Железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун. Процентное содержание углерода в стали

Определение массовой доли углерода в стали и марки стали по ее структуре

Возможность определения массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.

Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по

где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; 0,8 – % С в перлите.

Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (3.1), можно по таблицам определить марку этой стали.

Влияние примесей на свойства сталей

В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мn и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мп и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.

Каждой марке углеродистой стали соответствуют регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода.

Маркировка углеродистых сталей

По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 3.1). Если после марки стоят буквы "кп" - это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если "сп" – сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если "пс" – сталь полуспокойная промежуточного типа.

Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в

строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения. В судостроении применяются как корпусные, для малоответственных конструкций, деталей машин, механизмов и устройств судов и плавительных средств всех типов.

2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050-88).

К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента (табл. 3.2).

Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %.

Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес).

Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокий прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы и т.п.

3.Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435-90).

Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3.3). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква "А", это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры и тому подобное изготавливают из сталей У7 и У8.

Табл. 3.1. Химический состав углеродистых конструкционных сталей

обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Марка стали	Массовая доля элементов, %

Табл. 3.3. Химический состав углеродистых инструментальных

качественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435-90.

Марки стали	Массовая доля элементов, %

studfiles.net

Железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун.

Сталь - это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся:

техническое железо,

конструкционная и

инструментальная сталь.

Чугун - сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5-3,5%.

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:

кремний и марганец в десятых долях процента (0,15- 0,60%)

сера и фосфор в сотых долях процента (0,05-0,03%) каждого элемента.

Сталь

• проволоки,

• таврового и уголкового железа,

  различного фасонного профиля,

  а также для многочисленных деталей в машиностроении: шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т.п.

• зубила и др.

Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Чугун

Машиностроительный чугунприменяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на:

Ковкий чугун

Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe3C - цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

Белый чугун

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.

При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Серый чугун

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.

Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.).

Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

www.conatem.ru

2.2. Стали | Материаловед

Для производства различных фасонных отливок в качестве конструкционного исходного материала, обладающего повышенными механическими свойствами, применяют стали конструкционные, инструментальные и с особыми физико–химическими свойствами (легированные).

Отливки из углеродистых, конструкционных сталей, имеющие высокие прочностные свойства, преимущественно получают из следующих марок: сталь 15 Л; 20 Л; 30 Л; 40 Л; 50 Л; 55 Л.

Конструкционные углеродистые стали

Конструкционные углеродистые стали применяют в литейном производстве для изготовления литых деталей, несущих главным образом механические нагрузки (статические, динамические, вибрационные и др.).

Широко применяемые в литейном производстве стали имеют следующий химический состав: 0,15-0,45% С, 0,5-1% Mn, 0,2-0,5% Si. Содержание серы и фосфора должно быть минимальным. Сталь по сравнению с чугуном обладает более высокими механическими свойствами и имеет большую величину усадки (около 2,5 %). Она имеет худшую жидкотекучесть и склонность к образованию внутренних напряжений и трещин. Большинство отливок из углеродистых сталей подвергают термической обработке, которую проводят для улучшения их микроструктуры, механических и эксплуатационных свойств.

Конструкционные углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества, стали качественные и стали высококачественные. Стали обыкновенного качества содержат повышенное количество серы (до 0,05-0,06 %) и фосфора (до 0,04-0,07 %). В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04 %. Кроме того, качественные стали имеют более узкие пределы содержания углерода (0,07-0,08%), в пределах одной марки. В сталях же обыкновенного качества он находится в пределах от 0,09 до 0,11 %. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворимых газов. Поэтому при примерно одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые (низко- и среднеуглеродистые) и легированные, а по структуре - на феррито-перлитного и перлитного классов.

Отливки из низкоуглеродистой стали марок сталь 15 Л…25 Л применяют в электромеханической и машиностроительной промышленности. Их подвергают цементации и закалке. Изготовление фасонных отливок из низкоуглеродистых сталей связано с рядом трудностей: высокой температурой их плавления, пониженной жидкотекучестью и образованием в отливке горячих трещин.

Отливки из среднеуглеродистых сталей марок сталь 30 Л…45 Л применяют преимущественно в машиностроении при изготовлении фасонных деталей сложной формы. Такие отливки подвергают термической обработке, отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском. Среднеуглеродистые стали обладают хорошей жидкотекучестью, меньшей склонностью образования горячих трещин и имеют высокие механические свойства.

Следует отметить, что в связи с высокой температурой плавления и температурой разливки, низкой жидкотекучестью и трудностью заливки форм, стали обыкновенного качества в качестве литейного сплава для изготовления фасонных отливок применяются чрезвычайно редко. Поэтому основным материалом при производстве фасонных стальных отливок являются низко- и среднеуглеродистые стали в зависимости от требуемых механических свойств литых деталей.

Литейные марки качественных углеродистых сталей приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4. Марки углеродистых качественных конструкционных сталей, применяемые для изготовления литых заготовок

Марка стали	Содержание основных элементов, %
	углерода	марганца
15 КП Л	0,12-0,19	0,25-0,50
15 ПС Л	0,12-0,19	0,35-0,65
20 КП Л	0,17-0,24	0,25-0,50
20 ПС Л	0,17-0,24	0,35-0,65
25 Л	0,22-0,30	0,50-0,80
30 Л	0,27-0,35	0,50-0,80
35 Л	0,32-0,40	0,50-0,80
40 Л	0,37-0,45	0,50-0,80
45 Л	0,42-0,50	0,50-0,80
50 Л	0,52-0,60	0,50-0,80
55 ПС Л	0,55-0,63	Не более 0,2
60 Л	0,57-0,65	0,50-0,80

Примечания:

1. В указанных марках содержится не более кремния (Si) – 0,17-0,37%; хрома (Cr) – 0,25%; серы (S) и фосфора (Р) не более 0,04% (каждого).
2. В обозначении марок углеродистых качественных сталей цифры показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буква «Л» означает, что сталь литая, буквы «КП», «ПС» - степень раскисления стали; КП – кипящая; ПС – полуспокойная; маркировка без индекса - спокойная.

