Углеродистая сталь: состав, свойства, марки¶

Углеродистая сталь — это сталь, в которой основным легирующим элементом является углерод, а содержание других примесей (марганца, кремния, серы, фосфора) не превышает установленных пределов. Углерод определяет основные механические свойства материала: чем выше его содержание, тем выше твёрдость и прочность, но ниже пластичность и свариваемость. Углеродистые стали относятся к самым распространённым конструкционным материалам и составляют основу мирового производства стали.

¶Состав и классификация

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на три группы:

Содержание марганца, как правило, не превышает 0,8 %, кремния — 0,4 %, серы и фосфора — по 0,05 % (в качественных сталях). Если концентрация марганца доведена до 0,8—2 %, сталь относится к марганцовистым; если присутствуют легирующие добавки (хром, никель, ванадий), сталь становится легированной.

¶Маркировка

В России действует система маркировки, принятая ГОСТ 380—2014 (ранее ГОСТ 380—94). Индекс «Ст» обозначает сталь, римская цифра после него — класс прочности (Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6), буквы «к», «п» или «сп» уточняют способ раскисления: кипящая, полуспокойная или спокойная. Например, марка Ст3сп означает сталь углеродистую конструкционную низкоуглеродистую, спокойную, третьего класса прочности. Наиболее распространённая марка в строительстве — Ст3 (обычно Ст3сп5 или Ст3пс5).

Для качественных углеродистых сталей используется маркировка по ГОСТ 1050—2013: число в начале марки обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Так, сталь 45 содержит около 0,45 % углерода, сталь У10А — около 1,0 % углерода, буква «У» указывает на инструментальную группу, а буква «А» — на высокое качество (низкое содержание вредных примесей).

¶Свойства

Механические свойства углеродистой стали существенно зависят от содержания углерода и термической обработки. Малоуглеродистые стали (Ст0, Ст2, Ст3) имеют предел прочности 330—490 МПа, относительное удлинение 25—35 %, легко гнутся, штампуются и свариваются. Среднеуглеродистые стали (например, сталь 40, 45) после нормализации достигают предела прочности 600—800 МПа и широко применяются для деталей машин. Высокоуглеродистые и инструментальные стали (У7, У8, У10, У12) после закалки получают твёрдость 55—64 HRC, но почти не пластичны и плохо свариваются.

Углеродистые стали склонны к старению, ограниченно свариваемы (особенно высокоуглеродистые), не обладают коррозионной стойкостью и работают при температурах не выше 400—450 °C, так как при нагреве происходит рост зёрен и снижение прочности.

¶Термическая обработка

Основные виды термической обработки углеродистых сталей:

• Отжиг — нагрев с медленным охлаждением для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости;
• Нормализация — нагрев и охлаждение на воздухе для получения мелкозернистой структуры и повышения прочности;
• Закалка — нагрев до температуры выше критической и быстрое охлаждение (в воде или солевом растворе) для максимального повышения твёрдости; применяется преимущественно для средне- и высокоуглеродистых сталей;
• Отпуск — повторный нагрев после закалки для снятия хрупкости и получения нужного сочетания прочности и вязкости.

¶Применение

Малоуглеродистые стали (Ст0—Ст5) используются в строительстве (балки, швеллеры, уголки, арматура, листовой прокат), в машиностроении для корпусных деталей, в производстве метизов, труб малого диаметра, проволоки и холоднокатаного листа. Сталь Ст3 является самой массовой конструкциоонной сталью в России.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50) применяются для изготовления валов, шестерён, осей, шатунов, болтов, пружин и других деталей, работающих под нагрузкой. Наиболее распространённая марка — сталь 45.

Высокоуглеродистые и инструментальные стали (У7—У13) идут на производство резцов, свёрл, напильников, ножей, скребков, пружин, рессор, струн и канатной проволоки. Сталь У8 применяется для кувалд и молотков, У10 — для ножей и резцов, У12 — для жестянных ножниц и слесарного инструмента.

¶Особенности производства

Углеродистая сталь получается в мартеновских, кислородно-конвертерных и электропечных агрегатах. В России крупнейшими производителями углеродистого проката являются «Северсталь», «НЛМК», «ММК», «Евраз ЗСМК» и «Мечел». Свободный углерод в структуре находится в виде цементита (Fe₃C) и перлита; изменение их соотношения за счёт легирования или термообработки позволяет регулировать свойства материала в широком диапазоне.

Источники:

• ГОСТ 380—2014. Стали углеродистые普通ые. Технические условия.
• ГОСТ 1050—2013. Стали качественные конструкционные углеродистые.
• Справочник металлиста / под ред. Б. И. Медовара.
• Поздняков В. С. Технология машиностроения. — М.: Машиностроение.
• Колесников В. П. Справочник по сварке углеродистых и низколегированных сталей.