Максимальное содержание углерода в сталях составляет

Обновлено: 19.05.2024

Центральное место во всем промышленном материаловедении занимает сталь. С ее помощью успешно решают большинство технических задач. К услугам инженера — огромный диапазон вариантов: начиная от самой простой строительной арматуры и заканчивая хромоникелевой нержавейкой, способной работать в условиях открытого космоса.

Наибольшего внимания заслуживает углеродистая сталь и ее марки. Они лишены значимых легирующих добавок и потому представляют собой исключительно композицию железа и углерода в чистом виде. Познакомиться с углеродистыми сталями поближе — значит понять основополагающие принципы, как ведут себя все сплавы из категории «черных» и от чего зависят их рабочие характеристики.

Классификация и марки

Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то особенных свойств. Остальные довольствуются условным обозначением — т.н. маркой, внутри которой зашифрована ключевая информация. Марку можно сравнить с разновидностью, чей состав и структура жестко определены и неизменны.

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя два определяющих параметра: химсостав материала или его функциональное применение. Причем марки, соседствующие в одной группе по первому делению, с большой долей вероятности станут коллегами и при оценке рабочих свойств.

По химическому составу

Ключевым параметром, на который обращают внимание при знакомстве с любой маркой стали, становится процент содержания углерода. Различают три вида:

05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2

25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6

58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13

Низкоуглеродистые стали предназначены преимущественно для изготовления сварных изделий — за счет малой доли углерода они очень податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию флокенов и трещин, легко поддаются механическому резанию и изгибу. В целом, они вязкие и с низкой прочностью.

Термическое упрочнение (закалка, улучшение) не дают ощутимого эффекта по росту прочности или твердости. Зато собственное низкое содержание углерода позволяет применить к материалу особый вид химико-термической обработки — цементацию. Поверхностные слои насыщаются углеродом из внешнего источника, после чего реакция на закалку становится уже совершенно иной. Твердость поверхности зашкаливает, а сердцевина по-прежнему остается мягкой и может работать как гаситель напряжений.

Среднеуглеродистые стали — наиболее ходовые и популярные благодаря своей «серединности» и универсальности. Они лишены недостатков остальных граничных групп и обладают собственными достоинствами.

В частности, такие марки стабильно и уверенно реагируют на закалку, набирая нужную прочность и твердость без дополнительных ухищрений. Но сварку следует вести с осторожностью — увеличенная доза углерода может приводить к развитию трещин при кристаллизации шва.

Их используют для производства деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают рабочие нагрузки. Это разнообразные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле любых легированных, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительны, если конечное изделие не испытывает негативного воздействия коррозии, нагрева или охлаждения. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.

Высокоуглеродистые стали вообще не рекомендуется варить: они очень склонны к образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. За счет высокой доли углерода на закалку реагируют лучше всех остальных. Результатом становится очень высокая твердость и прочность, вплоть до возникновения пружинящих свойств.

Такие марки закладывают для изготовления специальных деталей машин, пружин различной конфигурации (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.

По области применения

С учетом химического состава, «круг обязанностей» каждой марки уже предопределен, как и сфера, где ее можно использовать максимально эффективно. Поэтому все углеродистые стали разделили на три категории по области применения:

Категория	Группа	Примеры марок
Конструкционные	Общего назначения	Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст5
	Качественные	05кп, 08кп, 10, 15, 20, 35, 45, 50, 55, 60
	Повышенной обрабатываемости	А11, А20, А30, А35
Инструментальные	-	У8, У10, У11, У12А
Специальные	Рессорно-пружинные	65, 70, 75, 80, 85
	Для строительных конструкций	С235, С285, С590К
	Подшипниковые	ШХ4
	Для крановых рельс	К63

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Их активно используют во всех сферах промышленности — начиная от металлообработки и заканчивая возведением атомных электростанций.

Среди них выделяют три основных группы:

общего назначения — марки со стандартной степенью очистки от постоянных примесей. Нужно преимущественно для сварных строительных конструкций, корпусных деталей и ненагруженных элементов;
качественные — повышенной степени очистки и с улучшенными механическими свойствами. Применяются для производства деталей машин и крепежа;
повышенной обрабатываемости — с максимально стабильной структурой и постоянством физико-механических свойств по всему объему. Такой материал идет в работу на автоматические линии.

Инструментальные углеродистые стали могут похвастать куда большим содержанием углерода, чем все остальные «родственники» — от 0,66 до 1,35%. Такие сплавы используют для производства:

режущего инструмента — для работ по дереву, пластику, мягким цветным сплавам и незакаленной стали;
мерительного инструмента;
слесарного инструмента;
оснастки для холодной штамповки;
вспомогательной станочной оснастки.

Главное преимущество инструментальных марок — очень сильная реакция на закалку, увеличенная износостойкость, твердость и прочность.

Углеродистая сталь для строительных конструкций идет на массовый выпуск фасонного проката: швеллера, тавровой и двутавровой балки, уголков. В сплавах этого типа заложено мало углерода и ощутимое количество примесей кремния и марганца (до 0,5..0,8%), чтобы обеспечить необходимую вязкость, устойчивость и хорошее восприятие сварочных процессов.

Очень интересна марка ШХ4, случайно попавшая в группу подшипниковых как единственная нелегированная сталь. Ее используют для производства колец железнодорожных подшипников. Содержание углерода там изрядное — в пределах 0,95 до 1,05% — и присутствует щепотка хрома — 0,35..0,5%.

Марку К63 (или просто 63) применяют исключительно для горячей прокатки специального сортамента — рельс крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и стрессоустойчивостью. Материал постоянно работает с высокими нагрузками и фрикционным износом от катания колес.