Среднеуглеродистые стали применяют в машиностроении предпочтительно для изготовления фасонных отливок сплошной формы. Отливки из сталей подвергают термической обработке: отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском.

Как правило, отливки, изготовленные из литейных сталей, обладают высоким временным сопротивлением (400-600 МПа), относительным удлинением (10-24%), ударной вязкостью и достаточной износостойкостью при ударных нагрузках. Основной элемент, определяющий механические свойства углеродистых литейных сталей – углерод.

Инструментальные углеродистые стали применяются для изготовления литого инструмента (режущий, мерительный, штамповочный и т.п.). Марки инструментальных углеродистых сталей приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5. Стали инструментальные углеродистые

В обозначениях марок углеродистых инструментальных сталей цифры показывают среднее процентное содержание углерода в десятых долях процента. Буквы, стоящие за цифрами, указывают: Г – на повышенное содержание марганца в стали; А – на принадлежность стали к группе высококачественных сталей, в которых содержится наименьшее количество вредных примесей (фосфора и серы соответственно не боле 0,018% и 0,025% каждого).

Легированные стали

Механические свойства легированных литейных сталей определяются количеством легирующих элементов. Легирование значительно повышает механические и эксплуатационные свойства (жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и т.д.). Например, марганец повышает износостойкость, хром – жаростойкость. Никель – коррозионную стойкость и т.д.

Легированные стали используют в энергомашиностроении, химической и нефтяной промышленности и металлургии и других областях. Из них изготовляют методом литья турбинные лопатки, клапаны гидропрессов, зубья ковшей экскаваторов и другие отливки.

Легирующие элементы обозначают русскими буквами:

Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Буквы обозначают присутствие в стали определенного легирующего элемента, цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5%, то цифра легирующего элемента не ставится. Содержание углерода в сталях указывается в начале марки легированной стали. Для конструкционных сталей первые цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, для инструментальных (высокоуглеродистых) – в десятых долях процента. Буква «Л», стоящая в конце марки, указывает на то, что эта сталь литая. Пример записи и расшифровки одной из марок легированных жаропрочных сталей: 18Н12МЗТ Л, где Л – сталь литая, 0,18% углерода, 12% никеля, 3% молибдена, до 1,5% титана.

Наиболее высокими физико-механическим свойствами обладают отливки, изготовленные из высоколегированных сталей.

Стали высоколегированные со специальными свойствами подразделяются на следующие группы:

1) коррозионно-стойкие (нержавеющие), обладающие стойкостью против атмосферной коррозии: 25Х18 Л; 20Х13 Л; 10Х17 Н3С Л и др.;

2) кислотоупорные, обладающие сопротивляемостью агрессивным средам (кислотам): 15Х18 Н9Т Л; 5Х18Н11В Л и др.;

3) окалиностойкие (жаростойкие), обладающие стойкостью против окалинообразования (окисления при высоких температурах): 15Х9ЧС2 Л; 25Х23Н7С Л и др.;

4) жаропрочные, сохраняющие достаточно высокую прочность при высоких температурах: 15Х22 Н15 Л; 30×24Н12С Л; 15Х25Н19С2 Л и др.;

5) износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при абразивном и ударном воздействиях в разных условиях: 110Г13Л; 15Х34 Л и др.

Легированные стали обладают плохими литейными свойствами и резко повышают себестоимость изготовления литой детали. Поэтому они рекомендуются к применению в исключительных случаях, когда невозможно применение конструкционных качественных углеродистых сталей.

xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai

Максимальное содержание - углерод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Максимальное содержание - углерод

Cтраница 4

Наименование марок легированных сталей состоит из обозначения элементов и следующих за ним цифр. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее значение содержания легирующего элемента в процентах, кроме элементов, присутствующих в стали в малых количествах. Цифры перед первым буквенным обозначением указывают среднее или максимальное содержание углерода в стали в сотых долях процента.  

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых методов защиты от МКК является легирование стали сильными карбидообразующими элементами, такими, как титан и ниобий. Эти элементы связывают углерод в прочные карбиды, тем самым предотвращая образование карбидов хрома и обеспечивая достаточную концентрацию хрома в твердом растворе. Содержание титана принимают равным Ti 5 (С-002) %, ниобия Nb10 (С-002) %, где 0 02 % - максимальное содержание углерода, при котором сохраняется стойкость стали против МКК. Преимуществом ниобия перед титаном является более высокая устойчивость его карбидов к растворению при повышении температуры закалки и к выгоранию при сварке, однако ниобий придает сталям склонность к горячим трещинам при сварке.  

