1.4.2 Вуглецеві сталі

Вуглецеві сталі містять в своєму складі вуглець до 2,14%, марганець (до 0,8%), кремній (до 0,35%), сірку (до 0,06%) і фосфор (до 0,07%). Перелічені елементи завжди присутні в сталі, і тому їх класифікують як постійні домішки. Марганець і кремній вводять в сталі з метою розкислювання, присутність сірки і фосфору пояснюється трудністю виведення їх при виплавці.

Кремній розчиняється у фериті і сильно зміцнює його, знижуючи при цьому пластичність і значно підвищуючи межу текучості. При цьому зменшується здатність сталі до витяжки і холодної висадки. Тому в сталях, призначених для холодного штампування, зміст кремнію повинен бути зниженим.

Марганець підвищує міцність фериту і зменшує червоноламкість сталі, яку викликає сірка. Із залізом сірка утворює сульфід FeS, який практично не розчиняється в залізі і утворює з ним евтектику (Fe + FeS) з температурою плавлення 988°С. При кристалізації ця евтектика розміщується навколо зерен у вигляді облямівок. Під час гарячої обробки при нагріві вище 1000°С евтектик плавиться, що призводить до порушення зв'язку між зернами і в металі при деформації виникають надриви і тріщини. Це явище називається червоноламкістю сталі. За наявності марганцю в сталі замість сульфіду заліза утворюється сульфід марганцю MnS з температурою плавлення 1620°С, завдяки чому усувається явище червоноламкості.

З'єднання сірки знижують механічні властивості, особливо ударну в'язкість і пластичність, різко знижують роботу розвитку в'язкої тріщини і в'язкість руйнування К_1С. Сульфіди погіршують зварюваємість і корозійну стійкість.

Фосфор в малих кількостях розчиняється в залізі, утворюючи твердий розчин. Розчиняючись у фериті, фосфор зменшує його пластичність і в'язкість і різко підвищує поріг холодноламкості сталі. Кожна 0,01% фосфору підвищує перехідну температуру холодноламкості на 20...25^оС. При підвищеному вмісті фосфор із залізом утворює фосфіди Fe₃Р і Fe₂P, які у складі евтектики розміщуються біля меж зерен і знижують міцність сталі.

Існують в сталях так звані приховані домішки, до яких відносять кисень (0,002...0,008%), азот (0,002...0,007%), водень (0,0001...0,0007%). Ці домішки можуть знаходитися в сталі у вигляді крихких неметалічних включень (FeO, Al₂O₃, Fe₄N) або твердого розчину, а також бути у вільному вигляді в дефектних ділянках металу (тріщинах, раковинах й ін.). При плавленні вони розчиняються в сталі, а потім виділяються при охолоджуванні, головним чином, біля меж зерен, що знижує опір крихкому руйнуванню. Крім того, неметалічні включення є концентраторами напруг. Наявність водню стає причиною виникнення в легованих сталях флокенів (мікропор в металі діаметром до 10…15  мм в центральній частині поковки).

Неметалічні включення є крихкими і під час плющення розбиваються, розташовуючись в сталі у вигляді ланцюжків. При цьому утворюються мікроскопічні концентратори напруг, що знижує характеристики утомленості і ударну в'язкість.

Деякі домішки потрапляють до сталі при виплавці з скрапу і називаються випадковими. До таких домішок відносяться хром, нікель, мідь за наявності до 0,3%. Вплив їх в такій кількості на властивості сталей незначний.

Найбільший вплив на властивості сталі має вуглець. На рис.  6 наведені криві залежності міцності і пластичності сталі від вмісту в ній вуглецю. Видно, що вуглець дуже різко підвищує властивості міцності при одночасному зниженні пластичності і в'язкості. Це пояснюється тим, що цементитні включення гальмують пересування дислокацій у фериті і, природно, при збільшенні кількості підвищується їх вплив.

При збільшенні кількості вуглецю перехідна температура холодноламкості сталі різко підвищується. Кожна 0,1% С підвищує на 20^оС температур переходу від в'язкого до крихкого руйнування.