Свойства углеродистых сталей

При рассмотрении той или иной марки, инженера интересует химический состав не сам по себе, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. А те, в свою очередь, отражают диапазон функций, которые характерны для материала.

И с оглядкой на такую взаимосвязь можно сделать утверждение, что каждая марка углеродистой стали по-своему уникальна, потому что обладает собственным, неповторимым набором характеристик.

Прочностные характеристики

Первым параметром, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится умение материала сопротивляться действующим нагрузкам. Это комплексная характеристика, в которую войдут:

предел прочности — размер силовой нагрузки, при которой металл разрушается;
предел текучести — размер силовой нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
ударная вязкость — способность сопротивляться внезапным силовым воздействиям;
относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед тем, как окончательно «порваться» под действием радикальной силовой нагрузки, превышающей предел прочности;
твердость — способность сопротивляться внедрению иного твердого тела.

Все эти показатели тесно связаны между собой. И по их оценке можно легко предсказать, как материал поведет себя в работе.

Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда прямая. Например, предел прочности всегда в 1,7..2,2 раза больше предела текучести. Зато, чем выше предел прочности сплава — тем зачастую меньшую величину относительного удлинения при разрыве он покажет.

Механические характеристики углеродистых сталей растут вместе с содержанием углерода. Этот элемент — главный признак всех возможностей сплава.

Ниже в таблице приведены ориентировочные показатели разных категорий сталей в «сыром» состоянии.

Материаловедение: сталь

Что такое сталь? Каковы плотность, температура плавления и другие характеристики стали? В чем роль стального проката в производстве, и как объяснить неуклонный рост цен на сталь в последние годы? Обо всем этом и не только – в нашей новой статье.

Сталь – сплав железа (Fe) с углеродом (C). При этом доля углерода в составе мала: до 2,14% в теории и обычно не более 1,5% на практике. Как и в любых других сплавах, в сталях всегда присутствуют примеси (сера, фосфор, кремний), а для улучшения свойств могут вводиться легирующие элементы.

В силу высокой прочности, жесткости, а также из-за дешевизны сталь используется повсеместно и считается ключевым продуктом черной металлургии. Что важно в свете «зеленых» трендов: сталь можно перерабатывать практически бесконечно. По данным Всемирной ассоциации стали, 75% стальных изделий, выпущенных с момента появления мартеновской плавильной печи в 1864 году, до сих пор в обиходе.

Эти железосодержащие сплавы похожи и по составу, и способом получения. Принципиальное различие в доле углерода. Если его меньше 2,14% от состава, то это сталь; если больше – чугун. Во многом отсюда и разница в свойствах. Так, сталь легче в обработке, тверже и прочнее, ее не разбить ударом. Чугун же хрупче, тяжелее, но более теплоемкий (дольше держит тепло) и в отличие от стали подходит для литья, в том числе художественного. Отметим также, что чугун часто используется для передела в сталь.

Отметим, что у стали высокая температура плавления – это не ЦАМ, не свинец и уж тем более не олово, которые можно плавить у себя на кухне. Сами по себе стальные изделия увесистые – в 2,5 раза тяжелее аналогичных алюминиевых (плотность сплавов алюминия – 2400-2900 кг/м³). Ну и очевидное: все черные стали реагируют на магнит. Причем чем меньше в них углерода, тем лучше магнитные свойства.

Все знают: железо и его сплавы ржавеют. Сталь не исключение. Главная причина появления ржавчины – повреждение оксидной пленки. У тех же алюминия, хрома и никеля она тонкая, но плотная и прочная – настолько, что атомы кислорода не в состоянии диффундировать через нее. У сталей же оксидная пленка хоть и плотная, но непрочная и в любых условиях быстро растрескивается.

Для предотвращения окисления и развития ржавчины сталь покрывают химическим способом – например, оцинковкой, погружая заготовку в бак с расплавленным цинком. В этом случае молекулы цинка реагируют с молекулами железа, и на поверхности образуется защитный слой. Для закрепления эффекта его покрывают дополнительными слоями цинка. Идея способа основана на том, что отрицательный потенциал цинка выше, чем у железа, и в такой паре железо будет восстанавливаться, а цинк отважно послужит щитом для коррозии.

Чтобы металлические конструкции не ржавели, применяют стали, легированные хромом (12-20%) и некоторыми другими металлами, такими как никель, титан и молибден. Защита от ржавчины здесь заключается в формировании инертного слоя оксида хрома, способного к самовосстановлению.

Сразу развеем расхожий миф, что нержавеющая сталь якобы не магнитится. По факту это справедливо для хромникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей, к которым относится всем известная пищевая нержавейка. В то же время техническая нержавеющая сталь, из которой делают клапаны, фитинги и трубы, на магнит вполне себе реагирует.

Впрочем, термообработка не ограничена одной закалкой. Есть еще как минимум отжиг, нормализация и отпуск. Отжигу сталь подвергают для улучшения обработки (принося в жертву твердость); нормализации – для выравнивания структуры и устранения зернистости. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости (пусть, опять же, и в ущерб твердости). Отметим, что отпуск выполняется после закалки и считается важным этапом термообработки, тогда как без отжига и нормализации зачастую можно обойтись.

В любой марке стали есть примеси, пусть и в микроскопическом количестве. Некоторые, такие как кремний, даже улучшают свойства сплава. Однако вредных примесей больше; среди них сера, фосфор, а также газы: кислород, азот и водород.

• Хром (Cr). Придает износостойкость, способность к закаливанию и устойчивость к коррозии. Стали с содержанием хрома от 12% относят к нержавеющим.

