием углерода

Говоря о том, что такое углерод в металле, важно понимать, что свойства углеродистых сталей определяются сложным молекулярным строением. Структура цементита такова, что каждая ее ячейка имеет форму октаэдра.

Данная особенность обеспечивает ряд таких важных технико-экономических показателей сплавов, как:

высокая прочность, несущая способность;
твердый поверхностный слой в сочетании с мягкой сердцевиной, что объясняется плохой прокаливаемостью – данная характеристика компенсирует хрупкость металла;
большой срок службы, достигающий 50 лет при нормальных условиях, либо применении средств, призванных защитить материал от появления очагов ржавчины;
низкая стоимость технологии выплавки, которая используется с конца XIX века – именно тогда были созданы мартеновские печи.

От количества углерода в металле зависит определенный вид стали:

Низкоуглеродистая сталь имеет в составе до 0,25 % данного компонента, отличается пластичностью, однако легко поддается деформации. Такой металл может обрабатываться в холодном виде либо при высоких температурах.
Среднеуглеродистая сталь содержит 0,3–0,6 % углерода, является пластичной, текучей, имеет средний уровень прочности. Данный процент углерода в металле позволяет использовать его как материал для деталей и конструкции, эксплуатируемых в нормальных условиях.
Высокоуглеродистая сталь предполагает долю углерода в 0,6–2 %. Отличается хорошей стойкостью к износу, низкой вязкостью, а также она прочная и дорогостоящая. Для проведения сварных работ металл необходимо предварительного разогреть до +225 °C.

Стоит отметить, что первые два вида проще поддаются обработке, свариванию.

Каждая марка стали имеет свою сферу применения и отличается от других методом изготовления:

Конструкционные стали

Обладают большой долей углерода в металле, для их производства используются мартеновские печи и специальные конвертеры. В маркировке конструкционных сталей применяют первые три буквы алфавита и цифры. По буквам можно определить принадлежность сплава к определенной группе, тогда как цифровое значение говорит о количестве углерода.

Если в металле присутствует марганец, обозначение дополняется буквой «Г». Группа А разделяет сплавы по механическим характеристиками, Б – по доле примесей, В – сразу по двум показателям. Так, при производстве группы А отталкиваются от необходимых качеств, тогда как в группе Б опираются на соответствие нормам.

Инструментальные стали

Производят в мартеновской или электрической печи, которая стала наиболее распространена в последнее время. Марки сплава имеют различную вязкость, степень раскисления. Кроме того, среди инструментальных сталей принято выделять качественные и высококачественные.

Технология изготовления углеродистых сталей

Зная содержание углерода в металле, важно также понимать, что это позволяет использовать в металлургии различные методы производства углеродистых сталей, для каждого из них используется особое оборудование.

Специалисты выделяют несколько типов печей, применяемых для этих нужд:

конверторные плавильные;
мартеновского типа;
электрические.

Конверторные печи расплавляют все компоненты сплава, после чего смесь проходит обработку техническим кислородом. В горячий металл вносят известь, чтобы удалить присутствующие примеси, превратив их в шлак. Процесс производства сопровождается активным окислением металла, из-за чего выделяется большое количество угара.

Использование конверторных печей для изготовления углеродистых сталей требует установки дополнительных фильтровальных систем, поскольку во время работы образуется много пыли. А монтаж дополнительного оборудования всегда чреват значительными финансовыми затратами.

Однако этот недостаток не мешает конверторному методу активно использоваться на металлургических производствах, так как специалисты ценят его за высокую производительность.

Печи мартеновского типа обеспечивают высокое качество различных марок стали. Здесь производство металла с содержанием углерода состоит из таких этапов:

в отдельный отсек печи загружают чугун, стальной лом, пр.;
металл нагревается до значительной температуры;
составляющие будущего сплава превращаются в однородную горячую массу;
происходит химическая реакция между компонентами в процессе плавления;
готовый металл поступает из печи.

Электрические печи предполагают совершенно иной подход к производству: отличается способ нагрева материалов. Благодаря использованию электричества снижается окисляемость металла в процессе разогрева, из-за чего в сплаве сокращается доля водорода. Это позитивно отражается на структуре и качестве готовой стали.