Вуглець впливає також і на інші фізичні властивості сталі, зокрема, з підвищенням кількості вуглецю збільшується електроопір і коерцитивна сила, а магнітна проникність зменшується.

Вуглецеві сталі підрозділяються за способом виробництва залежно від використовуваних плавильних агрегатів на конверторну, мартенівську і електросталь. При цьому за способом розкислювання сталь може бути киплячою (розкислена тільки марганцем), напівспокійною (розкислена марганцем і кремнієм) і спокійною (розкислена марганцем, кремнієм і алюмінієм).

а

б

Рисунок 6  Залежність механічних властивостей сталі (а) і

фазового складу (б) від вмісту вуглецю

1.4.2.1 Класифікація і маркірування вуглецевих сталей

За структурою в рівноважному стані розрізняють доевтектоїдні, евтектоїдні і заевтектоїдні сталі. Доевтектоїдні сталі містять вуглецю від 0,025 до 0,8%, їх структура складається з фериту і перліту. Вміст вуглецю в евтектоїдної сталі складає 0,8% С при повністю перлітній структурі. У заевтектоїдних сталях разом з перлітною складовою утворюються цементитні включення, а зміст вуглецю може змінюватися від 0,8 до 2,14%.

Найбільш поширена класифікація вуглецевих сталей за якістю, яке визначається змістом сірки і фосфору. Відповідно до цієї ознаки сталі бувають звичайної якості, якісні і високоякісні.

Вуглецеві сталі звичайної якості (табл.  1) маркуються буквами Ст, що означає сталь. Після Ст слідує умовний номер марки від 0 до 6, який відображає хімічний склад сталі. Ступінь розкислювання сталі вказується буквами кп, пс, сп, які означають, відповідно, киплячу (розкислену марганцем), напівспокійну (розкислену марганцем і кремнієм), спокійну (розкислену марганцем, кремнієм і алюмінієм). Масова частка сірки в сталях всіх марок   0,050%, фосфору –  0,040%, в Ст0 сірі – 0,060%, фосфору –   0,070%.

Таблиця 1  Хімічний склад вуглецевих сталей звичайного якості

Марка сталі	С, %	Mn, %	Si, %
Ст0 Ст1кп Ст1сп Ст2кп Ст2сп Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст4кп Ст4сп Ст5пс Ст5сп Ст6пс Ст6сп	  0,23 0,06 - 0,12 0,06 - 0,12 0,09 - 0,15 0,09 - 0,15 0,14 - 0,22 0,14 - 0,22 0,14 - 0,22 0,18 - 0,27 0,18 - 0,27 0,28 - 0,37 0,28 - 0,37 0,38 - 0,49 0,38 - 0,49	- 0,25 - 0,5 0,25 - 0,5 0,25 - 0,5 0,25 - 0,5 0,3 - 0,6 0,4 - 0,65 0,4 - 0,65 0,4 - 0,7 0,4 - 0,7 0,5 - 0,8 0,5 - 0,8 0,5 - 0,8 0,5 - 0,8	- 0,05 0,15 - 0,3   0,05 0,15 - 0,3   0,05 0,05 - 0,17 0,15 - 0,3   0,05 0,15 - 0,3 0,05 - 0,15 0,15 - 0,35 0,05 - 0,15 0,15 - 0,30

Достатньо часто зустрічається ще маркування минулих років, відповідно до якої всі сталі звичайної якості підрозділяються на три групи.

Група А – маркіруються Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Група Б – маркується буквами М, К, Б (що указує на спосіб виробництва – мартенівський, конверторний, бесемерівський), а потім Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6.

Група В – маркується ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

Сталі групи А поставляються з гарантованими механічними властивостями. Вони не піддаються гарячій обробці. Чим більше номер, тим вище міцність, але нижча пластичність сталі.

Сталі групи Б поставляються з гарантованим хімічним складом і у споживача можуть піддаватися гарячій обробці (наприклад, куванню і термічній обробці).

Сталі групи В поставляються з гарантованими механічними властивостями і хімічним складом (застосовуються для зварних конструкцій).

Сталі всіх груп з номерами марок 1, 2, 3, 4 за ступенем розкислювання виготовляють киплячими, напівспокійними, спокійними, а сталі з номерами 5 і 6 – напівспокійними і спокійними.

