Углеродистая сталь

Углеродистая сталь — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода не превышает 2,14 %, а другие легирующие элементы (кроме неизбежных технологических примесей) отсутствуют или содержатся в незначительных количествах, не влияющих на свойства сплава. Является основным конструкционным материалом в промышленности и строительстве благодаря сочетанию высокой прочности, технологичности и относительно низкой стоимости.

Классификация

Углеродистые стали классифицируются по нескольким основным признакам: содержанию углерода, назначению, качеству и степени раскисления.

По содержанию углерода

• Низкоуглеродистые стали: содержание углерода до 0,25 %. Обладают высокой пластичностью, вязкостью, хорошо свариваются и обрабатываются давлением. Из них изготавливают листовой прокат, трубы, проволоку, детали кузовов автомобилей, строительные конструкции (например, сталь Ст3кп, 08кп, 10, 20).
• Среднеуглеродистые стали: содержание углерода от 0,25 % до 0,6 %. Имеют повышенную прочность и твёрдость при умеренной пластичности. Используются для изготовления деталей машин, валов, осей, шестерён, рельсов (стали 35, 40, 45, 50).
• Высокоуглеродистые стали: содержание углерода от 0,6 % до 2,14 %. Отличаются высокой твёрдостью, износостойкостью, но пониженной вязкостью. Применяются для производства режущего и мерительного инструмента, пружин, рессор, канатов, штампов (стали У7, У8, У10, У12).

По качеству

Качество стали определяется содержанием вредных примесей — серы и фосфора.

• Стали обыкновенного качества: содержание серы до 0,05 %, фосфора до 0,04 %. Маркируются буквами «Ст» и цифрой (Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6). Не подвергаются термической обработке, используются в строительстве для неответственных конструкций.
• Качественные стали: содержание серы и фосфора не более 0,035 %. Маркируются двузначным числом, обозначающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь 08, 10, 20, 45, 60). Применяются для изготовления деталей машин и механизмов.
• Высококачественные стали: содержание серы и фосфора не более 0,025 %. В конце маркировки ставится буква «А» (например, сталь 20А, 45А). Используются для особо ответственных деталей.
• Особовысококачественные стали: содержание серы и фосфора не более 0,015 %. Маркируются буквой «Ш» в конце (например, 20Ш, 45Ш). Получают электрошлаковым переплавом. Применяются в авиастроении, космической технике.

По степени раскисления

Раскисление — процесс удаления из жидкой стали растворённого кислорода.

• Кипящая сталь (кп): раскислена не полностью. Содержит газовые пузыри, имеет низкую плотность, но высокую пластичность. Маркируется буквами «кп» (например, Ст3кп, 08кп).
• Спокойная сталь (сп): раскислена полностью (обычно кремнием и алюминием). Имеет плотную однородную структуру, высокую прочность и вязкость. Маркируется буквами «сп» (например, Ст3сп, 45сп).
• Полуспокойная сталь (пс): занимает промежуточное положение. Маркируется буквами «пс» (например, Ст3пс, 20пс).

Химический состав и влияние примесей

Основным легирующим элементом является углерод. С увеличением его содержания растут твёрдость, прочность и хрупкость стали, снижается пластичность и вязкость.

Постоянные примеси (марганец, кремний) попадают в сталь в процессе выплавки. Марганец (до 0,8 %) повышает прочность и раскисляет сталь. Кремний (до 0,4 %) также повышает прочность и упругость.

Вредные примеси:

• Сера вызывает красноломкость — хрупкость при высоких температурах (при горячей обработке давлением).
• Фосфор вызывает хладноломкость — хрупкость при низких температурах.

Газы (кислород, азот, водород) ухудшают механические свойства, снижают пластичность и ударную вязкость, вызывают флокены (внутренние трещины).

Свойства

Основные свойства углеродистой стали определяются её химическим составом и структурой.