Области применения углеродистых сталей

Производство деталей машин

Прежде чем приступить к изготовлению определенной детали из углеродистых сталей, оценивают режим ее дальнейшей работы.

Марки металла, в которых содержится малая доля углерода, подходят для изделий, защищенных от серьезных нагрузок, воздействия вибрации, ударов. К таким элементам относятся:

дистанционные кольца;
втулки;
крышки;
колпаки;
маховики;
стаканы для подшипников;
прихваты, планки.

В качестве отдельной категории выделяют сварные каркасные конструкции, корпусные изделия, поскольку в этом случае низкая прочность данного вида сталей компенсируется толщиной несущего сечения. Тогда как податливость материала обработке сваркой обеспечивает более высокий уровень общей технологичности.

Для деталей, которые ожидают большие нагрузки в процессе эксплуатации, выбирают среднеуглеродистые стали для дальнейшей закалки. Либо могут использоваться марки металла с низким содержанием углерода при условии цементации.

Данные требования распространяются на следующие виды продукции:

шкивы ременных передач;
звездочки цепных передач;
зубчатые колеса, шестерни, валы-шестерни;
валы, оси;
шпиндели;
рычаги;
ролики;
штока, поршни цилиндров.

В первую очередь, производят заготовку – на этом этапе осуществляется резка проката, отливка, штамповка или поковка. После чего переходят к механической и температурной стадии.

В конце приступают к доводочным, отделочным операциям при помощи абразива, то есть к шлифовке, хонингованию, притирке, суперфинишированию. Нужно учитывать, что невозможно эффективно обработать незакаленные стали абразивным инструментом, так как процесс сопровождается засаливанием режущих зерен.

Высокоуглеродистые рессорно-пружинные разновидности стали применяют лишь в особых случаях, поскольку такой металл с углеродом в составе предполагает значительно более сложную обработку. Кроме того, любые промахи трудно устранить, например, заварить дефект.

Обычно подобные стали выбирают для навивки спиральных пружин, производства рессор, цанг, направляющих скольжения и прочих элементов, от которых требуется упругость в сочетании с твердостью.

Производство инструмента

Назначение углеродистых инструментальных сталей очевидно уже из названия. Ограничением в их применении является повышенная температура: при превышении +250…+300 °C закаленный металл отпускается, утрачивает прочность, твердость.

Также важно учитывать, что углеродистые стали уступают легированным по функциональности. Ими нельзя резать или давить материалы, имеющие более высокие показатели прочности.

Из-за всех названных особенностей такие металлы используют для изготовления ручного инструмента, позволяющего осуществлять холодную обработку дерева, пластика, мягких цветных металлов.

В производстве задействуются исключительно кованые заготовки, а не литье. Среди проката выбирают упрочненный сортамент, созданный непосредственно для изготовления инструмента.

Далее металл с необходимой долей углерода в составе точат, сверлят, фрезеруют, закаляют, после чего доводят до нужного состояния при помощи абразива. Стоит отметить, что шлифовка является наиболее трудоемким этапом изготовления, так как именно в это время инструменту сообщаются требуемые параметры.

Кроме того, эти операции позволяют удалить с металла поверхностный слой, содержащий дефекты, которые остались после термической обработки.

Производство крепежа

ГОСТ 1759.4-87 содержит в себе требования к механическим свойствам резьбового крепежа. В соответствии с этим документом, болты, винты, шпильки могут изготавливаться из таких углеродистых сталей:

10 и 20 – для классов прочности 3.6, 4.6, 4.8, 5.8 и 6.8, не предполагающих проведение термической обработки;
30, 35, 45 – для классов прочности 5.6 и 6.6 с термической обработкой;
35 – для классов прочности 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9, где термическая обработка является обязательным этапом.

Массовое и крупносерийное производство метизов из металла, в составе которого есть углерод, предполагает использование технологии горячей или холодной штамповки и высадочных автоматов. После чего на заготовки нарезают либо накатывают резьбу.

Если речь идет о мелкой серии, доступен заказ нестандартного крепежа – партия изготавливается на универсальном оборудовании для металлорезки.

Для производства крепежа нередко используют особую группу углеродистых сталей. Речь идет о марках, отличающихся повышенной обрабатываемостью – у них в начале маркировки стоит буква «А». Такие металлы отличаются от всех остальных максимальной однородностью структуры и химического состава по всему объему проката.