Вуглецеві якісні сталі відрізняються від сталей звичайної якості меншим змістом сірки (не більш 0,04%) і фосфору (не більш 0,035%), а також меншою кількістю неметалічних включень. Хімічний склад цих сталей обмежується вужчим діапазоном. Якісні вуглецеві сталі маркіруються словом сталь і подальшим двозначним числом, яке показує середній вміст вуглецю в сталі в сотих частках відсотка, наприклад, 08, 10, 15 і т.д. (табл. 2).

При позначенні киплячої або напівспокійної сталі в кінці марки указується ступінь розкислювання буквами кп, пс. У разі спокійної сталі ступінь розкислювання не указується. До якісних вуглецевих сталей відносяться також сталі з підвищеним вмістом марганцю (0,7 … 1,0%). Такі сталі мають в кінці марки букву Г.

Якісні вуглецеві сталі підрозділяються на низько-, середньо- і високовуглецеві залежно від змісту вуглецю. До низьковуглецевих сталей високої пластичності і малої міцності відносяться сталі 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г..., 25Г, які використовуються для виготовлення малонавантажених деталей (кулачкових валів, осей, втулок). Термічна обробка (гартування з відпуском, цементація) значно підвищує міцність і в'язкість виробів з цих матеріалів, що дозволяє створювати легші конструкції і економити метал. Середньовуглецеві сталі (із змістом вуглецю 0,3...0,55%) залежно від необхідних механічних властивостей використовуються після нормалізації, гартування з високотемпературним відпуском, гартування з нагрівом ТВЧ і низькотемпературним відпуском. З цих сталей виготовляють вали, шестерні, шатуни, шпинделі тощо.

Високовуглецеві сталі містять вуглецю від 0,6 до 0,85% і характеризуються високими міцними і пружними властивостями, підвищеною зносостійкістю. Після гартування і відпуску або гартування з нагрівом ТВЧ деталі з цих сталей можуть працювати в умовах тертя за наявності високих статичних і вібраційних навантажень. З цих сталей виготовляють канатний дріт, а також пружинний дріт після патентування.

Таблиця 2  Склад і механічні властивості якісних вуглецевих сталей

Марка сталі	З, %	Mn,%	Si, %	Cr, %	0,2, МПа	в, МПа	δ,%	, %	KCU, Дж/см2
08	0,05-0,12	0,35-0,65	0,17-0,37	0,10	196	320	33	60	-
10	0,07-0,14	0,35-0,65	0,17-0,37	0,15	205	330	31	55	-
15	0,12-0,19	0,35-0,65	0,17-0,37	0,25	225	370	27	55	-
20	0,17-0,24	0,35-0,65	0,17-0,37	0,25	245	410	25	55	-
25	0,22-0,30	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25	275	450	23	50	88
30	0,27-0,35	0,50-0,80	0,17-0,37	0,5	295	490	21	50	78
35	0,32-0,40	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25	315	530	20	45	69
40	0,37-0,45	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25	335	570	19	45	59
45	0,42-0,50	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25	355	600	16	40	49
50	0,47-0,55	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25	375	630	14	40	38
55	0,52-0,60	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25	380	650	13	35	-
60	0,57-0,65	0,50-0,80	0,17-0,37	0,25	400	680	12	35	-

Вуглецеві сталі, які містять 0,7...1,3%С, використовуються для виготовлення ударного і різального інструменту. Їх маркують У7...У13, де У позначає вуглецеву сталь, а цифра – зміст вуглецю в десятих частках відсотка.

Для виробів відповідального призначення застосовують високоякісні сталі з нижчим змістом сірки (до 0,025%) і фосфору (до 0,025%). При позначенні високоякісних сталей в кінці марки додається буква А.

До позитивних якостей вуглецевих сталей відноситься їх достатньо високий комплекс механічних властивостей, який забезпечується проведенням термічної обробки. Вуглецеві сталі мають хороші технологічні властивості. Вони недефіцитні і дешеві.

Основним недоліком вуглецевих сталей є їх низька загартованість (до 15 мм).