• Марганец (Mn). Может присутствовать в виде примесей. Дополнительная присадка марганца улучшает прокаливаемость стали и нивелирует вредное воздействие серы.

• Молибден (Mo). Одна из главных упрочняющих легирующих добавок в жаропрочных сталях. Доля в составе незначительна: 0,15-0,8%.

• Ванадий (V). С ним сталь становится прочнее и устойчивее к износу. Содержание: 1,0-1,5% в штамповых сталях, 0,2-0,8% в специальных.

Содержат только железо, углерод и примеси. Определяющий элемент – углерод: чем его больше, тем сталь жестче и тверже. Чем меньше – тем сталь пластичней, ударопрочней, удобнее в обработке и сварке.

Легированные – это стали, которые кроме основных компонентов и примесей содержат специально вводимые легирующие добавки. По типу легирования такие стали подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромо-никель-кремний-марганцовистые и др. По доле легирующих элементов в составе – на низко- (<5% С), средне- (5-10% C) и высоколегированные (>10% C).

Качество стали определяется спецификой производственных процессов, перерабатываемым сырьем, видом плавки и другими факторами. Все это, в свою очередь, напрямую зависит от состава сплава и содержания в нем примесей.

Стали обыкновенного качества. Рядовые углеродистые стали, где углерода менее 0,6%, серы – в диапазоне 0,045-0,060%, фосфора – 0,04-0,07%. Являясь самыми дешевыми, такие стали уступают сталям остальных классов по всем ключевым свойствам.

Качественные стали. Могут быть углеродистыми (марки 08, 10, 15…) или легированными (0,8кп, 10пс…). Нормативы по примесям: серы – не более 0,04%, фосфора – 0,035-0,04%.

Высококачественные стали. Углеродистые или легированные. Содержание примесей: серы – не более 0,02%, фосфора – не более 0,03%. Примеры марок: стали 20А, 15Х2МА.

Особовысококачественные стали. Эти стали только легированные и содержат не более 0,015% серы и не более 0,025% фосфора. Примеры марок: 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.

Идут на изготовление сварных строительных конструкций, узлов механизмов, деталей машин. Могут быть углеродистыми или легированными. Примеры марок: Ст1, Ст2, Ст3; 05, 10, 15; 15Г, 20Х, 45 ХН и др.

Из них делают режущие и ударные инструменты – от лезвия топора и губок плоскогубцев до напильника и сверла. Само собой, такие стали должны быть твердыми, поэтому содержание углерода в них не менее 0,7%. Примеры марок: У7, У8ГА, У10А (У – углеродистая; число – усредненное содержание углерода, выраженное в десятых долях процента; Г – повышенное содержание марганца; А – высококачественная сталь).

По большому счету, это те же конструкционные стали, но со специфическим составом, особым способом производства или обработки. Нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, кислотостойкие стали – все они относятся к специальным.

Речь о том, сколько кислорода было выведено из жидкого металла при производстве стали и сколько его по итогу осталось. В целом: чем меньше в сплаве остается кислорода, тем чище состав и однородней структура.

Кипящие стали (кп). Раскисляются только марганцем. Обычно это низкоуглеродистые стали с большим количеством оксидов углерода – отсюда просадка в прочности и пластичности. Как следствие, кипящие стали склонны к разрушению, растрескиванию, плохо свариваются и поэтому идут в ход лишь в простых конструкциях. Из плюсов: кипящая сталь самая дешевая.

Спокойные стали (сп). Раскисляются в плавильных печах и ковшах алюминием, марганцем, кремнием. В отличие от кипящих, спокойные стали стабильны: содержат мало остаточного кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газообразных примесей. Применение: конструкции ответственного назначения.

Полуспокойные стали (псп). Частично насыщенные кислородом стали, раскисляемые марганцем и алюминием. Всегда углеродистые. Среднепрочные, применяются в строительстве.

Нет более неудобного вопроса, чем «сколько стоит сталь»? Во-первых, какая и где – на бирже или у местных трейдеров металлопроката? Во-вторых, эта статья написана в марте 2022 года, когда экономику России (да и других стран мира) засосало в турбулентную фазу. Мы можем лишь констатировать, что в ближайшие год-два стоимость стали будет расти. Причем расти кратно, если сравнивать с допандемийным уровнем. Связано это с несколькими причинами:

• Первая волна коронавируса, во время которой приостанавливался сбор лома и ограничивалась работа сталеплавильных заводов. К осени 2020 года из-за лавины отложенного спроса и промедления трейдеров это привело к общемировому дефициту стали.

• Конфликт России с Украиной, последующие санкции, разрыв производственных и логистических цепочек. Это уже ускорило девальвацию рубля, а в перспективе может привести и к гиперинфляции, если конфликт окажется затяжным.

• Зеленые тренды в соответствии с определенными ООН целями в области устойчивого развития (ЦУР). Страны, включая мировую фабрику под названием Китай, уже сокращают выплавку стали ради снижения углеродного следа. Это в каком-то смысле парадоксально, ведь именно сталь – один из важнейших материалов для производства ветрогенераторов и электрокаров, так агрессивно насаждаемых на Западе.

В России фурнитуру для входных и межкомнатных дверей производят по большей части из низкоуглеродистой конструкционной стали. Одна из самых ходовых марок – Ст3 и ее аналоги. Из ее листов изготавливают дверные петли, корпуса и планки замков, розетки дверных ручек, задвижки и, например, крепеж. Подчеркнем: мы говорим о видимых элементах конструкции. Для тех же петельных подшипников есть инструментальные подшипниковые стали (например, ШХ-15). Для возвратных пружин в ручках и замках – средне- и высокоуглеродистая пружинная сталь.

