Максимальное теоретически содержание углерода в сталях в

Обновлено: 01.06.2024

В настоящее время сталь является основным металлическим материалом промышленности. Большое разнообразие химического состава сталей и видов их обработки позволяет получать различные свойства и удовлетворять запросы многих отраслей техники. В настоящее время ежегодно в мире выплавляют стали более 2000 марок.

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, назначению и др.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По содержанию углерода те и другие условно делят на низкоуглеродистые (С ≤ 0,25%, среднеуглеродистые (0,3 …0,6%С) и высокоуглеродистые (≥0,7%С).

Легированные стали в зависимости от содержания легирующих элементов разделяют на низколегированные, содержащие менее 2,5% легирующих элементов; среднелегированные – 2,5 – 10% легирующих элементов; высоколегированные – более 10% легирующих элементов.

По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникельмолибденовые, хромокремнемарганцевоникелевые и т.д. В связи с тем что более широко используются стали легированные несколькими элементами, что делает данную классификацию громоздкой.

По качеству стали классифицируются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные.

Классификация по качеству. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств во многом зависят от содержания вредных примесей – серы и фосфора и газов (О₂, N₂, Н₂), поэтому их нормы содержания являются основными показателями для разделения сталей по качеству.

По качеству различают стали:

- обыкновенного качества (углеродистые), S≤0,05%, Р≤0,04%;

- качественные (углеродистые и легированные) S≤0,04%, Р≤0,035%;

- высококачественные (углеродистые и легированные) S≤0,025%, Р≤0,025%;

- особовысококачественные (легированные) S≤0,015%, Р≤0,015%.

По степени раскисления стали (углеродистые) классифицируют на спокойные, кипящие и полуспокойные. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. При их затвердевании выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и алюминием и по степени раскисленности занимают промежуточное положение. Легированные стали выплавляются только спокойные.

Классификация по структуре для углеродистых сталей (в отожженном состоянии) приведена в главе 1, а легированных (в отожженном и нормализированном состояниях) - в разделах 3 настоящей главы.

По назначению (применению) стали объединены в группы: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами. Данная классификация является более содержательной, чем рассмотренные ранее классификации. Она в большей мере характеризует стали, поэтому ее рассмотрению уделяется больше внимания.

Конструкционными называются стали, применяемые в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Они могут быть углеродистыми и легированными. Содержание углерода в этих сталях не превышает 0,6%. Однако в некоторых случаях может достигать 1%.

Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Поэтому конструкционные стали, кроме высоких механических свойств, определяемых при стандартных испытаниях (σ_в – временное сопротивление, σ_0,2 – предел текучести, δ – относительное удлинение, ψ – относительное сужение, НВ – твердость) должны обладать высокой конструктивной прочностью, т.е. прочностью, которая проявляется в условиях их реального применения.

Конструкционные стали должны иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка и т.д.), резанием, обладать высокой прокаливаемостью. Строительные конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми видами сварки.

Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатаной, калибровочной и шлифованной стали, в виде листов, полос, фасонных профилей и др.

Углеродистые конструкционные стали (стали общего назначения). Стали углеродистые обыкновенного качества выплавляют в кислородных конверторах, мартеновских и электропечах. Стали широко применяются в строительстве. Ряд марок сталей назначается и для деталей машиностроения. Сталь изготавливается горячекатаной – сортовой, фасонной, толстолистовой, тонколистовой, широкополосной (универсальной) – и холоднокатаной – тонколистовой. Из стали изготавливаются трубы, поковки и штамповки, лента, проволока и др.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) изготавливают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В маркировке сталей буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. С увеличением номера марки, за исключением марки Ст0, в сталях увеличивается количество углерода. Информацию о количественном химическом составе (в том числе и о содержании углерода марка стали не содержит).

Стали обыкновенного качества содержат, по сравнению с другими сталями, повышенное содержание серы – до 0,05%, фосфора – до 0,04%, а в стали марки Ст0: серы не более 0,06%, фосфора – не более 0,07%.

Сталь с номерами марок 1, 2, 3, 4 изготавливают кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп), с номерами 5 и 6 полуспокойной и спокойной. Сталь марки Ст0 по степени раскисления не разделяют. Степень раскисления обозначается буквами кп, пс, сп, приводимыми в конце наименования стали. Например: Ст1кп, Ст2пс, Ст5сп и др.