В марках нержавеющих высоколегированных сталей по ГОСТ 5632 - 72 химические элементы обозначаются следующими буквами: А - азот, В - вольфрам, Д - медь, М - молибден, Р - бор, Т - титан, Ю - алюминий, X - хром, Б - ниобий, Г - - марганец, Е - селен, Н - никель, С - кремний, Ф - ванадий, К - кобальт, Ц - цирконий. Цифры, стоящие в наименовании марки после букв, указывают, так же как и в наименовании марок конструкционных сталей, процентное содержание легирующего элемента в целых единицах. Содержание элемента, присутствующего в стали в малых количествах, цифрами не обозначается. Цифра перед буквенным обозначением указывает на среднее или при отсутствии нижнего предела на максимальное содержание углерода в стали в сотых долях процента.  

После этого в поглотители Реберга вносят (подтоком очищенного кислорода) по 1 50мл 0 02 jV раствора Ва (ОН) 2 и пропускают воздух еще в течение 15 мин и под током воздуха оттитровывают раствор барита 0 01 N раствором соляной кислоты. Отсутствие разницы между расходом этой кислоты в данном титровании и отдельно установленным соотношением между баритом и соляной кислотой указывает на чистоту установки; в противном случае необходимо продолжать очистку прибора. После окончания такой очистки под током кислорода при скорости 5 мл / мин в сухие поглотители Реберга вносят по 2 00 - 2 50 мл 0 02 N. Оптимальный объем воды для анализа определяется содержанием в ней суммарного углерода: исходя из ниже приведенного соотношения между 1 мл 0 01 N раствора НС1 и углеродом, крайние пределы содержания суммарного углерода в пробе воды составляют от 10 до 200 мкг С. При правильном проведении анализа даже при максимальном содержании углерода титр барита в третьем поглотителе изменяется мало.  

С помощью рис. 25.6 посмотрим, что происходит при охлаждении расплавов различного состава ниже эвтектической температуры 1130 С. Сплав, состав которого определяется на диаграмме точкой 1, при охлаждении затвердевает в эвтектической точке Е, образуя смесь цементита Fe3C и аустенита; последний представляет собой твердый раствор углерода в железе. Описанная смесь называется ледебуритом. Расплав, состав которого отвечает точке 2, при отвердевании образует кристаллы аустенита, а остающийся расплав обогащается углеродом до тех пор, пока не будет достигнута эвтектическая точка. После этого получается твердая фаза, содержащая аустенит и ледебурит. Таким образом, расплавы состава 1 и 2 в итоге дают смеси одинаковых твердых веществ, аустенита и цементита, но в различных пропорциях. Эта величина характеризует максимальное содержание углерода в его твердом растворе с железом, а также определяет верхний предел содержания углерода в обычных углеродистых сплавах. При наличии большего количества углерода сплавы железа называются чугуном. При охлаждении расплава с составом 3 сначала образуются аустенитные кристаллы, более бедные углеродом, чем расплав; расплав же, наоборот, обогащается углеродом. При охлаждении до температуры, соответствующей точке на кривой солидуса, которая отвечает составу исходного расплава, он кристаллизуется с образованием аустенита.  

В течение последних лет было выполнено достаточное количество работ по изучению фазовых диаграмм и процессов испарения высокоогнеупорных псевдометаллических карбидов элементов IV и V групп, на основе которых можно представить общий характер поведения этих материалов. Эти соединения (а также аналогичные нитриды, тройные и четвертные карбидонитриды, окси-карбиды и оксикарбонитриды) имеют очень высокую энергию связи. На основании электропроводности и магнитных свойств этих соединений установлено, что связи в них имеют металлический характер во всей кристаллической решетке. Составы образующихся фаз не определяются валентностями, как это имеет место в случае ионных соединений переходных металлов или в случае соединений типа адамантина, в которых преобладают ст-связи. В карбидах при высоких температурах обычно присутствуют три нестехиометрические фазы. Металл (а-фаза) при высоких температурах присоединяет 5 - 10 ат. Следующая фаза имеет идеальную гексагональную решетку с химической формулой МаС, а отклонения от стехиометрического состава при температурах значительно ниже эвтектической, по-видимому, очень незначительны. При приближении к эвтектической температуре минимальная концентрация углерода в фазе М2С быстро уменьшается, а максимальная концентрация углерода увеличивается лишь незначительно. В любом случае при очень высокой температуре фаза М2С неустойчива и изменяется по перитектической реакции с образованием расплава и у-фазы типа NaCl с большими отклонениями от стехиометрического состава. Фаза имеет широкий диапазон составов. Однако представляется, что во всех изученных системах максимальное содержание углерода в карбиде, находящемся в равновесии с графитом, остается меньше стехиометрического. Результаты, полученные различными исследователями, иногда не согласуются, а интерпретация результатов затрудняется легкостью внедрения в эти фазы кислорода и азота, а также сложностью определения малых примесей.  

Страницы:      1    2    3    4

Углеродистая сталь востребована разнообразными предприятиями, из нее изготавливают детали для машиностроения, несущие конструкции, всевозможные инструменты и другие предметы.

1

Углеродистые стали (УС) представляют собой металлургические низколегированные композиции, содержащие до 99,5 % железа. В них также вводятся в строго дозированных количествах различные добавки. Последние обуславливают особые эксплуатационные, технологические и механические свойства интересующих нас сплавов. От общего количества сталей, выплавляемых на металлургических предприятиях, на долю углеродистых композиций приходится порядка 80 %. Сейчас известно более двух тысяч марок таких сплавов. По сфере применения все они делятся на конструкционные, инструментальные и стали обыкновенного качества.

Углеродистая сталь

Их структура зависит от процентного содержания углерода. Изменяя его количество, можно придать готовой композиции заданные свойства (текучесть, плотность, пластичность, твердость). Если углеродистая сталь содержит менее 0,8 % углерода, ее структура включает в себя перлит и феррит. В сплавах с углеродом более 0,8 % обязательно присутствует цементит (вторичный). А вот низколегированная сталь с содержанием интересующего нас элемента на уровне 0,8 % имеет перлитную структуру. Прочность сплава, его ударная вязкость и порог хладноломкости повышаются при увеличении содержания углерода в нем. Но при этом фиксируется снижение пластичности проката.

Углеродистые стали подразделяют на три типа в зависимости от своего химсостава. Они могут быть низко-, средне- и высокоуглеродистыми. В первых углерод присутствует в малых количествах (до 0,25 %). Такие композиции хорошо деформируются (их плотность сравнительно мала) и в горячем состоянии, и в холодном, обладая высокой степенью пластичности. В среднеуглеродистом прокате углерода имеется 0,3–0,6 %. Эти сплавы характеризуются неплохой текучестью и пластичностью и при этом достаточной прочностью. Чаще всего они используются для строительных и иных конструкций, которые эксплуатируются в обычных условиях.

Всевозможные измерительные приборы и инструменты повышенной прочности делают из высокоуглеродистых (0,6–1,4 %) сплавов. Они имеют повышенную плотность и ряд уникальных характеристик (их обуславливает особая структура выплавляемой стали). Таким образом, область применения углеродистых композиций зависит от их химического состава и непосредственно от назначения конкретной марки стали. Позже поговорим об этом подробнее.

2

Кроме углерода, в УС всегда имеются включения других химических элементов. К таковым относят кислород, водород, фосфор, марганец, азот, серу, кремний. От количества этих примесей зависит плотность готового проката и другие его механические свойства. Марганец дает возможность выполнять раскисление УС. Поэтому его специально добавляют в любой сплав. Под раскислением понимают важную и полезную операцию – удаление вредных продуктов закиси железа. За счет введения марганца структура металла становится более качественной. Он обеспечивает растворение сернистых веществ в цементите и феррите.

Трубы из углеводородистой стали

Аналогичную функцию выполняет и кремний. Он отлично раскисляет металлургические композиции. Их структура благодаря этому обретает требуемую упорядоченность. Здесь стоит отметить, что кремний полностью растворяется в феррите. Лишь небольшая его часть иногда остается в виде силикатов в углеродистых сплавах. Низколегированная сталь при этом не теряет своих стандартных характеристик. Негативное воздействие на свойства УС оказывает сера и фосфор. Первая попадает в металл из печных газов и из руды. Сера снижает плотность проката (усредненный ее показатель равняется 7,8 г/куб. см) и делает сплав хрупким. По этой причине ее содержание в УС должно контролироваться и корректироваться. В качественном углеродистом прокате серы не может быть более 0,04 %, в обыкновенном – более 0,03.

Фосфор попадает в сталь из флюсов и железной руды. При большом содержании данного элемента прокат становится хрупким. Это приводит к хладноломкости сплава, что недопустимо. В настоящее время фосфор без проблем удаляется из металлургических углеродистых композиций, применение которых требует минимального содержания этой примеси. Углеродистые и легированные стали в незначительных объемах содержат азот, водород, кислород. Их количество зависит от вида металлургического производства (конвертерный, мартеновский процесс, выплавка в электрических агрегатах). Азота и водорода в прокате может быть от 0,0001 до 0,0007 %, кислорода – от 0,002 до 0,03 %.

Чрезмерное содержание таких примесей становится причиной увеличения предела хладноломкости сплавов. Они могут снижать ударную вязкость стали. Особенно опасен переизбыток водорода. Он может привести к появлению флокенов – надрывов в готовом прокате. При их наличии структура и свойства металла ухудшаются.

3

Обычная углеродистая сталь изготавливается в виде балок, прутьев, листьев и швеллеров. Ее свойства позволяют применять сплавы обыкновенного качества в машиностроительной отрасли и в строительной сфере в качестве надежных опорных изделий. Маркируются обычные стали буквами Ст и цифрой от 0 до 6. Последние указывают на прочность сплава. Чем большая цифра стоит в маркировке, тем более прочной является сталь. Обозначение УС также включает в себя методику раскисления металлургической композиции. С этой точки зрения сплавы могут быть:

• кипящими (маркировка – КП);
• полуспокойными (ПС);
• спокойными (СП).

Изделия из прочной стали

Кроме того, обычные по качеству углеродистые стали делят на подвиды А, Б и В. Сплавы группы А нельзя использовать для производства сварных конструкций. Эти стали не регламентируются по химическому составу. Их основным показателем принято считать механические свойства. Сплавы Б-подвида имеют строго определенный химсостав. При этом их механические свойства могут изменяться. Изделия из сталей группы Б допускается подвергать термической обработке, ковке, штамповке. Самыми дорогими (и, конечно же, качественными) являются сплавы В-подвида. Их химсостав и механические свойства четко соответствуют требованиям Госстандартов. За счет особых характеристик таких сталей их разрешается сваривать без ограничений (по разным технологиям).

Конструкционные УС поставляют в виде разнообразных полуфабрикатов, включая различные варианты поковок и проката. Такие качественные углеродистые стали имеют мало неметаллических примесей и негативно влияющих на свойства стали элементов (серы и фосфора). Поэтому их характеристики (механические и химические) являются строго гарантированными. Обозначаются конструкционные качественные сплавы числами, состоящими из двух цифр – 45, 20, 08, 85 и так далее. Этот код указывает содержание (в сотых частях процента) углерода в готовом прокате. Если перед нами сталь с маркировкой 45, несложно понять, что углерода в ней около 0,45 %. Конструкционные УС идеально подходят для производства широкой номенклатуры машиностроительных изделий. Важно! Начальные свойства таких сплавов (эксплуатационные и прочностные) легко повышаются посредством проведения их термической обработки.