(+) Прочность и антивандальность. Сталь крепче цветных металлов вроде алюминия, латуни и ЦАМ и дольше пилится. Вспомните корпуса гаражных навесных замков – там сплошь и рядом либо сталь, либо чугун.

(+) Дешевизна. Просто приценитесь, сколько стоят стальные дверные петли, а сколько – аналогичные по размерам латунные. Подсказка: первые дешевле в 3-5 раз.

(+) Магнитные свойства. Благодаря этому мы имеем счастье пользоваться такими чудесами инженерной мысли, как магнитные защелки и магнитные дверные стопоры.

(-) Низкие литейные качества. Снова обратимся к дверным петлям. В то время как латунные петли получают литьем под давлением, стальные – гибкой и штамповкой. Отсюда «побочные эффекты»: заметные швы и стыки, зазоры от 2 мм, неровные края, несоразмерность.

(-) Коррозия. Антикоррозийное покрытие рано или поздно повредится, и изделие начнет ржаветь. Кто-то возразит: но как же, есть же, скажем, дверные ручки из нержавеющей стали. А мы и не спорим. Но именно в России в частном секторе они не в ходу из-за дороговизны и ограниченности дизайна, продиктованной опять же низкими литейными качествами.

(-) Вес. Если вы подбираете небольшой и удобный в переноске навесной замок для багажа или противоугонного троса, то, возможно, есть смысл предпочесть алюминий. При одинаковых габаритах алюминиевый замок окажется в 2,5 раза легче стального. Тем более что упрочнение тела замка в данном случае неоправданно: в маленьких замках куда проще перекусить дужку, чем водить пилой по корпусу.

Маркировка и классификация сталей

Сталь — это сплав железа с углеродом (до 2% углерода). По химическому составу сталь разделяют на:

По качеству сталь разделяют на:

сталь обыкновенного качества;
качественную;
повышенного качества;
высококачественную.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы:

А — поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (Ст0, Ст1 и др.);
Б — поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их, кроме условий обработки, определяется химическим составом (БСт0, БСт1 и др.);
В — поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Стбпс, Стбсп.

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры — условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы «кп», «пс», «сп» — степень раскисления «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная).

Сталь углеродистая качественная конструкционная по видам обработки при поставке делится на:

горячекатаную и кованую;
калиброванную;
круглую со специальной отделкой поверхности, серебрянку.

Легированную сталь по степени легирования разделяют:

низколегированная (легирующих элементов до 2,5%);
среднелегированная (от 2,5 до 10%);
высоколегированная (от 10 до 50%).

В зависимости от основных легирующих элементов различают сталь 14 групп.

К высоколегированным относят:

коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии; межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;
жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 50 °C, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии;
жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Сталь легированную конструкционную в зависимости от химического состава и свойств делят:

качественная;
высококачественная А;
особо высококачественную Ш (электрошлакового переплава).

По видам обработки при поставке различают сталь:

горячекатаная;
кованая;
калиброванная;
серебрянка.

По назначению изготовляют прокат:

для горячей обработки давлением и холодного волочения (подкат);
для холодной механической обработки.

2. Классификация углеродистых сталей

Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По назначению различают стали конструкционные с содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. Наибольший объем сварочных работ связан с использованием низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

Основным элементом в углеродистых конструкционных сталях является углерод, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали выплавляют обыкновенного качества и качественные. Стали углеродистые обыкновенного качества подразделяются на три группы:

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

Изготавливают стали следующих марок:

группа А — Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;
группа Б — БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;
группа В — ВСт0, ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет следующее обозначение:

кп — кипящая,
пс — полуспокойная,
сп — спокойная.

Кипящая сталь, содержащая кремния (Si) не более 0,07%, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алюминием и кремнием, и содержит кремния (Si) не менее 0,12%; сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1—5 выплавляют с нормальным и с повышенным содержанием марганца, примерно до 1%. В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).

Стали группы А не применяются для изготовления сварных конструкций. Стали группы Б делятся на две категории. Для сталей первой категории регламентировано содержание углерода, кремния марганца и ограничено максимальное содержание серы, фосфора, азота и мышьяка; для сталей второй категории ограничено также максимальное содержание хрома, никеля и меди.

Стали группы В делятся на шесть категорий. Полное обозначение стали включает марку, степень раскисления и номер категории. Например, ВСтЗГпс5 обозначает следующее: сталь группы В, марка СтЗГ, полуспокойная, 5-й категории. Состав сталей группы В такой же, как сталей соответствующих марок группы Б, 2-й категории. Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех категорий и степеней раскисления выпускаются с гарантированной свариваемостью. Стали БСт1, БСт2, БСтЗ поставляют с гарантией свариваемости по требованию заказчика.

Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с ГОСТ 1060—74. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду (0,03—0,04%). Стали с содержанием углерода до 0,20%, включительно, могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр, буквы «сп» не ставят.

Углеродистые стали в соответствии с ОСТ 14-1-142—84 подразделяются на три подкласса:

низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25%;
среднеуглеродистые с содержанием углерода (0,25—0,60%);
высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,60%.

В сварных конструкциях в основном применяют низкоуглеродистые стали.

В сварочном производстве очень важным является понятие о свариваемости различных металлов.

Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы:

I — хорошо сваривающиеся;
II — удовлетворительно сваривающиеся, т. е. для получения качественных сварных соединений деталей из этих сталей необходимо строгое соблюдение режимов сварки, специальные присадочные материалы, определенные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка;
III — ограниченно сваривающиеся, для получения качественных сварных соединений необходим дополнительный подогрев, предварительная или последующая термообработка;
IV — плохо сваривающиеся, т. е. сварные швы склонны к образованию трещин, свойства сварных соединений пониженные, стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций.

