Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.
Влияние постоянных примесей на структуру с свойства стали.
К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвия S, Pограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.
Марганецвводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+Mn®MnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.
Кремний вводится для раскисления 2FeO+Si®2Fe+SiO2.
Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.
Сера – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988 оС. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (»800оС). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+Mn®MnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит состав эвтектики, плавящейся при Т=1620 оС.
Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.
!Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные. Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь», цифры — условный номер марки (с увеличением номера возрастает в стали содержание углерода. В зависимости от условий и степени раскисления различают стали: 1) спокойные «сп» Ст1сп) 2) полуспокойные «ПС» (Стпc); 3) кипящие «кп» (Сткп). В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода: в спокойных 0,15—0,3 % Si и —0,002 % О2; в полуспокойных 0,05—0,15 % Si и —0,01 % 02 и в кипящих — не более 0,05 % Si и ~0,02 % О2. Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем и до затвердевания в них содержится повышенное количество FeO. При застывании в изложнице FeOвзаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит. Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05 % , фосфора — не более 0,04 % и азота — не более 0,008 %. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них раз-вита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. С повышением условного номера марки стали возрастает пре дел прочности и текучести и снижается пластичность. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т. д.). Кипящие стали (Ст1кп), содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30— 40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные, стали (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп). С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке. Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаемые холодной правке и гибке, — малой склонностью к деформационному старению. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (моего- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по особым техническим условиям. Низкоуглеродистые стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита ' (высокой критической скоростью закалки)» поэтому после закалки мартенсит не образуется. Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050—74) выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре: содержание S<0,04%, P < 0,035-0,04 %, а также меньшее количество неметаллических включений, регламентированные макро- и микроструктура. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.Низкоуглеродистые стали (содержание углерода <0,25 %) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. sв = 330-340 МПа, s0,2= 200-210 МПа и δ = ЗЗ-31 % . Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Стали 15, 15кп, 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0,3—0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (sв = 500-5-610 МПа, s0,2= 300-360 МПа, δ = 21 -16 %). Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Для повышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем (40Г, 50Г). Стали с высоким содержанием углерода (0,6—0,85 % С) 60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для-j деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких! статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные, валки и т. д.