Находят применение при изготовлении инструмента для обработки древесины, матриц, фрез, пневматического инструмента, плашек, сверлильных приспособлений, кусачек, плоскогубцев и аналогичных инструментов. Также из них делают ножовочные полотна, напильники, измерительные механизмы. Маркируются инструментальные сплавы литерой У, цифрами, указывающими на количество углерода (десятые части процента), а также дополнительной буквой А (ставится в конце обозначения стали, если речь идет о прокате высокого качества). Если перед вами сплав с маркировкой У13А, сразу можно понять, что вы имеете дело с инструментальной высококачественной сталью с углеродом 1,3 %.

4

При колебаниях температуры от +20 до +900° плотность рассматриваемых сталей практически не изменяется. Эта величина находится в пределах 7,7–7,9 г/куб.см. По сути, плотность УС аналогична показателю плотности железа. Это логично, ведь основу любого углеродистого сплава составляет именно оно. Изменить плотность, а также свойства и структуру УС позволяет их термообработка. Под такой операцией понимают нагрев сплава, а затем его охлаждение.

Термообработка стали

Термическая обработка углеродистых сталей бывает следующих видов:

• отжиг;
• отпуск;
• закалка;
• нормализация.

Применение позволяет получить сплавы со структурой, мало чем отличающейся от равновесной. Такая операция осуществляется по простой схеме: нагрев металла до определенной температуры и его выдержка в течение заданного времени, а затем охлаждение проката (оно происходит, как правило, вместе с печью на протяжении относительно длительного временного отрезка). Закалка углеродистой стали производится аналогичным образом. Но охлаждается нагретый металл в данном случае с заданной (достаточно быстрой) скоростью. Она подбирается металлургами так, чтобы готовый прокат получил полностью мартенситную структуру. При закалке обязательным является применение специальных масел, соляных растворов либо воды. Эти жидкости обеспечивают быстрое охлаждение УС.

Отпуск дает возможность получить прокат с определенными свойствами. Он применяется только для закаленных ранее сплавов. Отпуск обеспечивает снятие напряжений (внутренних) в металле и повышение его механических параметров. Углеродистая сталь, кроме того, может подвергаться нормализации (нагрев, выдержка и остывание естественным путем на открытом воздухе). Такой процесс не относят к основным типам термообработки. Он, скорее, представляет собой подвид стандартной закалки или отжига.

Углеродистая сталь - сплав железа и углерода - занимает порядка 80% от всего объема металлоизделий. Материал отличается удовлетворительными механическими свойствами, относительно небольшими затратами на производство. Плотность стали (от 7,7 до 7,9)*103 кг/м3.

Сплав хорошо подвергается обработке давлением и резанием. Следует отметить, что материал превосходит в этих свойствах легированный сплав. Вместе с этим, углеродистая сталь менее технологична при В связи с высокой критической скоростью закалки, сплав охлаждается в воде. Это, в свою очередь, приводит к значительным короблениям и деформациям изделий. Чтобы обладала одинаковой с легированным сплавом прочностью, ее необходимо отпускать при температуре более низкой. В связи с этим, сохраняются более что снижает конструкционную прочность материала.

Углеродистая сталь бывает двух видов: качественная и обыкновенного качества.

Второй вид представлен прокатными изделиями: швеллерами, трубами, уголками, листами, балками, прутками и прочим. В углеродистой стали обычного качества допустимо содержание неметаллических включений, вредных примесей. Разрешена и некоторая степень газонасыщенности материала.

В соответствии с комплексом свойств и назначением углеродистые сплавы подразделяются на группы А, Б и В.

Первая группа (А) применяется при изготовлении деталей без использования горячей обработки. Таким образом, материал сохраняет механические свойства.

Стали из группы Б используют при производстве деталей с применением горячей обработки (например, прокатки, ковки, сварки). В этом случае механические свойства и исходная структура изменяются. Для этих деталей важной является информация о химическом составе. В зависимости от сведений будет определяться и режим горячей обработки.

Стали из группы В используются для изготовления сварных конструкций, ответственных деталей.

Следует отметить, что способ обработки металлического материала влияет на теплопроводность стали. Так, любое воздействие на изделие давлением повышает свойство проводить тепло к менее нагретой его части от более нагретого участка.

Углеродистые стали указанных трех групп обыкновенного качества предназначены для производства разных металлоконструкций, слабонагруженных приборов и деталей машин. Данный тип материала применим в тех случаях, когда работоспособность изделий обеспечивается за счет жесткости. Углеродистые обыкновенным качеством достаточно широко используются в строительной сфере при сооружении железобетонных конструкций. Отдельные сплавы групп В и Б хорошо подвергаются холодной обработке и свариванию. В связи с чем эти стали широко применяют при изготовлении рам, сварных ферм, строительных металлоконструкций, а также крепежных элементов, часть из которых подвергается впоследствии цементированию.

Стали подразделяют также на высоко-, средне- и низкоуглеродистые.

Последние характеризуются высокой пластичностью и малой прочностью в холодном состоянии. Как правило, эти изготавливают в виде тонкого листа. Углерод и кремний содержатся в них в малом количестве, вследствие чего эти сплавы отличаются мягкостью.

Стали среднеуглеродистые (номеров 4 и 3), отличаются большой прочностью. Эти сплавы применяют при производстве шестерен, валов, шкивов и прочих деталей сельскохозяйственной и грузовой техники, а также железнодорожных колес, рельсов и других изделий.

Стали высокоуглеродистые (номеров 6 и 5) и с высоким содержанием марганца используют в большинстве случаев при изготовлении высокопрочной проволоки, рессор, пружин и прочих деталей, от которых требуется высокая упругость и износостойкость.

Углеродистые стали содержат в своем составе углерод до 2,14%, марганец (до 0,8%), кремний (до 0,35%), серу (до 0,06%) и фосфор (до 0,07%). Перечисленные элементы всегда присутствуют в стали, и поэтому их классифицируют как постоянные примеси . Марганец и кремний вводят в стали с целью раскисления, присутствие серы и фосфора объясняется трудностью удаления их при выплавке.

Кремний растворяется в феррите и сильно упрочняет его, снижая при этом пластичность и значительно повышая предел текучести. При этом уменьшается способность стали к вытяжке и холодной высадке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть сниженным.

Марганец повышает прочность феррита и уменьшает красноломкость стали, которую вызывает сера. С железом сера образует сульфид FeS, который практически не растворяется в железе и образует с ним эвтектику (Fe + FeS), плавящуюся при температуре 988°С. При кристаллизации эта эвтектика размещается вокруг зерен в виде оторочек. Во время горячей обработки при нагреве выше 1000°С эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами и в металле при деформации возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью стали. При наличии марганца в стали вместо сульфида железа образуется сульфид марганца MnS с температурой плавления 1620°С, благодаря чему устраняется явление красноломкости.

Соединения серы снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, резко снижают работу развития вязкой трещины и вязкость разрушения К 1С . Сульфиды ухудшают свариваемость и коррозийную стойкость.

Фосфор в малых количествах растворяется в железе, образуя твердый раствор. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность и вязкость и резко повышает порог хладноломкости стали. Каждая 0,01% фосфора повышает переходную температуру хладноломкости на 20...25 о С. При повышенном содержании фосфор с железом образует фосфиды Fe 3 Р и Fe 2 P, которые в составе эвтектики размещаются по границам зерен и снижают прочность стали.

Существуют в сталях так называемые скрытые примеси, к которым относят кислород 0,002...0,008%), азот (0,002...0,007%), водород (0,0001...0,0007%). Эти примеси могут находиться в стали в виде хрупких неметаллических включений (FeO, Al 2 O 3 , Fe 4 N) или твердого раствора, а также быть в свободном виде в дефектных участках металла (трещинах, раковинах и др.). При плавлении они растворяются в стали, а затем выделяются при охлаждении, главным образом, по границам зерен, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Кроме того, неметаллические включения есть концентраторами напряжений. Наличие водорода становится причиной возникновения в легированных сталях флокенов (микронесплошностей металла диаметром до 10…15 мм в центральной части поковки).

Неметаллические включения являются хрупкими и во время прокатки разбиваются, располагаясь в стали в виде цепочек. При этом образуются микроскопические концентраторы напряжений, что снижает характеристики усталости и ударную вязкость.

Некоторые примеси попадают в сталь при выплавке из скрапа и называются случайными . К таким примесям относятся хром, никель, медь при наличии до 0,3%. Влияние их в таком количестве на свойства сталей незначительно.

Наибольшее влияние на свойства стали имеет углерод. На рисунке 6 приведены кривые зависимости прочности и пластичности стали от содержания в ней углерода. Видно, что углерод очень резко повышает свойства прочности при одновременном снижении пластичности и вязкости. Это объясняется тем, что цементитные включения тормозят передвижение дислокаций в феррите и, естественно, при увеличении количества повышается их влияние.

При увеличении количества углерода переходная температура хладноломкости стали резко повышается. Каждая 0,1% С повышает на 20 о С температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Углерод влияет также и на другие физические свойства стали, в частности, с повышением количества углерода увеличивается электросопротивление и коэрцитивная сила, а магнитная проницаемость уменьшается.

Углеродистые стали подразделяются по способу производства в зависимости от используемых плавильных агрегатов на конверторную, мартеновскую и электросталь. При этом по способу раскисления сталь может быть кипящей (раскислена только марганцем), полуспокойной (раскислена марганцем и кремнием) и спокойной (раскислена марганцем, кремнием и алюминием).

Рисунок 6 - Зависимость механических свойств стали (а) и

фазового состава (б) от содержания углерода

1.4.2.1 Классификация и маркировка углеродистых сталей

По структуре в равновесном состоянии различают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025 до 0,8%, их структура состоит из феррита и перлита. Содержание углерода в эвтектоидной стали составляет 0,8% С при полностью перлитной структуре. В заэвтектоидных сталях наряду с перлитной составляющей образуются цементитные включения, а содержание углерода может изменяться от 0,8 до 2,14%.

Наиболее распространена классификация углеродистых сталей по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, В соответствии с этим признаком стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (табл. 1) маркируются буквами Ст , что означает сталь. После Ст следует условный номер марки от 0 до 6, который отображает химический состав стали. Степень раскисления стали указывается буквами кп, пс, сп , которые означают, соответственно, кипящую (раскисленную марганцем), полуспокойную (раскисленную марганцем и кремнием), спокойную (раскисленную марганцем, кремнием и алюминием). Массовая доля серы в сталях всех марок £ 0,050%, фосфора – £ 0,040%, в Ст0 серы – £0,060%, фосфора – £ 0,070%.

Достаточно часто встречается еще маркировка прошлых лет, в соответствии с которой все стали обыкновенного качества подразделяются на три группы.

Группа А – маркируются Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Группа Б – маркируются буквами М, К, Б (что указывает на способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский), а затем Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6.

Группа В – маркируются ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Они не поддаются горячей обработке. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.

Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом и у потребителя могут подвергаться горячей обработке (например, ковке и термической обработке).

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (применяются для сварных конструкций).

Таблица 1 - Химический состав углеродистых сталей обыкновенного

качества

Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливают кипящими, полуспокойными, спокойными, а стали с номерами 5 и 6 – полуспокойными и спокойными.

Углеродистые качественные стали отличаются от сталей обыкновенного качества меньшим содержанием серы (не более 0,04%) и фосфора (не более 0,035%), а также меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узким диапазоном. Качественные углеродистые стали маркируются словом сталь и последующим двузначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, например, 08, 10, 15 и т.д. (табл. 2).

Таблица 2 - Состав и механические свойства качественных углеродистых сталей

Марка стали	С, %	Mn,%	Si, %	Cr, %	s 0,2 , МПа	s в, МПа	δ,%	y, %	KCU, Дж/см 2
	0,05-0,12	0,35-0,65	0,17-0,37	0,10					-
	0,07-0,14	0,35-0,65	0,17-0,37	0,15					-
	0,12-0,19	0,35-0,65	0,17-0,37	0,25					-
	0,17-0,24	0,35-0,65	0,17-0,37	0,25					-
	0,22-0,30	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25
	0,27-0,35	0,50-0,80	0,17-0,37	0,5
	0,32-0,40	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25
	0,37-0,45	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25
	0,42-0,50	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25
	0,47-0,55	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25
	0,52-0,60	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25					-
	0,57-0,65	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25					-

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления буквами кп, пс . В случае спокойной стали степень раскисления не указывается. К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7 - 1,0%). Такие стали имеют в конце марки букву Г .

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с более низким содержанием серы (до 0,025%) и фосфора (до 0,025%). При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.

Качественные углеродистые стали подразделяются на низко-, средне- и высокоуглеродистые в зависимости от содержания углерода. К низкоуглеродистым сталям высокой пластичности и малой прочности относятся стали 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г..., 25Г, которые используются для изготовления малонагруженных деталей (кулачковых валов, осей, втулок). Термическая обработка (закалка с отпуском, цементация) значительно повышает прочность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл. Среднеуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,3...0,55%) в зависимости от требуемых механических свойств используются после нормализации, закалки с высокотемпературным отпуском, закалки ТВЧ и низкотемпературного отпуска. Из этих сталей изготовляют валы, шестерни, шатуны, шпиндели и т.д.

Высокоуглеродистые стали содержат углерода от 0,6 до 0,85% и характеризуются высокими прочностными и упругими свойствами, повышенной износостойкостью. После закалки и отпуска или закалки с нагревом ТВЧ детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают канатную проволоку, а также пружинную проволоку после патентования.

Углеродистые стали, которые содержат 0,7...1,3%С, используются для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7...У13 , где У обозначает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента.

К положительным качествам углеродистых сталей относится их достаточно высокий комплекс механических свойств, который обеспечивается проведением термической обработки. Углеродистые стали имеют хорошие технологические свойства. Они недефицитны и дешевы.

Основным недостатком углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость (до 15 мм).

Чугуны

1.4.3.1 Общие сведения

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.

Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.

Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.

В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые (углерод находится в виде графитных включений).

В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe 3 C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).

В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.

Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одновременно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.

Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.

Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.

Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит , следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.

Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Графит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми .

Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.

Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.

Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.

Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он способствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.

Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.

Сера по своей отбеливающей способности в 5 - 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.

Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950 о С, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.

Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают никель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.

Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжимающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2...0,5%), промежуточную (δ = 5...10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).

По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.

Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.

Благодаря своим прочностным характеристикам и доступной цене углеродистая сталь является весьма распространенным сплавом. Его главные элементы - это железо и углерод с минимумом присесей. Из углеродной стали производят различную машиностроительную продукцию, детали трубопроводов и котлов, инструменты. В строительстве сплавы тоже нашли широкое применение.

Основные характеристики

В зависимости от основного своего назначения углеродистые стали делятся на инструментальные и конструкционные, легирующих элементов в их составе практически нет. От обыкновенных стальных сплавов они отличаются еще и тем, что имеют в составе значительно меньше базовых примесей: марганца, магния, кремния. Содержание главного элемента - углерода - варьируется в довольно широких пределах . В составе высокоуглеродистой стали содержится 0,6−2% C, среднеуглеродистой - 0,3−0,6%, низкоуглеродистой - до 0,25%.

Основной элемент определяет свойства и структуру. Во внутренней структуре сплавов с менее чем 0,8% C (сталь доэвтектоидная) - преимущественно перлит и феррит, а при увеличении концентрации главного элемента формируется вторичный цементит.

Представленные стали с преобладанием ферритной структурой высоко пластичны и имеют низкую прочность. Если в структуре преобладает цементит , металл характеризуется высокой прочностью, однако и большой хрупкостью. При повышении содержания C до 0,8−1% растет прочность и твердость, но сильно ухудшается вязкость и пластичность.

Количественное содержание углерода сказывается на технологических характеристиках, в частности, на свариваемости, легкости обработки резанием и давлением.

• Из низкоуглеродистых сталей изготавливают детали и конструкции, не предназначенные для значительных нагрузок.
• Характеристики среднеуглеродистых сталей делают их основным конструкционным материалом, который используется в производстве конструкций и деталей для транспортного и общего машиностроения.
• Высокоуглеродистые сплавы оптимальны для изготовления деталей, которые должны иметь повышенную износостойкость, в производстве измерительного и ударно-штампового инструмента.

Металл, как и иные стальные сплавы, в составе содержат примеси:

• кремний;
• фосфор;
• марганец;
• азот;
• серу;
• водород;
• кислород.

Кремний и марганец - это полезные примеси, которые вводятся в состав на стадии выплавки для раскисления. Фосфор и сера - вредные примеси , ухудшающие качественные характеристики сплава.

Считается, что легирование и углеродистые виды несовместимы, тем не менее с целью улучшения их технологических и физико-механических характеристик может выполняться микролегирование с помощью добавления различных добавок:

• бора;
• титана;
• циркония;
• редкоземельных элементов.

С их помощью не удастся превратить металл в нержавейку, но значительно улучшить свойства получится.

Классификация по степени раскисления

На разделение на типы влияет, в частности, степень раскисления. В зависимости от этого параметра наши сплавы делят на полуспокойные, спокойные и кипящие.

Более однородную внутреннюю структуру имеют спокойные стали, чье раскисление достигается путем добавления в расплавленный металл алюминия, ферросилиция и ферромарганца . Благодаря тому, что сплавы нашей категории полностью раскислились в печи, в их составе отсутствует закись железа. Остаточный алюминий, препятствующий росту зерна, обеспечивает мелкозернистую структуру. Она и практически абсолютное отсутствие растворенных газов позволяет получить качественный металл для изготовления из него самых ответственных деталей и конструкций. Наряду с плюсами у спокойных сплавов есть большой минус - достаточно дорогая выплавка.

Есть более дешевые, хотя и менее качественные, углеродистые сплавы, при выплавке которых используют минимум специальных добавок. В структуре такого металла из-за того, что процесс раскисления в печи не довели до конца , есть растворенные газы, негативно отражающиеся на характеристиках. Азот, например, плохо влияет на свариваемость и провоцирует образование трещин в области шва. Развитая ликвация в структуре сплавов приводит к тому, что металлопрокат, сделанный из них, отличается неоднородностью по структуре и механическим характеристикам.

У полуспокойных сталей промежуточное положение по свойствам и степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав их вводится немного раскислитилей, благодаря которым затвердеванием металла происходит практически без кипения , но выделение газов в нем продолжается. В результате получается отливка, в структуре которой меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Эти внутренние поры при последующей прокатке металла завариваются практически полностью.

Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется как конструкционные материалы.

Производство и деление по качеству

Углеродистые стали получают путем использования разных технологий. Различают:

• качественные углеродистые стали;
• высококачественные стальные сплавы;
• углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Сплавы обыкновенного качества получают в мартеновских печах, а из них формируются большие слитки. К плавильному оборудованию, использующемуся для получения таких сталей, относятся, в частности, кислородные конвертеры. В сравнении с качественными стальными сплавами, в металле может содержаться много вредных примесей, что отражается на характеристиках и стоимости производства.

Сформированные и застывшие слитки прокатывают горячими или холодными. Горячей прокаткой получают сортовые и фасонные изделия, тонколистовой и толстолистовой металл, широкие металлические полосы. Холодной прокаткой получают тонколистовой металл.

Для производства качественной и высококачественной стали используются мартеновские печи и конвертеры, а также плавильные печи, которые работают на электричестве.

К составу, а именно к наличию в структуре вредных и неметаллических примесей, ГОСТ предъявляет жесткие требования. В высококачественных сталях должно быть не более 0,04% серы и не более 0,035% фосфора . Высококачественные и качественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу выплавки и характеристикам имеют повышенную чистоту структуры.

Применение и маркировка

Инструментальные сплавы, в которых 0,65−1,32% C, используются для изготовления различного инструмента. Для улучшения механических свойств инструментов делают закалку материала изготовления.

Из конструкционных сплавов делают детали для разного оборудования, элементы конструкций строительного и машиностроительного назначения, крепежные детали и прочее. Из конструкционной стали делается проволока углеродистая, которая используется в быту , в производстве крепежа, в строительстве, для изготовления пружин. После цементации конструкционные сплавы успешно используются в производстве деталей, подвергающихся при эксплуатации серьезному поверхностному износу и испытывающих большие динамические нагрузки.

Маркировка говорит о химическом составе сплава и о его категории. В обозначении углеродистой стали обыкновенного качества есть буквы «ст». ГОСТ оговаривает семь условных номеров марок (0−6), также указывающихся в обозначении. Степень раскисления обозначают буквы «кп», «пс», «сп», проставленные в конце маркировки. Марки высококачественных и качественных сталей обозначаются цифрами, которые указывают на содержание в сплаве C в сотых долях процента.

О том, что сплав инструментальный, можно понять по букве «У» в начале маркировки. Цифра, следующая за этой буквой, говорит о содержании C в десятых долях процента. Литера «А», если таковая присутствует в обозначении инструментальной стали, указывает на улучшенные качественные характеристики сплава.

Стали с повышенным содержанием углерода могут быть менее склонными к образованию структур малой пластичности. При воздействии структурных и сварочных напряжений металл малой пластичности может разрушиться. Этому способствует наличие в нем и его сварочном шве диффузионного водорода. Для предупреждения появления холодных трещин применяются способы, позволяющие устранить факторы, способствующие появлению таких недостатков.