Все низкоуглеродистые стали хорошо свариваются существующими способами сварки плавлением. Обеспечение равнопрочности сварного соединения не вызывает затруднений. Швы имеют удовлетворительную стойкость против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу, вероятность возникновения холодных трещин повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях, для предупреждения появления трещин, применяют предварительный подогрев до 120—200 °C.

В табл. 1. приведено обозначение химических элементов в марке легированной стали, а в табл 2 — состав некоторых марок сталей. В табл. 3 приведено примерное назначение различных марок сталей.

Таблица 1. Обозначение химических элементов в марке легированной стали

Таблица 2. Массовая доля химических элементов в различных марках стали в %

Сколько углерода содержится в стали. 2. Чем отличаются углеродистые стали от легированных? 3. Где применяют инструментальную углеродистую сталь? Как она обозначается? 4. Где используют легированные ко

Сталь — это сплав железа с углеродом, процент содержания последнего при этом не должно превышать 2,14%. Все что выше этого значения — уже чугун. Низкоуглеродистая сталь отличается пониженным содержанием углерода, что откладывает свой отпечаток как на механические, так технологические свойства.

Существует несколько стандартов, которые регулируют состав углеродистых сплавов. Среди них наиболее востребованы ГОСТ 380-2005 и ГОСТ 1050-90. Согласно им низкоуглеродистой может называться сталь, которая включает в себя:

Углерод (до 0,25%). Он позволяет термически упрочнять сталь, в результате чего твердость и временное сопротивление металла может увеличиться в несколько раз.
Кремний (до 0,35%) Он улучшает механические характеристики, особенно, это касается ударной вязкости и прочности. Также увеличение кремния в сплаве положительно сказывается на свариваемости.
Марганец (до 0,8%) относится к группе полезных примесей. По своему молекулярному строению схож с кислородом и активно вступает с ним химическую связь, что препятствует образованию оксида железа. Сталь, легированная марганцем, более однородна по составу, лучше справляется с динамическими нагрузками, становиться податливей к термическому упрочнению.
Сера (до 0,06%) – вредная примесь. Делает металл красноломким, усложняет обработку давлением: ковкой, прокаткой и т.д. Снижает плотность сварного шва. Повышает отпускную хрупкость.
Фосфор (до 0,08%) ответственен за появление хладноломкости. Искажает кристаллическую структуру стали. Снижает ее ударную вязкость. Ухудшает прочность и выносливость металла. Но не всегда фосфор является вредной примесью. В некоторых случаях его добавление оправдано, т.к. он увеличивает податливость металла резанию. Но все равно, общее количество его не должно превышать 0,1%.
Кислород – самый нежелательный элемент в составе стали. Введение 0,001% кислорода способно снизить прочность металла на 50%. Препятствует обработки сплава режущим инструментом.
Азот. После попадания его в металл, образует нитриды железа – очень хрупкое соединение, которое снижают как прочностные, так и технологические свойства сплава.

Виды нелегированных углеродистых сталей по содержанию углерода

Низкоуглеродистые с содержанием C не более 0,25%

Большая часть этой продукции выпускается в виде холоднокатаных или отожженных листов и полос. Свойства, а следовательно области ее применения, зависят от процентного соотношения компонентов:

До 0,1% C, Mn менее 0,4%. Высокая способность к горячей деформации и холодному волочению. Материалы востребованы при производстве проволоки, очень тонкого листа, используемого при изготовлении тары, а также для изготовления корпусов автомобилей.
C 0,1-0,25%. Способность к деформированию ниже, чем у вышеописанной группы, но твердость и прочность выше. Часто эти марки востребованы для производства деталей с цементуемым поверхностным слоем. Процесс цементации позволяет получить износостойкий поверхностный слой в сочетании с вязкой сердцевиной. Это актуально для валов и шестерен.
C на уровне 0,25%, Mn и Al – до 1,5%. Обладают высокой вязкостью. В металлы, предназначенные для штамповки, ковки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов, алюминий не добавляют.
C на уровне 0,15%, Mn – до 1,2%, Pb до 0,3% или без него, минимальное количество Si. Эту группу применяют в массовом производстве на автоматических линиях деталей, не предназначенных для восприятия серьезных механических и температурных нагрузок. Для изделий с высокими требованиями по пластичности, вязкости, коррозионной стойкости сплавы не применяются.

Среднеуглеродистые с C0,2-0,6%

Содержание марганца обычно находится в пределах 0,6-1,65%. Применяются при производстве продукции, запланированной для эксплуатации при высоких нагрузках. Обычно их производят спокойными. Упрочняются нагартовкой или термообработкой. Все стали этой группы могут подвергаться ковке. Данная металлопродукция широко применяется в машиностроении. Марки с высоким содержанием углерода (0,4-0,6%) востребованы при производстве железнодорожных рельсов, колес и осей вагонов.

Высокоуглеродистые – 0,6-2,0%

Повышение количества углерода до 1% приводит к росту прочности и твердости при постепенном снижении предела текучести и пластичности. При росте процентного соотношения C выше 1% начинается формирование грубой сетки из вторичного мартенсита, приводящей к понижению прочности материала. Поэтому стали с содержанием C более 1,3% практически не изготавливают.

Высокоуглеродистые марки имеют высокую себестоимость изготовления, обладают низкой пластичностью, плохо свариваются. Область применения этой группы достаточно ограничена – производство режущего инструмента, в том числе предназначенного для землеройной и сельскохозяйственной техники, изготовление высокопрочной проволоки.

Особенности низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистая сталь по сравнению с другими сталями крайне пластична. Их относительно удельное сопротивление на сжатие составляет 23-35% в зависимости от процента содержания углерода в составе. Чем его больше, тем пластичность ниже.

Все марки низкоуглеродистых сталей имеют первую категорию свариваемости.

Процесс сварки не требует сложных подготовительных операций: прогрева поверхности, обезжиривания и т.д. Сварной шов получается плотным, при работе на сжатие по прочности сравним с цельным металлом. Пониженная углеродистая сталь поддается всем видам сварки: от обычной электродуговой до вакуумной в среде инертных газов.

Низкоуглеродистая сталь не обладает повышенными прочностными характеристиками. Временное сопротивление на разрыв для нее колеблется в пределах 320-450 МПа. То же самое можно сказать относительно твердости. Без дополнительного упрочнения твердость стали составляет 22-23 единиц по шкале Роквелла.

Низкоуглеродистые марки не поддаются закалке в силу малого содержания углерода в составе. Среди немногочисленных вариантов улучшения сталям своих механических свойства выделяют цементацию. Это разновидность химико-термического упрочнения, при котором поверхность металла принудительно насыщают углеродом, что делает металл более твердым и износостойким. Помимо этого, в качестве механического упрочнения хорошо зарекомендовали себя разного рода наклепы, обкатка роликами и прочее.

Инструментальные стали

Для обеспечения надежной работы инструментов сталь должна обладать специальными свойствами, которые проявляются у каждой группы материалов по-разному в зависимости от производства и технологии введения добавок.

Шарикоподшипниковые формы

Сплавы при производстве очищаются от неметаллических примесей, использование технологии вакуумно-дугового или электрошокового переплава уменьшает пористость металла. При производстве подшипников и их узлов применяют хромистые шарикоподшипниковые стали с добавками хрома. Дополнительное легирование осуществляется марганцем и кремнием с целью увеличить показатель прокаливаемости. Чтобы детали можно было изготавливать методом холодной штамповки и резать применяется отжиг металла на твердость.

Закалка деталей (роликов, шарикоподшипников и колец) проводится в масляной ванне при температуре 850−870˚С, их охлаждают с целью обеспечения стабильности до 25˚С перед отпуском. Так как подшипниковые и подобные элементы при эксплуатации испытывают сильные динамические нагрузки, то их делают из металлов с дальнейшей термической обработкой и цементацией.

Износостойкие виды

Сопротивление износу повышается с увеличением показателя поверхностной твердости материала. Для долговременной эксплуатации важны такие качества сплава:

сопротивление разрушению при абразивном трении;
долговременная эксплуатация в условиях высокого давления и ударных нагрузок.

Износостойкие металлы применяют при изготовлении гусеничных траков, дробильных плит камнедробильного оборудования, раздавливающих щек. Работа в таких условиях эффективна благодаря свойству сталей набирать прочность и твердость в условиях пластической холодной деформации, достигающей 70%. Добавки фосфора больше 0,027% приводят к увеличению хладноломкости сырья.

Литая сталь имеет структуру аустенита, у которого на границах зерен выделяется излишний марганца карбид, ведущий к уменьшению прочности и вязкости. Чтобы получить аустенитную однофазную структуру заготовки закаливают в водной среде при температуре около 1100˚С.

Сопротивляющиеся коррозии

Эти материалы используют для изготовления элементов приборов, работающих в условиях электрохимической коррозии, их называют нержавеющими. Стойкость к коррозии развивается после введения добавок, ведущих к образованию поверхностных пленок с хорошей адгезией к металлу. Эти слои уменьшают непосредственное взаимодействие сталей с внешними раздражающими факторами и повышают потенциал в электрохимической среде.

Нержавеющие металлы делят на хромоникелевые и хромистые. Хромистые составы используют для пластичных деталей, которые изготавливают штамповкой и методом сварки. Этот вид подразделяют на ферритные, мартенситно-ферритные и мартенситные сплавы. Для повышения сопротивления ударам их закаливают в масле при температуре около 1000˚С в условиях высокого отпуска с показателями температуры в пределах 600−800˚С.

Существует несколько основных критериев по которым подразделяются углеродистые марки. Одним из самых важных среди них являются условия проведения раскисления. Выделяют следующие низкоуглеродистые стали:

Спокойные. Включает минимальное содержание в составе окиси железа, что делает процесс выплавки «спокойным» — без бурного выделения углекислоты с зеркала металла. Возможным это стало благодаря введению раскислителей: алюминий, марганец и кремний. Все выходящие газы скапливаются в усадочной раковине, которая впоследствии обрубается, что в результате дает плотный и однородный металл.
Кипящие. Раскисляются одним марганцем. Имеют увеличенное количество оксида железа в составе. Процесс плавки сопровождается выделением углекислого газа, что создает впечатление будто металл кипит. Эти стали менее прочны и менее однородны по химическому составу, но при этом стоят дешево и имеют низкий процент отходов в производстве.
Полуспокойные. Помимо марганца для удаления кислорода дополнительно применяют алюминий. По характеристикам эта углеродистая сталь представляет собой что-то среднее между кипящими и спокойными сплавами.

Помимо степени раскисления низкоуглеродистые марки также классифицируются по наличию неметаллических включений в своем составе. Исходя из этого они различаются на:

Обыкновенного качества;
Качественные машиностроительные.

Рассмотрим каждый пункт более подробно.

Стали обыкновенного качества. К ним не предъявляются строгие требования как к выбору шихты, так и к плавке и разливке. Фосфора в них допускается не более 0,08%, а серы не более 0,06%. Разливают такой сплав в крупногабаритные слитки, поэтому для них характерно появление зональной ликвации.