• Механические свойства: предел прочности (от 300 до 1200 МПа), предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость, твёрдость (по Бринеллю, Роквеллу).
• Технологические свойства: свариваемость, обрабатываемость резанием, ковкость, штампуемость, литейные свойства. Низкоуглеродистые стали свариваются хорошо, высокоуглеродистые — плохо.
• Физические свойства: плотность ~7850 кг/м³, температура плавления ~1500 °C, теплопроводность ~50 Вт/(м·К), электропроводность ~10 % от меди.
• Коррозионная стойкость: низкая. Углеродистая сталь активно ржавеет во влажной атмосфере, поэтому требует защиты (окраска, оцинковка, лужение).

Маркировка

В России и странах СНГ принята буквенно-цифровая система маркировки.

• Стали обыкновенного качества: буквы «Ст» и цифра от 0 до 6, обозначающая номер марки (не содержание углерода). Например, Ст3, Ст5. Дополнительно указывается степень раскисления: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп.
• Качественные стали: двузначное число, показывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 08 — 0,08 % углерода, сталь 45 — 0,45 % углерода. Для высококачественных — буква «А» в конце. Для инструментальных — буква «У» в начале (У7, У8, У10).
• Литейные стали: в конце маркировки добавляется буква «Л» (например, 35Л, 45Л).

Производство

Углеродистую сталь получают в кислородных конвертерах, мартеновских печах или электродуговых печах. Основное сырьё — передельный чугун, стальной лом, ферросплавы. После выплавки сталь разливают в слитки или на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Затем слитки или заготовки подвергают горячей прокатке на листопрокатных, сортовых или трубных станах.

Термическая обработка

Для изменения свойств углеродистую сталь подвергают термической обработке:

• Отжиг: нагрев до определённой температуры, выдержка и медленное охлаждение. Снижает твёрдость, снимает внутренние напряжения, улучшает обрабатываемость.
• Нормализация: нагрев выше критической точки и охлаждение на воздухе. Повышает прочность и твёрдость, измельчает зерно.
• Закалка: нагрев до температуры выше критической, выдержка и быстрое охлаждение (в воде, масле). Резко повышает твёрдость и прочность, но делает сталь хрупкой.
• Отпуск: нагрев закалённой стали до температуры ниже критической, выдержка и охлаждение. Снимает внутренние напряжения, повышает вязкость, снижает хрупкость. Различают низкий (150–250 °C), средний (350–500 °C) и высокий (500–650 °C) отпуск.

Применение

Углеродистая сталь — самый массовый металлический материал. Основные области применения:

• Строительство: арматура, балки, швеллеры, уголки, листовой прокат для каркасов зданий, мостов, опор ЛЭП.
• Машиностроение: детали двигателей, коробок передач, ходовой части, валы, оси, шестерни, пружины, рессоры.
• Инструментальная промышленность: режущий инструмент (свёрла, метчики, фрезы), измерительный инструмент (штангенциркули, микрометры), штампы, пресс-формы.
• Трубная промышленность: трубы для водоснабжения, газопроводов, нефтепроводов, строительных конструкций.
• Метизная промышленность: гвозди, болты, гайки, шурупы, проволока, канаты.
• Бытовая техника и посуда: корпуса стиральных машин, холодильников, кухонная утварь (ножи, сковороды, кастрюли).

Интересные факты

• Дамасская сталь (булат), известная с древности, является разновидностью высокоуглеродистой стали с характерным узором, полученным путём кузнечной сварки и ковки.
• Сталь Ст3 является одной из самых распространённых марок в мире. Из неё изготовлены каркасы многих небоскрёбов, мостов и промышленных зданий.
• В XIX веке из углеродистой стали изготавливали рельсы, броню для кораблей и стволы орудий. Развитие металлургии позволило перейти к легированным сталям для особо ответственных изделий.

Источники

1. ГОСТ 380-2005 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки».
2. ГОСТ 1050-2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия».
3. ГОСТ 1435-99 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Технические условия».
4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. «Материаловедение». — М.: Машиностроение, 1990.
5. Гуляев А. П. «Металловедение». — М.: Металлургия, 1986.