Сталь марок Ст 3пс, Ст 3сп и Ст 5пс изготавливают с повышенным содержанием марганца. В обозначении этих марок сталей ставят букву Г. Ст 3Гпс, Ст 3Гсп, Ст 5Гпс.

Спокойные стали (раскисленные Mn, Si, Al) содержат пониженное количество кислорода и различных оксидов. Содержание кремния составляет 0,15-0,30%, однако даже в этих относительно малых количествах кремний повышает предел текучести и снижает пластичность.

Кипящие стали (раскисленные только Мn) содержат кремний лишь в качестве примеси (≤ 0,05%). Кипящие стали по сравнению со спокойными и полуспокойными сталями имеют одинаковый предел прочности, но обладают более высокой пластичностью и хорошо подвергаются холодной обработке давлением (прокатке, вытяжке и др.). Кипящие стали более дешевые, так как отходы при их производстве минимальны. Поскольку пластичность сталей зависит и от содержания углерода, то количество его в кипящих сталях не более 0,25%.

Полуспокойные стали (раскисленные Mn и Al) содержат кремния до 0,15%. По составу и свойствам они занимают промежуточное положение. Полуспокойные стали используют, в частности, для холодного выдавливания болтов и других деталей.

Химический состав сталей обыкновенного качества соответствует ГОСТ 380-94. Этот стандарт соответствует международным стандартам ИСО 630-80 «Сталь конструкционная. Пластины, широкие фаски, бруски и профили» и ИСО 1052-82 «Сталь конструкционная общего назначения», в части требований к химическому составу сталей.

Качественные углеродистые стали (стали общемашиностроительного назначения). Стали выплавляют в мартеновских и электрических печах с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу: содержание серы не должно превышать 0,04%, фосфора 0,035-0,04% (в зависимости от марки), стали также должны иметь меньшее, чем в сталях обыкновенного качества количество неметаллических включений.

Углеродистые качественные стали в соответствии с ГОСТ 1055-88 маркируют двухзначными числами, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: 05, 08, …, 15, …, 45, …, 60 (соответственно 0,05, 0,08, …, 0,15, …, 0,45, …, 0,60% С).

Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2% могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными. Кипящая сталь имеет в конце маркировки буквы кп, полуспокойная – пс. Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются, например: 08кп, 10пс, 18кп, 20, 25, 30, 35 и т.д. Химический состав углеродистых качественных конструкционных сталей соответствует ГОСТ 1050-88.

Качественные стали подразделяют на подгруппы. Низкоуглеродистые 05кп, 08кп, 08, 10кп, 10сп, 10, 11кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей (прокладок, шайб, капотов тракторов, змеевиков), элементов сварных конструкций и т.д. Стали хорошо деформируются в холодном состоянии. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность стали принимать вытяжку, поэтому для холодной штамповки, особенно для вытяжки, более широко используют холоднокатаные полуспокойные и кипящие стали 08пс, 08кп.

Стали 15, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормализованном виде. Стали поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки, они менее пластичны несколько хуже деформируются в холодном состоянии. Сталь хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Эти стали используют для цементуемых деталей, работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок (например, кулачковых валиков, рычагов, осей, втулок, шпинделей, вилок и валиков переключения передач, пальцев рессор и многих других деталей автотракторного, сельскохозяйственного и общего машиностроения).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (распределительных валков, шпинделей, фрикционных дисков, штоков, траверс, плунжеров и т.д.). Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии достаточно хорошо обрабатываются резанием. Прокаливаемость сталей невелика, поэтому их следует применять для изготовления небольших деталей или больших размеров не требующих сквозной прокаливаемости.

Стали марок 50, 55, 60 применяют после различных видов термической обработки – нормализации улучшения, закалки с низким отпуском, закалки ТВЧ и др., которые значительно повышают эксплуатационные и прочностные свойства деталей (зубчатые колеса, шпиндели, тяжело нагруженные валы, муфты сцепления, прокатные валки, колеса и бандажи для подвижного состава железных дорог, диски сцепления.

Структура и свойства чугунов

Сплавы, содержащие > 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2.1.1), называются чугунами.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Ц, называются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного большим количеством цементита в структуре). Из диаграммы Fe-Ц следует, что затвердевание этих сплавов происходит при Т £ 1147 о С непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения

Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтектическим1, а образующаяся смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легко плавящаяся» – из диаграммы Fe-Ц видно, что чугуны имеют наименьшую температуру плавления среди железоуглеродистых сплавов).

Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии исследователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустенита и цементита, но при Т£ 727 о С аустенит превращается в перлит (напомним, что РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах ледебурит(Л) – сложная структурная составляющая; представляет собой светлую цементитную основу с темными включениями перлитных зерен.

По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические(2,14…4,3 %С) со структурой Л+П+Ц_II, эвтектические(4,3 %С)– Л и заэвтектические (4,3…6,67 %С) – Л+Ц_II.

Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства.

Механические же свойства этих сплавов можно оценить, экстраполировав зависимости, показанные на рис. 2.1.3, на содержание углерода > 2,14 %.

Видно, что белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре (о свойствах Ц – в разделе 2.1.1). Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.

На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны.

Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe₃C – цементита), а в свободном – в виде включений графита[14] различной формы.

Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:

1) формы (и количества) графитных включений,

2) структуры металлической основы.

По первому признаку эти сплавы делятся:

1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;

2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;

3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.

Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).

В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.

Классификация, маркировка и механические свойства

различных видов серых чугунов

Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.1.3).

Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 2.1).

По сути любые серые чугуны представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) (см. тему 2.1.1) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.

Итак в данной теме (2.1) было показано, как изменяется структура и механические свойства промышленных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) в зависимости от содержания углерода. Наиболее важным пунктом этой темы являются зависимости механических свойств, представленные на рис. 2.1.3, поскольку они являются основой классификации сталей по назначению.

Следует, однако, подчеркнуть, что приведенный на этом рисунке комплекс механических свойств соответствует сталям в равновесном[15] состоянии (т.е. со структурами, формирующимися по диаграмме состояния Fe-Fе₃C).

На практике все ответственные стальные изделия подвергают специальной упрочняющей термической обработке, в результате которой качественный характер зависимостей механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3) сохраняется, но количественные показатели вследствие структурных превращений существенно изменяются.

Таким путем добиваются улучшения механических свойств сталей с данным содержанием углерода (т.е. различных марок; например, твердость эвтектоидной стали У8 можно повысить в » 4 раза).

Внимание!

Раздел 2.1 - первый раздел «Опорного конспекта», посвященный конкретным промышленным сплавам – углеродистым сталям и чугунам (наиболее применяемым материалам машиностроения). Особое внимание следует обратить на зависимость структуры и механических свойств сталей от содержания углерода, а также на структурные превращения, происходящие в сталях при их медленном охлаждении от высоких температур. Важно усвоить, что окончательная структура сталей формируется в результате перлитного превращения (А Ф + Ц при t ≤ 727 о С), обусловленного явлением полиморфизма в этих сплавах.

В следующей теме 2.2 будет показано, как влияет ускоренное охлаждение стали из аустенитного состояния на ее структуру и механические свойства. Происходящие при таком охлаждении процессы реализуются при закалке сталей, являющейся первым этапом упрочняющей термической обработки.

Заметим также, что знание материала темы 2.1 необходимо для выполнения контрольных работ. Учитывая все это, рекомендуем помимо изучения данной темы выполнить лабораторные работы 4 и 5 (или хотя бы ознакомиться с их содержанием), а также не забыть про вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.1

1. Попробуйте начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe₃C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.

2. Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?

3. Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?

4. Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.

5. Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?

6. Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?

7. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?

8. Каково содержание углерода в эвтектическом, до - и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?

9. Нарисуйте по памяти (качественно) зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода. Объясните ее.

10. На чем основана классификация углеродистых сталей по назначению? Приведите несколько марок сталей различного назначения, укажите содержание в них углерода.

11. Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?

12. От каких структурных факторов зависят механические свойства серых чугунов?

13. Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?

14. Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.

Промежуточные тесты к теме 2.1

I. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %)?

II. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах:

III. Укажите номера всех типовых структур металлической основы различных видов серых чугунов:

3) феррит + перлит;

4) ледебурит + цементит первичный;

IV. Наличием какой фазы в структуре серые чугуны отличаются от белых?

V. Какой химический элемент преобладает в сталях?

VI. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей прочностью?

1. Шаровидный графит (Г) + феррит (Ф).

2. Шаровидный Г + перлит (П).

3. Пластинчатый Г + П.

4. Хлопьевидный Г +Ф + П.

5. Хлопьевидный Г + Ф.

VII. Из каких фаз формируется равновесная структура углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах?

VIII. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей с увеличением содержания в них углерода?

1. Твердость и пластичность растут.

2. Твердость и пластичность падают.

3. Твердость растет, пластичность падает.

4. Твердость падает, пластичность, пластичность растет.

5. Твердость растет, пластичность не изменяется.

IX. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии при комнатной температуре?

2. Цементит вторичный.

X. По каким из перечисленных характеристик серые чугуны выгодно отличаются от углеродистых сталей?

К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита первичного. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации при температуре 1147 оС. Содержит 4,3% углерода. Является эвтектикой. Может присутствовать в структуре при температурах выше 727оС. Является двухфазной структурой. Обозначается буквой Л.

Ледебурит превращенный – механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита первичного в результате превращения аустенита в перлит (в составе ледебурита) при температуре 727 о С. Содержит также 4,3% углерода, является также эвтектикой и двухфазной структурой. Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727 о С. Обозначается буквой Лпр.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

( ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ)

Диаграмма состояния железо - цементит приведена на рис.7.2. Линия ABCD - линия ликвидус, линия АН JECF - солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536ºС), точка D - температуре плавления цементита (1250°С). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа (1392°С и 911°С ).

Рис.7.2. Диаграмма состояния железо-углерод.

В системе Fe-Fe₃C при различных температурах происходят эвтектическое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при 1147ºС происходит эвтектическое превращение: (А + Ц_I). Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. Ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита первичного, содержащая 4,3 % углерода.

По линии PSK при 727°С происходит эвтектоидное превращение:

(Ф + Ц ), в результате которого из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом. Перлит (П) - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % С. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленом шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название - перлит.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода менее 2,14% (в сталях) образуется однофазная структура – аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% (в чугунах) при первичной кристаллизации образуются аустенит (по линии АВС), цементит первичный (по линии СD) и ледебурит первичный, эвтектика (по линии ECF).

Вторичная кристаллизация (превращения в твердом состоянии) происходит по линиям GSE и PSK. Образование феррита из аустенита по линии GS происходит вследствие полиморфного превращения γ в α. Образование цементита вторичного из аустенита по линии SE происходит вследствие изменения растворимости углерода в аустените. При понижении температуры по линии ES растворимость углерода уменьшается и происходит выделение цементита.

По линии PQ уменьшается растворимость углерода в феррите с понижением температуры. От максимального значения в точке P (0,02%) до точки Q (0,006%) при комнатной температуре. Избыточный углерод в очень малых количествах выделяется из феррита в виде цементита третичного. Такую структуру имеет технически чистое железо.

В точке S при содержании углерода 0,8% и температуре 727°С весь аустенит превращается в механическую смесь феррита и цементита вторичного (перлит). Такое превращение происходит по всей линии PSK, поэтому ее называют линией перлитного превращения.

Анализируя линии и точки диаграммы состояния железо – углерод можно определить структурные составляющие сталей и чугунов при любом содержании в них углерода и при определенной температуре.

Таким образом, диаграмма состояния железо – углерод имеет большое практическое значение. Ее применяют для назначения режимов термической обработки сталей определенного состава, для назначения режимов горячей механической обработки, для прогнозирования свойств стали по ее структуре в соответствии с диаграммой состояния.

ЛЕКЦИЯ 8

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С и малое количество других элементов (примеси), называются углеродистыми сталями.

Углеродистые стали выплавляются в электропечах, мартеновских печах и кислородных конвертерах. Считается, что наиболее высокими свойствами обладают стали более чистые по содержанию вредных примесей серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Такие стали используются для изготовления наиболее ответственных деталей.

Влияние углерода и примесей на свойства стали

Углерод оказывает значительное влияние на свойства стали. Даже при малом изменении содержания углерода в стали, изменяются механические свойства. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышениюпрочности, твердости и понижению пластичности. Кроме того, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода приведена на рис.8.1.

Рис. 8.1. Влияние углерода на свойства стали.

С увеличением содержания углерода в структуре стали возрастает количество цементита. При содержании в стали углерода до 0,8% структура состоит из феррита и перлита, однако при увеличении содержания углерода в этих сталях соотношение феррита и перлита изменяется: ферритная составляющая уменьшается, количество перлита - возрастает. Так как в состав перлита входит цементит, то его количество также возрастает, что приводит к увеличению прочности и понижению пластичности. При содержании углерода более 0,8% в структуре сталей кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит.

Как известно, феррит имеет низкую прочность, но сравнительно высокую пластичность. Цементит обладает высокой твердостью, но является хрупким.

Таким образом, изменение структуры стали при увеличении содержания углерода приводит к увеличению твердости, прочности и снижению вязкости и пластичности. Заметный рост прочности происходит при содержании углерода до 1,0%. При большем содержании углерода твердость продолжает расти, но прочность даже снижается за счет охрупчивания вследствие образования сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен. Для устранения хрупкости сталей с высоким содержанием углерода используют специальную термическую обработку.

Также углерод оказывает влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость. Считается оптимальным для возможности сварки содержание углерода до 0,22 - 0,25%. Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к ухудшению деформации (механической обработки) в горячем и холодном состоянии.

Обрабатываемость резанием считается наиболее хорошей у стали с содержанием углерода 0,3 - 0,4%. Стали с меньшим содержанием углерода являются слишком вязкими. Кроме того, они дают плохую поверхность обработки и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что затрудняет их обрабатываемость.

В химическом составе стали всегда присутствуют постоянные примеси, к которым относятся: кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

Обычно содержание примесей в процессе выплавки стали ограничивают. Особенно это относится к содержанию вредных примесей, таких как сера и фосфор. Так, количество этих элементов по верхнему пределу для неответственных сталей ограничивается не более 0,05%; для ответственных и специальных сталей - в тысячных долях %.

Сера снижает пластичность и вязкость сталей, а также приводит к явлению красноломкости в процессе горячей механической обработки. Фосфор, попадая в сталь, способен растворяться в феррите, при этом уменьшает его пластичность и способствует охрупчиванию стали.

Кислород, азот, водород находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо могут образовывать химические соединения. Кислород и азот загрязняют сталь хрупкими, неметаллическими включениями, уменьшают вязкость и пластичность стали. Водород, находясь в твердом растворе, также сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода приводит к образованию трещин – флокенов
( «водородное охрупчивание»).

Марганец и кремний считаются полезными примесями. Их вводят в сталь специально в процессе выплавки для раскисления стали и связывания кислорода. Кроме того, марганец и кремний способны упрочнять составляющую феррита. Обычно в углеродистой стали присутствует до 0,8% марганца и до 0,4 - 0,5% кремния.

Классификация углеродистых сталей

Классификация углеродистых сталей проводится по различным признакам: по структуре и содержанию углерода (в соответствии с диаграммой железо-углерод); способу раскисления; по назначению; по качеству.

По структуре различают:

1. Доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С со

структурой Ф и П;

2. Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8% С, со структурой

3. Заэвтетоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, со

структурой П и Ц _II.

По способу раскисления различают:

1. Кипящие стали (полностью не раскисленные);

2. Полуспокойные стали (частично раскисленные);

3. Спокойные стали (раскисленные).

По назначению различают:

1. Конструкционные стали;

2. Инструментальные стали.

Углеродистые инструментальные стали, содержащие 0,7 - 1,3%С со структурой перлита и цементитной сетки, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Эти стали используются после термической обработки. Их обозначают буквой «У» и цифрой, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

Например: У7; У8; У10; У12.

Углеродистые конструкционные стали дополнительно принято различать по качеству:

- стали обыкновенного качества;

Конструкционные стали обыкновенного качества содержат не более 0,05% серы и фосфора, в сталях качественных содержание этих элементов ограничено до 0,04% серы и 0,03% фосфора. Также в них ограничено содержание неметаллических включений и газов.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. Буквы «Ст» обозначают сталь, цифры - условный номер стали в зависимости от содержания углерода и примесей. В конце обозначения стоят буквы «кп» - кипящая сталь; «пс» - полуспокойная сталь; «сп» - спокойная сталь.

Например: Ст1кп; Ст3пс; Ст3сп; Ст5сп; Ст6пс.

Конструкционные стали качественные поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Качественные углеродистые стали обозначаются двузначными числами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Например: 10; 15; 35; 40; 50; 65.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на:

1. Низкоуглеродистые - до 0,25% С (обычно используются для неответственных деталей, для сварных конструкций ).

2. Среднеуглеродистые - 0,3 - 0,5% С (конструкционные стали, работающие под воздействием внешних нагрузок, используются после т/о).

3. Высокоуглеродистые - до 0,65% С (пружинные стали, используются после т/о).

Сталь – сплав железа с углеродом при содержании углерода не более 2,14%.

Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода от 2,14% до 6,67%.

Максимальное содержание углерода в железоуглеродистых сплавах составляет 6,67%.

В структуре сталей могут образовываться следующие составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит.

Аустенит - твердый раствор углерода в γ-Fe. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации. Может присутствовать в структуре сталей только при высоких температурах (выше 727 о С). Максимальная растворимость углерода в γ-Fe, следовательно максимальное содержание углерода в аустените 2,14% при 1147 оС . Аустенит имеет невысокую прочность и твердость и достаточно пластичен. Является однородной однофазной структурой. Обозначается буквой А.Формула аустенита Fe_γ (С).

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. Образуется из аустенита при вторичной кристаллизации. Растворимость углерода в α-Fe при комнатной температуре равна 0,006%. Максимальная растворимость углерода в феррите, следовательно максимальное содержание углерода в феррите 0,02% при 727 о С. Феррит является самой мягкой структурной составляющей. Имеет незначительную прочность и твердость, но высокую пластичность. В структуре проявляется в виде зерен правильной округлой формы. Является однородной однофазной структурой. Может присутствовать в структуре при комнатной температуре. Обозначается буквой Ф.Формула феррита Fe_α (С).

Цементит – химическое соединение железа и углерода. Формула цементита Fe₃C.В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1240 -1250 оС . Цементит имеет очень высокую твердость, но обладает при этом высокой хрупкостью и практически нулевой пластичностью. Цементит является самой твердойструктурной составляющей. Имеет пластинчатое строение. Является однофазной структурой. В сталях может образовываться только цементит вторичный. Обозначается буквой Ц _II.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита вторичного. Образуется из аустенита при температуре 727 о С. Называется эвтектоидом (аналогично эвтектике, но образуется из твердой фазы). Перлит содержит 0,8% углерода. Является двухфазной структурой. Имеет пластинчатое строение (чередование пластин феррита и цементита), либо зернистое строение (после термической обработки). Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727 о С, вплоть до комнатной. Является основной структурной составляющей сталей. Есть в структуре всех сталей независимо от содержания углерода. Обозначается буквой П.Формула перлита

В структуре чугунов могут образовываться следующие структурные составляющие: аустенит (также как и в сталях образуется из жидкости при первичной кристаллизации), перлит (также как и в сталях образуется из аустенита при 727 о С и может присутствовать при комнатной температуре), цементит первичный ( то же, что и в сталях, но образуется из жидкости при первичной кристаллизации, обозначается Ц _I), ледебурит.

Основы материаловедения

Тесты по основам материаловедения. Свойста металлов обеспечивающих возможность их успешной обработки давлением.

Просмотр содержимого документа
«Основы материаловедения»

ОСНОВЫ МатериаловедениЯ

I Вариант

1. Какое из перечисленных свойств металлов обеспечивает возможность их

успешной обработки давлением:

1. высокая прочность

2. высокая теплопроводность

3. высокое электросопротивление

4. высокая пластичность

5. хорошие литейные свойства

2. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %):

3. Каково основное достоинство быстрорежущих сталей:

1. высокая твердость

2. коррозионная стойкость

3. высокая прочность

4. низкая стоимость

5. высокая теплостойкость

4. Какая термическая обработка применяется для придания ответственным

стальным изделиям оптимальных механических и эксплуатационных свойств:

4. закалка + отпуск

5. горячая пластическая деформация

5. Какая характерная особенность баббита, серого чугуна и свинцовой бронзы

обусловливает возможность их применения для подшипников скольжения:

1. гетерогенная (неоднородная) структура

2. высокая твердость

3. низкая твердость

5. низкая температура плавления

6. Какое из перечисленных свойств (параметров) в наибольшей степени

характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению:

2. предел прочности

3. относительное удлинение

4. ударная вязкость

7. Какая технология применяется для получения изделий из ковкого чугуна:

1. холодная штамповка

2. горячая пластическая деформация

4. литьё с применением модифицирования

5. длительный отжиг отливок из белого чугуна

8. Из какого сплава следует изготовить режущи хирургический инструмент

многоразового использования:

9. Какой вид термической обработки необходим для полной ликвидации

наклепа в металле:

1. низкий отпуск

3. рекристаллизационный отжиг

10. Какой из перечисленных сплавов принципиально не упрочняется

термической обработкой:

11. Какой процесс приводит к полному возвращению свойств наклепанного

металла в исходное (до деформации) состояние:

12. Какова цель модифицирования высокопрочных чугунов:

1. измельчение пластинок графита

2. получение перлитной структуры металлической основы

3. придание графитным включениям шаровидной формы

4. уменьшение количества цементита в структуре

5. устранение ледебурита в структуре

13. Какую марку стали следует предпочесть для изготовления недорогого

изделия методом холодной штамповки:

14. Какую структуру должна иметь ответственная деталь из среднеуглеродистой

стали, работающая при динамических (ударных) нагрузках:

2. феррит + перлит

3. мартенсит + цементит вторичный

4. мартенсит отпуска

5. сорбит отпуска

15. Какая заключительная операция термической обработки сообщает сплаву

Д16 максимальную прочность:

2. низкий отпуск

3. искусственное старение

4. естественное старение

5. рекристаллизационный отжиг

16. Какой тип решетки имеет железо при комнатной температуре:

2. простая кубическая

3. объемноцентрированная кубическая

4. гранецентрированная кубическая

17. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей

1. шаровидный графит (Г) + феррит (Ф)

2. шаровидный Г + перлит (П)

3. пластинчатый Г + П

4. хлопьевидный Г + Ф + П

5. хлопьевидный Г + Ф

18. Какой химический элемент преобладает в сталях:

19. Какая фаза должна обязательно присутствовать в стали при температуре

её нагрева под закалку:

20. Какую структуру имеют латуни, обладающие наибольшей пластичностью:

4. однофазную аустенитную

5. однофазную ферритную

21. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей с

увеличением содержания в них углерода:

1. твердость и пластичность растут

2. твердость и пластичность падают

3. твердость растет, пластичность падает

4. твердость падает, пластичность растет

5. твердость растет, пластичность не изменяется

22. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в

равновесном (отожженном) состоянии при комнатной температуре:

23. По каким из перечисленных свойств серые чугуны выгодно отличаются

от углеродистых сталей:

2. антифрикционные свойства

3. литейные свойства

4. обрабатываемость резанием

5. прочность

24. Как изменяется прочность и пластичность стали с повышением температуры отпуска:

1. прочность и пластичность увеличиваются

2. прочность растет, пластичность падает

3. прочность падает, пластичность растет

4. прочность не изменяется, пластичность растет

5. прочность и пластичность уменьшаются

25. Какой из перечисленных сплавов следует использовать для литых деталей

самолетов, переносных приборов и т.п.

II Вариант

1. Что такое наклеп (нагартовка)? Это:

1. упругая деформация

2. пластическое деформирование металла

3. холодная пластическая деформация

4. горячая пластическая деформация

5. упрочнение металла в результате холодной пластической деформации

2. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых

3. Какую марку стали следует использовать для изготовления инструмента,

обрабатывающего детали на больших скоростях резания:

4. Какая обработка стальных изделий называется улучшением:

1. закалка + низкий отпуск

2. высокий отпуск

3. закалка + высокий отпуск

4. шлифовка поверхности

5. дробеструйная обработка

5. Какой из перечисленных химических элементов обязательно присутствует

6. Какие дефекты кристаллической решетки обеспечивают высокую

пластичность металлов:

3. атомы примесей

4. дислоцированные (междоузельные) атомы

5. границы зерен

7. Перечислите все типовые структуры металлической основы различных

видов серых чугунов:

3. феррит + перлит

4. ледебурит + цементит первичный

8. Какую марку стали следует предпочесть для сварных конструкций,

работающих в агрессивных средах:

9. Какая структура получается при полной закалке доэвтектоидных сталей:

1. мартенсит + цементит вторичный

4. мартенсит + феррит

10. Каково максимально возможное содержание Zn (в %) в однофазных

() латунях:

11. Какое из перечисленных утверждений неверно? Холодная пластическая деформация:

1. повышает прочность металла

2. повышает электросопротивление

3. снижает пластичность

4. повышает ударную вязкость

5. повышает твердость

12. Наличием какой фазы в структуре серые чугуны отличаются от белых

13. Что такое теплостойкость сплава:

1. способность выдерживать высокие температуры

2. способность не изменять размеры изделия при нагревании

3. способность сохранять высокую твердость при длительном нагревании

4. способность не окисляться при высоких температурах

14. Какая структура обеспечивает максимальную твердость доэвтектоидной

1. перлит + феррит

3. мартенсит отпуска

15. Какие две операции и в какой последовательности используются для

эффективного упрочнения сплавов типа дуралюмин:

4. обработка холодом

16. Какой материал следует использовать для обшивки самолетов:

2. углеродистая сталь

3. высокопрочный чугун

17. Укажите фазы, из которых формируется равновесная структура

углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах:

18. Укажите, какую структуру должна иметь сталь У12 после грамотно

проведенной закалки:

1. перлит + цементит вторичный (П+Ц _II)

3. аустенит + Ц _II

19. Измерение какого механического свойства используется обычно для

контроля качества термической обработки:

20. Какой из перечисленных сплавов успешно используется в качестве

подшипникового (антифрикционного) материала:

21. В чем причина роста твердости сталей в равновесном (отожженном)

состоянии при увеличении содержания в них углерода:

1. уменьшается размер зерна

2. увеличивается наклеп

3. в структуре появляется ледебурит

4. возрастает количество цементита в структуре

5. при большом количестве углерода в структуре появляется мартенсит

22. Какой из перечисленных материалов обладает наибольшей пластичностью:

1. эвтектоидная сталь

2. доэвтектоидная сталь

3. заэвтектоидная сталь

4. доэвтектический белый чугун

5. техническое железо

23. Какой химический элемент (и в каком количестве) делает сталь

коррозионностойкой:

24. Расположите необходимые операции обработки стальных шестерен

в правильной последовательности:

3. высокий отпуск

4. средний отпуск

5. низкий отпуск

25. Укажите два наиболее важных достоинства сплавов типа дуралюмин,

обусловивших их широкое применение в качестве конструкционных

авиационных материалов:

3. хорошая ударная вязкость

4. высокая удельная прочность

5. коррозионная стойкость

Правильный ответ I

(ПО1): 4 (высокая пластичность)

ПО2: 3 (2,14 %С)

ПО3: 5 (высокая теплостойкость)

ПО4: 4 (закалка +отпуск) т.к. обеспечивает оптимальное сочетание прочности, твердости и пластичности, ударной вязкости.

ПО5: 1 (гетерогенная структура) - такая структура, состоящая из мягких и твердых структурных составляющих, обеспечивает хорошее удержание смазки в зоне трения.

ПО6: 4 (ударная вязкость)

ПО7: 5 (длительный отжиг отливок из белого чугуна)

ПО8: 4 (40Х13) ПО9: 3 (рекристаллизационный отжиг) ПО10: 2 (АМц) ПО11: 4 (рекристаллизация) ПО12: 3 (придание графитным включениям шаровидной формы) ПО13: 1 (сталь 08 с минимальным содержанием углерода) ПО14: 5 (сорбит отпуска или зернистый сорбит) ПО15: 4 (естественное старение) ПО16: 3 (объемноцентрированная кубическая ) ПО17: 2 (шаровидный Г + П - высокопрочный чугун на перлитной основе) ПО18: 3 (железо) ПО19: 2 - аустенит, т.к. в результате закалки он превращается в мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость, что является целью закалки. ПО20: 1 (однофазную ) ПО21: 3 (твердость растет, пластичность падает) ПО22: 3 (перлит) ПО23: по всем, кроме 5 (прочность) ПО24: 3 (прочность падает, пластичность растет) ПО25: 4 (силумин - литейный Al - сплав)

Правильный ответ II ПО1: 5 (упрочнение металла в результате холодной пластической деформации) ПО2: 2, 3, 5 (феррит, цементит, аустенит) ПО3: 4 (Р6М5) ПО4: 3 (закалка + высокий отпуск) ПО5: 3 (Zn) ПО6: 2 (дислокации) ПО7: 1, 3, 5, (феррит, феррит + перлит, перлит) ПО8: 3 (12Х18Н10Т) ПО9: 2 (мартенсит) получаемый в результате закалки стали. ПО10: 4 (39 % Zn) ПО11: 4 (повышает ударную вязкость) ПО12: 2 (графит) ПО13: 3 (способность сохранять высокую твердость при длительном нагревании) ПО14: 4 (мартенсит) ПО15: 3, 5 (закалка + старение) ПО16: 4 - дуралюмин, т.к. он обладает высокой удельной прочностью (отношение прочности к удельному весу), хорошей коррозионной стойкостью и деформируемостью. ПО17: 2, 3 (феррит и цементит) ПО18: 4 (М + Ц _II) ПО19: 2 (твердость) ПО20: 3 (БрС30 - свинцовая бронза) ПО21:4 (возрастает количество цементита в структуре) ПО22: 5 (техническое железо) ПО23: 3 (Cr в количестве  13%) ПО24: 2,1,5 (цементация - закалка - низкий отпуск) ПО25: 4.5 (высокая удельная прочность и коррозионная стойкость)

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.