Сталь обыкновенного качества идет на производство разного рода горячекатаного металлопроката: прутки ГОСТ 4290-90, швеллеры ГОСТ 8240-97, балки ГОСТ 8239-95, уголки ГОСТ 8509-95 и прочие. Этот прокат служит материалом для производства разного рода болтовых, клепочных и сварных металлоконструкций. В станкостроении из нее производят малоответственные детали не требующие проведения термобработки: оси, вальцы, зажимы и т.д.

Исходя из гарантированности указанных свойств сталь обыкновенного качества бывает:

Группы «А». Поставка происходит по механическим характеристикам, химический состав при этом не нормируется. Маркируется «Ст» и цифрой от 0 до 6. (Ст.6, Ст.5 и т.д.). С увеличением цифры возрастает и прочность выбранного сплава.
Группы «Б». Такие металлы идут с нормированным химсоставом. В маркировке дополнительно прописывается способ получения сплава.
Группы «В». Здесь в сталях регулируются одновременно прочностные характеристики и химсостав. В маркировке дополнительно указывается буква В.

Качественные машиностроительные стали производятся в более строгих условиях выплавки. Обладают меньшим количеством вредных образований в химсоставе: сера до 0,04%, фосфор до 0,04%. Маркируются надписью «сталь» и цифрой, указывающей количество карбидов в сотых долях процента.

Сталь 08 и 10 применяются в ответственных узлах машиностроения. Из них производят втулки, змеевики, прокладки и т.д. Перед использованием все детали обязательно подвергаются цементации или любому другому химико-термическому упрочнению.

Стали 15, 20, 25 используются для узлов, работающих на износ и не испытывающих повышенных механических нагрузок: рычаги, шестерни, толкатели клапанов и т.д.

Способы получения

Выделяют следующие низкоуглеродистые стали в зависимости от способа выплавки:

Конверторные печи. Металл плавиться за счет химической теплоты экзотермических реакций. Удаление излишнего углерода происходят при продувке кислорода сквозь зеркало металла. Плюсом такого способа является высокая производительность. Минусом – повышенная концентрация азота на выходе.
Мартеновские печи. В рабочей камере сжигается жидкое топливо. Необходимая температура плавки достигается за счет теплоты отходящих газов. При таком способе сплав получается более раскисленным и с меньшим содержанием неметаллических примесей.
Электропечи. Обладают более совершенным способом выплавки. Все качественные марки низкоуглеродистой стали выплавляются только таким методом.Достоинством здесь выступает простота регулировки теплового режима и возможность использования шлаков и флюсов. Минус – значительные затраты электроэнергии.

Низкоуглеродистая сталь в большей степени востребована машиностроением и, особенно, строительством. Именно эти отрасли обеспечивают ее постоянным спросом вот уже на протяжении нескольких десятков лет. И ссудя по обширно обустраивающимся городам и развивающейся промышленности потребность в углеродистой стали будет только увеличиваться.

Химический состав сталей

Химический состав сталей — тема практически неисчерпаемая, но оттого ее важность не становится меньшей. Любой потребитель обязан четко представлять себе классификацию сталей по составу. Особенно актуально обратить внимание на состав стали 3 и 45, 20Х и 20ХНЗА, 45Х и 35, 40ХНМА и У9А.

Как влияет на свойства?

Ценность изучения химического состава сталей в том и состоит, что каждое вводимое в них вещество воздействует определенным образом. Совершенно обязательный углерод обеспечивает во многом твердость и упругость. Отвечает он также за прочность материала. Однако тот же карбоновый компонент делает сталь менее вязкой, затрудняет ее сварку и механическую обработку. Польза кремния для металлургов несомненна. Они используют его как раскислитель. По умолчанию этот элемент содержится в незначительном количестве. Существенного воздействия на параметры сплава он не оказывает. Но если кремния будет свыше 2%, хрупкость стали заметно возрастет. Ковать ее нельзя, потому что она будет разрушаться.

Сера и фосфор — однозначно вредные компоненты. Только в автоматных сталях допускается относительно высокое их содержание, но и там оно жестко нормируется. Значительная концентрация серы приводит к красноломкости. При попытке ковать подобный металл в разогретом состоянии он будет трескаться. Фосфор ведет к появлению эффекта хладноломкости. Но надо понимать, что фосфористые стали чуть лучше обрабатываются (отделение стружки улучшается).

Марганец по умолчанию присутствует в объеме 0,3-0,8%. Этот элемент не оказывает серьезного воздействия на свойства. Он отчасти компенсирует вредные воздействия серы и кислорода. Легируя сплав марганцем, металлурги добиваются лучшей твердости. Немного вырастает пригодность его для режущих инструментов, сокращается риск появления красноломкости, улучшается и прокаливаемость. Однако сопротивляемость ударной нагрузке понизится.

Хромированный продукт менее вязок и имеет низкую теплопроводность. Но все же такие сплавы весьма популярны. Введение хрома улучшает способность стали закаливаться.

Металл:

станет прочнее;
приобретет большую жаростойкость;
улучшит пригодность для режущих инструментов;
не будет преждевременно истираться.

В простых сортах стали доля хрома составляет не более 2%. В специальных марках его может быть до 1/4. Такие добавки точно исключат коррозию. Полезен в антикоррозийном плане и титан. Его применяют, чтобы сделать сталь прочнее и плотнее. При введении титановых добавок растет ее пластичность и упрощается производство готовых изделий на станках. Молибден увеличивает прочность и твердость одновременно. Благодаря нему сокращается вероятность поломки при горячей ковке. Молибденовые стали мало подвержены коррозии. Они достаточно теплоустойчивы, чтобы подходить для конструкций в сфере энергетического машиностроения. Такой металл имеет высокую несущую способность даже под воздействием ударных нагрузок и значительных температур. Правда, его сварка встречает затруднения.

Ниобий вводят, чтобы повысить стойкость к кислотам. Косвенно он помогает сократить коррозию сварного шва. От никеля зависят вязкие свойства и упругость, однако он немного понижает теплопроводность. Вольфрам, реагируя с углеродом, наращивает твердость и понижает красноломкость сплава. Его примесь способствует росту работоспособности сталей, оптимизирует их способность к прокаливанию. Стоит вкратце охарактеризовать и влияние других базовых элементов. Ванадий способствует образованию мелких зерен. Пригодность для сваривания повышается. Раскисляющий эффект позволяет добиться большей плотности.

Кобальт помогает увеличить жаропрочность. Кобальтовые стали имеют более высокие магнитные характеристики. Алюминий используют в производстве стали в качестве раскислителя. Он способствует выработке мелкозернистой структуры. После добавления такого компонента штамповая обработка будет идти проще.

Медь не сказывается на пригодности для сваривания, но благодаря ней растет стойкость к коррозии и улучшается текучесть.

Классификация сталей по составу

Сплавы могут быть разными по своему составу.

Углеродистые

Стали подразделяются не только по тем свойствам, которые определяют элементы по отдельности. Углеродистые стали имеют низкую концентрацию добавок. Свыше 70% всего проката в мире относится именно к такому типу. Решающее значение имеет концентрация углерода. За счет ее варьирования технологи научились влиять на:

текучесть;
общую твердость;
плотность материала;
уровень его пластичности.

Среди углеродистых сталей бывают частные виды:

феррит и перлит образуются при количестве карбонового компонента меньше 0,8%;
при точном содержании в 0,8% типична перлитная структура;
если концентрация вырастает более 0,8%, там появляется цементит.

Конструкционную углеродистую продукцию, сообразно названию, используют для получения арматуры и иных частей строительных конструкций. Доля углерода при этом составляет не более 0,65%. Принято делить такой металл уже по степени качества: на обыкновенный, качественный и специальный разряды. Для строительства применима сталь всех групп по качеству, с учетом требований. Инструментальная продукция существенно отличается и к ней предъявляют иные запросы.

Легированные

В них, в отличие от углеродистых, содержится больше марганца и кремния. Добавляется также как минимум один легирующий (улучшающий) компонент. Такие сплавы классифицируются именно по концентрации оптимизирующих добавок. Низколегированный продукт подходит для инструмента с низкими практическими характеристиками.

Высоколегированная сталь ценится за улучшенные технологические параметры, привлекательную закаливаемость и способность прокаливаться, за то, что она меньше коробится. Еще больше легирующих элементов в быстрорежущих сталях.

Маркировка и обзор марок

Уже традиционно стоит напомнить, что в большинстве случаев первые 2 цифры в марке стали — это десятые доли процента углерода. При отсутствии таких цифр можно считать его концентрацию равной или большей 1%. Прочие элементы обозначаются уже цифрами перед буквенным символом. Сталь 3 вообще никаких букв не содержит. В ней есть от 0,14 до 0,22% углерода, на долю марганца приходится от 0,4 до 0,6%. Качественная углеродистая сталь 45 более богата углеродом. Его концентрация может достичь 0,5%. Для марганца это минимальная планка, максимально же его бывает 0,8%. У сплава 45Х доля углеродного компонента может достичь 0,41-0,49%, при этом туда вводят еще не менее 0,8% хрома и не более 0,8% марганца. Не менее любопытной может оказаться сталь №5.

Это классический углеродистый металл обыкновенного качества. При содержании того самого углерода от 0,28 до 0,37% в нем присутствует еще:

минимум 0,5% марганца;
0,15-0,3% кремния;
до 0,3% меди.

Сталь 20Х — это хромистый сплав с содержанием не более 0,3% никеля. Концентрация меди в нем ограничена той же планкой, а вот углерода не менее 0,17%. Среди конструкционных углеродистых сплавов выделяется еще и сталь 35. Разброс содержания углерода — от 0,32 до 0,4%. Сопротивление разрыву в краткосрочной перспективе составляет 530 МПа. Вариант 25Г2С оптимально подходит для сварных конструкций. Хрома там содержится максимум 0,3%, а вот марганца может быть в 5 раз больше. Содержание кремния втрое выше, чем хрома.

Среди легированных сталей стоит упомянуть 40ХНМА. При концентрации углеродной добавки от 0,37 до 0,44% присутствует заметно больше никеля (допускается свыше 1,4%).

Хорошим легированием отличается также сплав 20Г, однако в нем явно меньше углерода (строго максимум 0,24%), а тем более никеля. Основной упор делается на марганец, которого может оказаться до 1%. Если нужно выбрать богатый никелем сплав, то это будет 18Х2Н4МА (4,4%) при содержании углерода максимум 1/5 процента и марганца не более 0,55%. В составе 20ХН содержится от 1 до 1,4% никеля и до 3/4 процента хрома. А закаливаемый при 860 градусах в масле металл 38Х2Н2МФА включает около 95% железа. Допустимый разброс никеля – от 1,3 до 1,7%, молибдена будет максимум 0,3%.

Марка У9А красноречиво говорит про углеродистость на уровне 0,9%. Концентрация главного улучшителя (марганца) при этом достигает 0,28%. В случае 20ХГСА нормировано строгое вхождение кальция (максимум 3/1000 процента). При этом марганца может быть до 1,1, а кремния – даже до 1,2%. Что касается других марок:

Читайте также: