Влияние углерода и примесей на свойства стали

Углеродистые стали. Углеродистые стализанимают левую часть диаграммы состояния (рис. 2.1). Пользуясь этой диаграммой для оценки свойств сталей в равновесном состоянии, необходимо помнить отличие химического состава фаз – феррита и цементита – и металлургических примесей, которые привносятся при выплавке стали и их влияние на механические и другие свойства.

Марганец и кремний, попадающие в сталь из чугуна, а также при раскислении, растворяются в феррите, а марганец в цементите. При этом пластичность сохраняется, а прочность и твердость возрастают.

Сера и фосфор снижают прочность и пластичность, а также ударную вязкость и являются вредными примесями. Фосфор растворяется в феррите, упрочняя его и делает хрупким, т.е. снижает ударную вязкость, особенно при низких температурах и придает стали хладноломкость. Сера не растворяется в фазах стали, а располагается по границам зерен в виде легкоплавкого соединения FeS, как бы разъединяя зерна, снижая прочность, пластичность и вязкость стали, особенно при Т>990°С. В связи с этим говорят, что сера придает стали красноломкость.

Азот и водород способны растворяться в феррите и образовывать нитриды и гидриды, что приводит к повышению твердости и потере пластичности и вязкости стали.

Углерод сильно влияет на свойства стали, т.к. от него зависит относительное количество, находящихся в стали мягкого и пластичного феррита и очень твердого и хрупкого цементита. По содержанию углерода и назначению стали подразделяются: низкоуглеродистые – содержание углерода <0,25% (08кп, 08,10, 10кп) обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатаную сталь используют для холодной штамповки. Качественные низкоуглеродистые стали используют для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией; среднеуглеродистые стали (0,3-0,5%) 30, 35,40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения; высокоуглеродистые стали конструкционные стали (0,6-0,8%С) 60, 65, 70, 80, 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами, применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для деталей работающих при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, прокатные валки и т.д.

По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные и инструментальные.

2.6 Конструкционные стали

К этим сталям относятся машиностроительные и строительные. В зависимости от характера нагрузки и наличия вредных примесей, эти стали принято делить на стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества ( ГОСТ 380-88) Ст0-Ст6.

В сталях обыкновенного качества допускается: серы не более 0,05%, фосфора – не более 0,04%. В свою очередь они делятся на три группы:

Стали группы А. У этих сталей гарантируются только механические свойства. Химический состав не гарантируется. Поэтому из нее можно делать изделия только при помощи механической обработки, т.е. снятием стружки. Нагрев и сварку применять нельзя, т.к. изменяющиеся свойства можно восстановить только термической обработкой, но для этого необходимо знать содержание углерода.

Стали группы Б (БСт1-БСт6) выпускаются с гарантируемым химическим составом. Поэтому при изготовлении ее можно нагревать при обработке давлением, а потом при помощи термообработки исправлять нарушенную структуру и придавать требуемые свойства.

Стали группы В (ВСт1-ВСт6) поставляются по механическим свойствам и химическтому составу. Они идут для изготовления сварных конструкций.

Качественные углеродистые конструкционные стали выплавляются при более строгом соблюдении технологии плавки, содержание вредных примесей допускается: серы – не более 0,04%, фосфора – не более 0,035%. Их маркировка состоит из двухзначного числа, показывающего содержание углерода в сотых долях процента: сталь 05, 08, 10, 15, 20, …, 40, 45,…, 85. Из-за высокой хрупкости конструкционные углеродистые стали не содержат углерода выше 0,85%.

Высококачественные углеродистые конструкционные стали выплавляются при более полном раскислении с мелким наследственным зерном, более точном химическом составе и меньшим содержанием серы – не более 0,035%, фосфора – 0,025%. Из этих сталей изготовляют детали ответственного назначения.

Особовысококачественные углеродистые конструкционные стали выплавляют специальным способом – электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, обработка синтетическими шлаками, что приводит к полному раскислению, более точному химическому составу и меньшим содержанием серы и фосфора не более 0,015% каждого.

2.7 Инструментальные углеродистые стали

Они являются высокоуглеродистыми сталями, содержащими 0,7-1,3% С. Это гарантирует им высокую твердость (после закалки и низкого отпуска) необходимую для придания инструменту режущих свойств и износостойкости.

Их маркируют У7, У7А,…,У13, У13А. Цифра указывает содержание углерода в десятых долях процента, а буква А, что эта сталь высококачественная.