Основные положения
Углеродистая сталь - это многокомпонентный сплав железа с углеродом, содержащий 0,02...2,14% углерода и некоторое количество постоянных и случайных примесей.
Углеродистые стали широко применяются в технике, составляют около 75% от общего объема выпускаемой стали. Они дешевле легированных, сталей выплавляются обычными способами (мартеновский, конверторный) и сравнительно легко обрабатываются резанием.
Основное влияние на структуру и свойства углеродистой стали оказывает углерод (рис. 1). С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость, прочность, но уменьшаются пластичность и вязкость, соответственно снижается способность стали деформироваться в холодном и горячем состоянии, затрудняется свариваемость.
Сталь помимо основы - железа и углерода содержит примеси, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства. Примеси подразделяются на полезные (марганец, кремний и др.) и вредные (сера, фосфор, кислород, водород, азот).
Рисунок 1 - Влияние содержания углерода на механические
свойства стали
Марганец (в углеродистой стали его содержится до 0,8%) раскисляет сталь, повышает прокаливаемость и прочность, устраняет вредное влияние серы.
Кремний (в углеродистой стали его содержится до 0,5%) раскисляет сталь, повышает ее твердость и прочность.
Сера ухудшает механические свойства, так как образует с железом сульфид железа FeS, располагающийся по границам зерен.
При нагреве стали для обработки ее давлением (прокатка, ковка) FeS расплавляется (tпл = 988°С), вытягивается по границам зерен в виде строчек и металл в этом месте расслаивается, сталь становится ломкой. Это явление называется красноломкостью (так как нагретый металл имеет красный цвет). Марганец практически устраняет красноломкость, так как образует включения MnS, которые к тому же значительно улучшают обрабатываемость резанием. Поэтому в составе сталей повышенной обрабатываемости резанием серы содержится до 0,3%, и для этой группы сталей сера - полезная примесь.
Фосфор вызывает в сталях хладноломкость - повышенную хрупкость при низких температурах, обычно его содержание в сталях допускается не более 0,05%. Но так как фосфор тоже улучшает обрабатываемость резанием, то в сталях повышенной обрабатываемости его содержится до 0,1%.
Газовые примеси - кислород, водород, азот - частично растворены в железе, частично находятся в виде неметаллических включений (оксидов и нитридов: FeO, MnO, SiО2; TiN; AlN и др.) или расположены в свободном виде в порах металла.
Оксиды, фосфиды, сульфиды и нитриды хрупкие, являются концентраторами напряжений, снижают пластичность, вязкость и предел выносливости стали. Очень вреден растворенный в стали водород, так как он не только охрупчивает сталь, но и образует опасные дефекты - флокены (очень мелкие чечевицеобразные поры), которые часто выявляются уже в процессе эксплуатации. Для удаления газовых примесей из сталей применяют вакуумирование.
Сталь, содержащая помимо железа и углерода, специально введенные элементы, которые заметно влияют на свойства стали, называется легированной, а эти элементы – легирующими. Они указываются в марке стали. К легирующим элементам относятся: хром, марганец, никель, титан, кремний, вольфрам и др. Они влияют на механические свойства стали (прочность, пластичность, вязкость и др.), на физические (электропроводность, радиационная стойкость и др.) и химические (коррозионная стойкость в различных средах и при разных температурах). Использование легированных сталей в технике удорожает стоимость изделий, но повышает их надежность и долговечность, снижает их массу на 30...40%.
Буквенные обозначения легирующих элементов в марках сталей:
А – азот (N), Б – ниобий (Nb), В – вольфрам (W), Г – марганец (Mn), Д – медь (Cu), Е – селен (Se), К – кобальт (Co), Н – никель (Ni), М – молибден (Mo), П – фосфор (Р), Р – бор (В), С – кремний (Si), Т – титан (Ti), Ф – ванадий (V), Х – хром (Cr), Ц – цирконий (Zr), Ч – редкоземельные элементы (РЗЭ), Ю – алюминий (Al).
Буква "Л" в конце марки означает, что сталь литейная.
При выборе марки стали для конкретных деталей учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования. Правильный и обоснованный выбор стали позволяет получить высококачественные изделия с минимальными затратами.