Поэтому при обработке на станках-автоматах отсутствует риск перепада нагрузки на инструмент, что обычно возможно из-за разной твердости сплава, присутствия микродефектов в виде неметаллических включений.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Механические свойства стали

Механические свойства стали во многом определяют то, в каких сферах она применяется. Именно поэтому мы можем отнести их к наиболее важным. Такие качества, как высокая прочность и способность значительно изменять форму, дают возможность применять металл практически везде: от изготовления хирургических инструментов до космической отрасли.

Для определения данных параметров применяются различные методы. Кроме того, они учитывают механические свойства не только сталей, но и их сплавов, благодаря чему данные металлы можно с уверенностью назвать универсальными и удобными в работе. О том, какие параметры данных материалов позволяют применять их в самых разнообразных сферах, поговорим далее.

Состав стали

Основными компонентами стали являются железо и углерод, на долю последнего приходится до 2,14 %. Все существующие на данный момент подобные сплавы классифицируют, исходя из их химического состава.

В производстве используются два вида стали:

Углеродистая, в состав которой, помимо основных составляющих, входят фосфор, сера, марганец, кремний. Сырье может относиться к высоко-, средне- и низколегированным маркам в соответствии с долей углерода в материале. Такой металл подходит для любых нужд, в том числе для изготовления инструмента, эксплуатируемого в условиях высоких нагрузок под постоянным напряжением.
Легированная содержит в себе железо, углерод в сочетании с легирующими элементами (такими как кремний, бор, азот, хром, цирконий, ниобий, вольфрам, титан). От состава легированной стали зависят ее механические и иные свойства, цена, качество продукции, сферы возможного применения. Сегодня можно найти жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. По структуре специалисты выделяют сырье доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Определить химические и механические свойства стали, а также область ее использования позволяет марка.

В процессе производства в сталь вносят примеси. На основании их доли в составе сплава выделяются два типа продукции:

Обыкновенного качества, что предполагает наличие до 0,6 % углерода и соответствие металла ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Для маркировки подобной продукции используются буквы «Ст» – данное сокращение говорит о том, что сталь имеет стандартное качество. Такое сырье входит в число наиболее доступных по цене.
Качественная сталь, то есть легированная и углеродистая, которая производится по ГОСТ 1577. Маркировка обязательно содержит в себе особенности состава, количество углерода в сотых долях. Данный материал более дорогой, чем аналог обыкновенного качества, его ценят за высокую пластичность, способность противостоять механическому воздействию. Кроме того, подобный металл можно без труда варить.

Физические, химические и технологические свойства стали

Физические свойства:

Плотность, которая определяется как масса металла на единицу объема. Высокий данный показатель стальных изделий, в том числе арматуры а500с, позволяет активно использовать их для строительных нужд.
Теплопроводность, то есть способность стали обеспечивать распространение теплоты от более нагретых частей к менее нагретым.
Электропроводность – способность материала пропускать электрический ток.

Химические свойства:

Окисляемость, что предполагает возможность соединения металла кислородом. Данное свойство усиливается при нагревании стали. На сплавах, имеющих малую долю углерода, в процессе окисления под действием воды, влажного воздуха формируется ржавчина, то есть оксиды железа.
Стойкость к коррозии – способность металла не вступать в химические реакции, не окисляться.
Жаростойкость представляет собой отсутствие окислительных процессов на сплаве под воздействием высокой температуры, а также способность не образовывать окалину.
Жаропрочность – сохранение сталью прочности в условиях высокой температуры.

Технологические свойства:

Ковкость, то есть способность материала принимать заданную форму под действием внешних сил.
Обрабатываемость резанием – важное свойство стали, которое упрощает производство металлопроката, так как данный металл хорошо поддается обработке режущим инструментом.
Жидкотекучесть – способность расплава проникать в узкие зазоры, заполнять пространство.
Свариваемость – позволяет осуществлять эффективные сварочные работы, формируя надежное неразъемное соединение, лишенное дефектов.

Механические свойства стали по ГОСТу

Прочность

От данной характеристики зависит, сможет ли металл не разрушиться под действием больших внешних нагрузок. Это механическое свойство стали измеряется количественно при помощи предела текучести и прочности:

Пределом прочности называют максимальное механическое напряжение, при превышении которого происходит разрушение сплава.
Предел текучести, то есть степень механического напряжения. Превышение данного показателя вызывает дальнейшее растяжение металла без дополнительной нагрузки.

Так, при небольших деформациях металлический стержень сохраняет упругость, возвращаясь к исходной длине после снятия приложенного напряжения. Если же напряжение оказывается выше предела текучести, наблюдается пластическая деформация изделия. Иными словами – происходит необратимое удлинение стержня, после которого он не способен вернуться к исходной длине.

Растяжение стержня до разрыва позволяет установить максимальное напряжение, то есть предел прочности материала на разрыв.

Пластичность

Данное механическое свойство стали позволяет ей под действием внешней нагрузки менять форму и потом сохранять ее. Для количественной оценки этого показателя измеряют удлинение при растяжении и угол изгиба. Если во время простого испытания на изгиб металл разрушается при большом пластическом прогибе, его признают пластичным. В противном случае речь идет о хрупком сплаве.

Хорошая пластичность проявляется при испытании растяжением в виде значительного удлинения заготовки либо ее сжатия. Под удлинением понимают увеличения длины в процентном выражении после разрушения до первоначальной длины. А сужение в процентах – это сокращение площади изделия в сравнении с исходным объемом.

Вязкость

Еще одно важное механическое свойство стали, которое подразумевает способность материала справляться с динамическими нагрузками. Его оценивают количественно как отношение работы, необходимой для разрушения образца, к площади его поперечного сечения. Чаще всего понятием «вязкость» обозначают уровень, при котором происходит нехрупкое разрушение металла.

Характер разрушения может быть хрупким или пластичным – разница между этими явлениями наиболее ярко прослеживается на примере ферритных стальных сплавов. Ферритные стали и все металлы, обладающие объемно-центрированной кубической атомной решеткой, имеют общую особенность: при низких температурах им свойственен хрупкий характер разрушения, а при высоких – пластичный. Температуру перехода из одного состояния в другое специалисты обозначают как температуру вязко-хрупкого перехода.

Маркировка сталей

В машиностроении высоко ценятся механические свойства конструкционной, то есть углеродистой и легированной стали, а также высоколегированных нержавеющих сталей. При обозначении марок конструкционной легированной стали (ГОСТ 4543) первые две цифры свидетельствуют о среднем содержании углерода, которое указывается в сотых долях процента.

Буквы в маркировке имеют такую расшифровку:

Р – бор;
Ю – алюминий;
С – кремний;
Т – титан;
Ф – ванадий;
Х – хром;
Г – марганец;
Н – никель;
М – молибден;
В – вольфрам.

После буквы идут цифры, которые обозначают примерное содержание легирующего элемента в целых единицах процента. Если цифр нет, то доля конкретного вещества в металле не превышает 1,5 %. Буква «А» в конце маркировки является признаком высококачественной стали. Показателем особенно высококачественной стали является буква «Ш» через три тире.

Механические свойства нержавеющих высоколегированных сталей (ГОСТ 5632) зависят от перечисленных далее компонентов. При маркировке они обозначаются таким образом:

А – азот;
В – вольфрам;
Д – медь;
М – молибден;
Р – бор;
Т – титан;
Ю – алюминий;
Х – хром;
Б – ниобий;
Г – марганец;
Е – селен;
Н – никель;
С – кремний;
Ф – ванадий;
К – кобальт;
Ц – цирконий.

После букв идут цифры, отражающие долю легирующего элемента в составе сплава в процентах.

Для фиксации основных механических свойств сталей применяют следующие обозначения:

E – модуль упругости. Представляет собой коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и относительным удлинением.
G – модуль сдвига, также известный как модуль касательной упругости. Это коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и относительным сдвигом.
μ – коэффициент Пуассона. Является абсолютным значением отношения поперечной к продольной деформации в упругой области.
σт – условный предел текучести, то есть напряжение, при котором после снятия нагрузки остаточная деформация находится на уровне 0,2 %.
σв – временное сопротивление, известное как предел прочности. Представляет собой такое механическое свойство металла, в том числе углеродистой стали, как прочность на разрыв.
δ – относительное удлинение. Это отношение абсолютного остаточного удлинения образца после разрыва к начальной расчетной длине.
HB, HRC, HV – твердость.

Таблица механических свойств сталей разных марок

Далее представлены механические свойства стали после термической обработки.

E = 200. 210 ГПа, G = 77. 81 ГПа, коэффициент Пуассона μ = 0,28. 0,31.

Наименование

Параметры термической обработки

Предел прочности σв, МПа

Предел текучести σт, МПа

Калибровка после отжига и отпуска

После отжига и отпуска

Пруток, закалка +860 °C, отпуск +500 °C в воде, масле

Пруток, закалка и отпуск

Пруток, закалка +1020…+1 100 °C на воздухе, в масле, воде

Влияние углерода на механические свойства стали

Механические свойства углеродистой стали определяются в первую очередь количеством углерода в составе сплава. При увеличении его доли возрастает объем цементита, сокращается величина феррита. Иными словами, повышаются прочность и твердость, снижается пластичность.

Стоит оговориться, что прочность становится выше при доле углерода в пределах 1 %, а при переходе этой отметки показатель уменьшается. Данная особенность объясняется тем, что по границам зерен в заэвтектоидных сталях образуется сетка вторичного цементита, которая негативно отражается на прочности материала.

Рост доли углерода приводит к увеличению количества цементита, а он является очень твердой и хрупкой фазой. Превосходит феррит по твердости примерно в 10 раз, имея показатель 800HB против 80HB. Вот почему увеличение содержания углерода позволяет повысить такие механические свойства стали, как прочность и твердость, и снизить пластичность, вязкость.

Когда количество углерода доходит до 0,8 %, возрастает доля перлита в сплаве от 0 % до 100 %, вызывая повышение твердости, прочности. Однако не стоит забывать, что последующий рост количества углерода вызывает образование вторичного цементита по границам перлитных зерен. Это явление мало влияет на твердость, но негативно сказывается на прочности, так как цементитная сетка очень хрупкая.

Повышение доли углерода отражается не только на механических, но и на физических свойствах стали. Снижается плотность, теплопроводность, магнитная проницаемость, тогда как удельное электросопротивление, коэрцитивная сила увеличиваются.

С ростом количества углерода происходит повышение порога хладноломкости, а именно: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Поэтому сталь с долей углерода в 0,4 % при нулевой температуре становится хрупкой, из-за чего считается недостаточно надежной.

В железоуглеродистом сплаве содержится преимущественно связанный углерод в форме цементита. Тогда как в чугунах он присутствует в свободном состоянии в виде графита. Увеличение доли данного компонента приводит к изменению свойств металла: возрастает твердость, прочность, снижается пластичность.

Количество углерода влияет как на механические, так и на технологические свойства стали. Чем выше содержание данного вещества, тем тяжелее металл режется, сваривается и деформируется. Последняя характеристика наиболее ярко проявляется в холодном состоянии.

От механических и химических свойств стали зависит сфера применения материала – ее можно узнать по маркировке. Металл, обладающий высокой жаропрочностью, подходит для использования при постоянных высоких температурах. Это же правило распространяется на марки стали с хорошей свариваемостью и стойкостью к образованию ржавчины.

Углерод в составе металлов и его влияние на свойства материалов

Количество углерода в сплаве определяет механические характеристики и другие свойства углеродистых сталей. За счет изменения состава можно сделать материал более твердым или пластичным, прочным или вязким.

Стали, которые именуются углеродистыми, классифицируются по составу, методам производства, степени окисления, областям применения. Сплавы с разной степенью цементита востребованы во многих сферах. Рассмотрим взаимосвязь содержания углерода в материалах и особенностей их использования.

На что влияет содержание углерода в металле?

Существующие производственные процессы не позволяют полностью удалить примеси из стали. Поэтому небольшой их процент присутствует во всех углеродистых соединениях. Также на их наличие влияет выбранный метод плавки.

В зависимости от доли углерода в металле выделяются углеродистая и легированная стали. Этот компонент позволяет скорректировать механические и технические характеристики материала.

В стали содержится:

до 99 % железа;
до 2,14 % углерода;
не более 1 % кремния;
до 1 % марганца;
максимум 0,6 % фосфора;
до 0,5 % серы.

Для чего добавляют углерод в металл?

Присутствует во множестве марок стали. Благодаря добавке материал приобретает широкий диапазон механических свойств. В частности, углерод влияет на соотношение перлита и феррита в структуре твердого металла, расширяет температурный диапазон, при котором железо остается в устойчивом состоянии.
Считается вредной примесью, когда речь идет о сталях специального назначения, таких как стойкие к коррозии, жаропрочные, электротехнические и пр.
В процессе окисления забирает основную долю кислорода, поступающего в ванну с целью удаления примесей. Например, в мартеновском скрап-рудном и конвертерном процессах затрачивается более 75–80 % O₂. Поэтому важная задача управления окислительным рафинированием — это регулировка удаления углерода в материале.
Остается единственной примесью при изготовлении стальных сплавов, окисление которой приводит к выделению газов CO₂ и CO. Объем этих побочных продуктов многократно превосходит количество металла. К примеру, окисление 1 кг углерода при температуре +1500 °C вызывает образование свыше 10 м 3 CO. Газ выходит из ванны в виде пузырей. Благодаря этому металл и шлак перемешиваются, возрастает скорость протекания массо- и теплообменных процессов. За счет этого на плавку тратится меньше времени.
Пузыри оксида углерода проникают через расплав. Они параллельно забирают с собой газы и неметаллические включения в процессе плавки и вакуумирования.
Окисление углерода приводит к нагреву ванны. Это создает условия для протекания кислородных процессов. Например, на конвертерном этапе обработки металла нагревание при окислении углерода отвечает за 20–25 % приходной составляющей теплового баланса плавки. Таким образом, сплав нагревается до температуры выпуска при значительном содержании лома в шихте.
Количество углерода в металле и его постоянное окисление влияют на содержание оксидов железа в шлаке и кислорода в стали. От окисленности ванны зависят потери железа со шлаком в форме оксидов. А также угар легирующих добавок и раскислителей, остаточное содержание прочих примесей и пр.
Окисление интересующего нас элемента в ходе затвердевания металла в изложницах приводит к формированию слитков стали различных видов. Речь идет о спокойном, полуспокойном и кипящем типе.

При увеличении доли углерода в металле возникают такие изменения:

повышается электросопротивление;
ухудшается проницаемость магнитов;
увеличивается коэрцитивная сила;
снижается плотность индукции магнитов.

Свойства стального сплава с разным содержанием углерода

При рассмотрении свойств углерода в металле важно понимать, что характеристики этих сталей определяются сложной структурой молекулярной решетки. Например, у цементита каждая ячейка имеет форму октаэдра.

Такая специфика обеспечивает ряд важных технико-экономических особенностей сплавов:

высокую прочность и несущую способность;
мягкую сердцевину в сочетании с твердым поверхностным слоем. Объясняется плохой прокаливаемостью: это качество компенсирует хрупкость металла;
значительный срок службы — до 50 лет при нормальных условиях эксплуатации либо при использовании средств, защищающих сталь от появления ржавчины;
низкую себестоимость технологии выплавки. Применяется на предприятиях с конца XIX века: именно тогда были изобретены мартеновские печи.

Количество углерода в металле влияет на вид стали:

низкоуглеродистая (до 0,25 % в составе). Обладает пластичностью, при этом легко поддается деформации. Металл обрабатывается при высоких температурах либо в холодном виде;
среднеуглеродистая сталь (от 0,3 до 0,6 %). Характеризуется пластичностью, текучестью. Указанное содержание углерода в металле позволяет применять его как материал для конструкции и деталей, эксплуатируемых в нормальных условиях. Имеет средний коэффициент прочности;
высокоуглеродистая сталь (от 0,6 до 2 %). Выделяется превосходной износостойкостью, низкой вязкостью. Для проведения сварки предварительно разогревается до +225 °C. Это прочный и дорогостоящий металл.

Стоит отметить, что низко- и среднеуглеродистые стальные сплавы легче поддаются обработке, свариванию.

Каждая марка обладает определенной сферой применения и отличается от других видов методом изготовления.

Конструкционные стали

Содержат большую долю углерода. Производятся с использованием специальных конвертеров и мартеновских печей. При маркировке конструкционных сталей берут три первые буквы алфавита и цифры. Числовое значение указывает на количество углерода. А буквы позволяют определить принадлежность сплава к конкретной группе.

Если металл содержит марганец, маркировка дополняется литерой Г. Группа А делит сплавы по механическим свойствам. Б — по процентному содержанию примесей. В — по двум показателям сразу. Так, при изготовлении стали группы А производители ориентируются на необходимые качества. А при выпуске сплавов Б опираются на соответствие нормам.

Инструментальные стали

Выпускаются в электрической или мартеновской печи. Первый тип оборудования наиболее распространен. Марки сплава обладают различной вязкостью и степенью раскисления. Кроме того, инструментальные стали делятся на высококачественные и качественные.

Технология производства углеродистых сталей

Информация о содержании углерода в металле позволяет использовать разные методы изготовления сталей. Для каждой технологии существует особое оборудование.

Специалисты выделяют три основных типа печей, применяемых для этих потребностей. Это плавильные конверторные и мартеновские. А также самые распространенные — электрические.

В конверторном оборудовании все компоненты сплава расплавляются одновременно, после чего смесь обрабатывается техническим кислородом. Чтобы удалить присутствующие примеси путем их превращения в шлак, в горячий металл вносится известь. Процесс производства сопряжен с активным окислением металла, что приводит к выделению большого количества угара.

Применение конверторных печей для выработки углеродистых сталей предполагает установку дополнительных фильтровальных систем. Это связано с тем, что во время работы образуется много пыли. Монтаж дополнительного оборудования во всех случаях приводит к повышенным финансовым затратам.

Тем не менее этот недостаток не препятствует активному использованию конверторного метода на металлургических заводах. Специалисты ценят этот способ за высокую производительность.

Мартеновские печи обеспечивают высокое качество разных сортов металлов. Эта технология производства углеродистой стали состоит из следующих этапов:

в отдельный отсек печи загружается стальной лом, чугун и пр.;
металлы нагреваются до высокой температуры;
все составляющие будущего сплава становятся однородной раскаленной массой;
между компонентами в процессе плавления происходит химическая реакция;
из печи поступает готовый металл.

Электрические печи работают по совершенно иному принципу. Здесь отличается методика нагрева материалов. Благодаря применению электричества в процессе разогрева минимизируется окисляемость металла, что в свою очередь приводит к сокращению доли водорода в сплаве. Это положительно влияет на структуру и качество готовой стали.

Области использования углеродистых сталей

Изготовление деталей машин

Прежде чем начать выпуск определенной детали из углеродистых сталей, оцениваются условия ее дальнейшей работы. Марки металла, содержащие малую долю добавки, подходят для изделий, которые не планируется подвергать серьезным нагрузкам, воздействиям вибрации и ударов. К таким элементам относятся втулки, дистанционные кольца, колпаки, крышки, маховики, прихваты, планки, стаканы для подшипников.

В отдельную категорию выделяются корпусные изделия и сварные каркасные конструкции. В них низкая прочность сталей компенсируется за счет высокой толщины несущего сечения. В то же время податливость материала при сварке обеспечивает повышенный уровень общей технологичности.

Детали, которые в процессе эксплуатации будут подвергаться серьезным нагрузкам, изготавливаются из среднеуглеродистых сталей. В дальнейшем они подвергаются закалке. При условии цементации также используются марки металла с пониженным содержанием углерода.

Эти требования действуют для звездочек цепных передач и шкивов ременных приводов, шестерён, зубчатых колёс, осей, валов, шпинделей, роликов, рычагов, штоков, поршней цилиндров.

Сначала делают заготовку. На этом этапе выполняется резка проката, отливка, поковка или штамповка. Затем переходят к механической обработке и температурной стадии. В конце выполняют доводочные, отделочные операции при помощи абразива. Это шлифовка, хонингование, притирка, суперфиниширование. Важно учесть, что эффективно обработать незакаленные стали с использованием абразивного инструмента невозможно. Дело в том, что процесс приводит к засаливанию режущих зерен.

Высокоуглеродистые рессорно-пружинные виды стали используются лишь в особых случаях. Ведь металл с большим количеством этого вещества в составе предусматривает более сложную обработку. Кроме того, любые дефекты тяжело устранить — например, заварить деталь.

Обычно этот сорт стали применяется для навивки спиральных пружин, производства направляющих скольжения, цанг, рессор и прочих элементов, от которых требуется твердость в сочетании с упругостью.

Рессор

Изготовление инструмента

Назначение углеродистых инструментальных сталей ясно уже из названия. Их использование ограничено повышенной температурой. При нагреве до +250…+300 °C закаленный металл утрачивает твердость и прочность, отпускается.

Кроме того, важно учитывать, что легированные стали превосходят углеродистые по функциональности. Вторые нельзя использовать для резки или выдавливания материалов, имеющих более высокие показатели прочности.

Все указанные особенности позволяют использовать металлы для выпуска ручного инструмента, предназначенного для холодной обработки пластика, дерева, мягких цветных металлов.

В процессе задействуются исключительно кованые заготовки, а не литье. Среди проката подбирается упрочненный сортамент, созданный специально для производства инструмента. Затем металл с заданной долей углерода в составе точится, сверлится, фрезеруется, закаляется и доводится до нужного состояния с помощью абразива. Необходимо отметить, что шлифовка относится к наиболее трудоемким процедурам. Именно в это время задаются требуемые параметры инструмента. Кроме того, все перечисленные операции помогают удалить с металла поверхностный слой, содержащий дефекты после термической обработки.

Производство крепежа

В ГОСТ 1759.4-87 содержатся требования к механическим свойствам крепежа с резьбой. В соответствии с этим стандартом винты, болты, шпильки выпускаются из следующих сортов углеродистых сталей:

20 и 10 — для классов прочности 3.6, 4.8, 4.6, 6.8, 5.8. Актуально, если не предполагается термическая обработка;
35, 30, 45 — для классов прочности 6.6 и 5.6. С выполнением температурной обработки;
35 — для классов прочности 9.8, 8.8, 12.9 и 10.9. При этом термическая обработка считается обязательным этапом.

Крупносерийное и массовое производство метизов из материала, в составе которого содержится углерод, предполагает применение высадочных автоматов, а также технологии холодной или горячей штамповки. После этого на заготовки наносят резьбу.

Если метизы выпускаются мелкой серией, доступен заказ нестандартных крепежных изделий. Партия производится на универсальном оборудовании для металлической резки.

Для изготовления крепежа нередко применяется особая группа углеродистых сталей, отличающаяся повышенной обрабатываемостью. При маркировке таких сортов на первом месте стоит буква А. Металлы отличаются от остальных сплавов максимальной однородностью химического состава и структуры по всему объему проката. Ввиду этого при их обработке на станках-автоматах нет риска перепада нагрузки на инструмент. Ведь эта проблема связана с разной твердостью сплава либо с присутствием в его структуре микродефектов в виде неметаллических включений.

Подводя итог, можно сказать, что углеродистые стали подходят для решения множества технических задач: от сборки несущих конструкций до производства элементов машин. Марки различаются в зависимости от доли углерода в металле.

Почему стоит выбрать нашу компанию?

Мы с уважением относимся ко всем потребностям клиентов и с одинаковым усердием выполняем задачи любого объема.

Наши производственные мощности рассчитаны на различные материалы: цветные металлы, нержавеющую сталь. При выполнении заказа наши сотрудники применяют все доступные способы механической обработки. Новейшее высокотехнологичное оборудование позволяет добиваться максимально точного соответствия изначальным чертежам.

Чтобы заготовка приблизилась к предъявленному заказчиком эскизу, наши работники задействуют универсальное оборудование, которое очень точно затачивает инструмент для особо сложных и деликатных операций. В производственных цехах металл приобретает пластичность. Из него можно создать любую заготовку.

Наши специалисты строго соблюдают требования ГОСТ и всех технологических нормативов. На каждом шаге обработки металла осуществляется жесткий контроль качества. Это позволяет нам гарантировать клиентам добросовестно выполненный заказ.

Огромный опыт наших специалистов позволяет им на выходе получать образцовое изделие, соответствующее всем существующим требованиям. При этом мы ориентируемся на инновационные технологические наработки и отталкиваемся от мощной материальной базы.

Мы принимаем заказы у клиентов со всех регионов России. Если вам требуется услуга металлообработки, наши менеджеры готовы уточнить все условия. В случае необходимости предоставляем бесплатную профильную консультацию.

Читайте также: