Сталь это сплав железа с углеродом где

Сталь (сплав железа с углеродом)

Историческая справка. С. как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения С. в тестообразном состоянии ‒ сыродутный процесс , в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой С. древние мастера применяли тигельную плавку ‒ расплавление мелких кусков С. и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная С. характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность ‒ дамасскую сталь . Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел , заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в т. н. кричном горне (двухстадийный процесс с получением чугуна и последующим переделом его в С. является основой и современных схем производства С.). В конце 18 в. начало применяться пудлингование , при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом ‒ тестообразный металл ( крица ) качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Пудлингование сыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества в С. не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса (см. Мартеновское производство ), а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой С. В конце 19 в. начала применяться выплавка С. в электрических печах (см. Электросталеплавильное производство ). До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства С. занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире С. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс , причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства С. развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка (см. Дуговая вакуумная печь ), вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав , электроннолучевая плавка , плазменная плавка (см. Плазменная металлургия ).

Структура и свойства стали. К С. как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок С., отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент С. ‒ железо. Свойственный железу полиморфизм , т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и С. Для чистого железа известны 2 кристаллические решётки ‒ кубическая объёмноцентрированная (a-железо, при более высоких температурах d-железо) и кубическая гранецентрированная (g-железо). Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и др. компоненты и примеси С. меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. твёрдых растворов . Растворимость углерода в a-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом . В g-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в С. (предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом . Содержание углерода в С. всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение ‒ карбид железа Fe 3 C, или цементит . Т. о., при комнатной температуре структура С. состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом . Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (феррита, цементита, перлита и аустенита) даёт диаграмма состояния сплавов Fe ‒ С (см. Железоуглеродистые сплавы ).

Для феррита характерны относительно низкие прочность и твёрдость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма твёрд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твёрдости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре С. определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств С. Так, С., содержащая

0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; С. этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. С., в которой содержится

0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая С. служит, например, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если С. содержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта С. в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств С. расширяется с помощью легирования , а также термической обработки , химико-термической обработки , термомеханической обработки металла. Так, при закалке С. образуется метастабильная фаза мартенсит ‒ пересыщенный твёрдый раствор углерода в a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском , можно придать С. требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Классификация сталей. В современной металлургии С. выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) С. называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; С. при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская С.).

По химическому составу С. делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с Fe и С содержит Mn (0,1‒1,0%) и Si (до 0,4%), а также вредные примеси ‒ S и Р; эти элементы попадают в С. в связи с технологией её изготовления (главным образом из шихтовых материалов). В зависимости от содержания С различают низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25‒0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С) С. В состав легированных сталей , помимо указанных компонентов, входят т. н. легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Со и др.), которые намеренно вводят в С. для улучшения её технологических и эксплуатационных характеристик или для придания ей особых свойств; легирующими элементами могут служить также Mn (при содержании более 1%) и Si (более 0,8%). По степени легирования (т. с. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2,5%), среднелегированные (2,5‒10%) и высоколегированные (более 10%) С. Легированные С. часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению С. делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и С. с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные С. могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы ‒ Cr и Ni). Название конструкционной С. может отражать её непосредственное назначение (котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная, орудийная, снарядная, броневая и т.д.). Инструментальные стали служат для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и др. режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. С. этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8‒1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных С. широкое распространение получила быстрорежущая сталь . К С. с особыми физическим и химическим свойствами относятся электротехнические стали , нержавеющие стали , кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, С. для постоянных магнитов и др. Для многих С. этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По качеству С. обычно подразделяют на обыкновенные (рядовые), качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений . Так, в некоторых С. обыкновенного качества допускается содержание S до 0,055‒0,06% и Р до 0,05‒0,07% (исключение составляет автоматная сталь , содержащая до 0,3% S и до 0,16% Р), в качественных ‒ не более 0,035% каждого из этих элементов, в высококачественных ‒ не более 0,025%, в особо высококачественных ‒ менее 0,015% S. Сера снижает механические свойства С., является причиной красноломкости , т. е. хрупкости в горячем состоянии, фосфор усиливает хладноломкость ‒ хрупкость при пониженных температурах.

По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую С. Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из С. кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной С. в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода ‒ С. как бы «кипит». Полуспокойная С. занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей С. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки С. определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей. Единой мировой системы маркировки С. не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок С., что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой С. обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые С. маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д. Спокойную С. иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную ‒ пс, кипящую ‒ кп (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке С. указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г). Автоматные С. маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные С. ‒ буквой У (У8, У10, У12 и т.д. ‒ здесь цифры означают содержание С. в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной С. состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначения химического состава С.: алюминий ‒ Ю, бор ‒ Р, ванадий ‒ Ф, вольфрам ‒ В, кобальт ‒ К, кремний ‒ С, марганец ‒ Г, медь ‒ Д, молибден ‒ М, никель ‒ Н, ниобий ‒ Б, титан ‒ Т, углерод ‒ У, фосфор ‒ П, хром ‒ Х, цирконий ‒ Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (в сотых долях процента для конструкционных С. и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих С.); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,‒ его среднее содержание. Например, С. марки 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Cr, С. марки 2X17H2 ‒ 0,2% С, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, С. марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что С. является высококачественной, буква Ш ‒ особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных С. включает букву, указывающую на назначение С. (например, ШХ9 ‒ шарикоподшипниковая С. с 0,9‒1,2% Cr; Э3 ‒ электротехническая С. с 3% Si). С., проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод «Электросталь»), ДИ (завод «Днепроспецсталь») или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268). См. также Металлургия , Сталеплавильное производство .

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1‒2, М., 1964; Меськин В. C., Основы легирования стали, 2 изд., М., 1964; Гудремон Э., Специальные стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1‒2, М., 1966; Дреге В., Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., М., 1967; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975.

Сталь в искусстве. В средние века славились арабское оружие и доспехи из С. с плоскими узорами и надписями, выполненными гравированием или насечкой . Эти приёмы декорировки оружейники средневековой Европы дополнили чеканкой , наводкой и полировкой. С 16 в. в отделке часов, научных приборов и инструментов появляется устойчивая к коррозии зеркальная полировка, использование которой послужило стимулом для выпуска бытовых изделий из С. В 18 ‒ начале 19 вв. эстетические свойства С. наиболее ярко раскрылись в изделиях мастеров Тульского оружейного завода (мебель, зеркала, самовары, каминные экраны и т.п.). Как вид народного творчества известна с середины 19 в. златоустовская гравюра на С. В советском искусстве С. нашла применение в облицовке интерьеров, а также в скульптуре (В. И. Мухина, «Рабочий и колхозница», см. илл. ).

Лит.: Тульские «златокузнецы». [Альбом], Л., 1974.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода от 2,14% до 6,67%.

Максимальное содержание углерода в железоуглеродистых сплавах составляет 6,67%.

В структуре сталей могут образовываться следующие составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации. Может присутствовать в структуре сталей только при высоких температурах (выше 727 о С). Максимальная растворимость углерода в γ-Fe, следовательно максимальное содержание углерода в аустените 2,14% при 1147 оС . Аустенит имеет невысокую прочность и твердость и достаточно пластичен. Является однородной однофазной структурой. Обозначается буквой А.Формула аустенита Fe_γ (С).

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. Образуется из аустенита при вторичной кристаллизации. Растворимость углерода в α-Fe при комнатной температуре равна 0,006%. Максимальная растворимость углерода в феррите, следовательно максимальное содержание углерода в феррите 0,02% при 727 о С. Феррит является самой мягкой структурной составляющей. Имеет незначительную прочность и твердость, но высокую пластичность. В структуре проявляется в виде зерен правильной округлой формы. Является однородной однофазной структурой. Может присутствовать в структуре при комнатной температуре. Обозначается буквой Ф.Формула феррита Fe_α (С).

Цементит – химическое соединение железа и углерода. Формула цементита Fe₃C.В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1240 -1250 оС . Цементит имеет очень высокую твердость, но обладает при этом высокой хрупкостью и практически нулевой пластичностью. Цементит является самой твердойструктурной составляющей. Имеет пластинчатое строение. Является однофазной структурой. В сталях может образовываться только цементит вторичный. Обозначается буквой Ц _II.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита вторичного. Образуется из аустенита при температуре 727 о С. Называется эвтектоидом (аналогично эвтектике, но образуется из твердой фазы). Перлит содержит 0,8% углерода. Является двухфазной структурой. Имеет пластинчатое строение (чередование пластин феррита и цементита), либо зернистое строение (после термической обработки). Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727 о С, вплоть до комнатной. Является основной структурной составляющей сталей. Есть в структуре всех сталей независимо от содержания углерода. Обозначается буквой П.Формула перлита

В структуре чугунов могут образовываться следующие структурные составляющие: аустенит (также как и в сталях образуется из жидкости при первичной кристаллизации), перлит (также как и в сталях образуется из аустенита при 727 о С и может присутствовать при комнатной температуре), цементит первичный ( то же, что и в сталях, но образуется из жидкости при первичной кристаллизации, обозначается Ц _I), ледебурит.

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита первичного. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации при температуре 1147 оС. Содержит 4,3% углерода. Является эвтектикой. Может присутствовать в структуре при температурах выше 727оС. Является двухфазной структурой. Обозначается буквой Л.

Ледебурит превращенный – механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита первичного в результате превращения аустенита в перлит (в составе ледебурита) при температуре 727оС. Содержит также 4,3% углерода, является также эвтектикой и двухфазной структурой. Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727оС. Обозначается буквой Лпр.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

Диаграмма состояния железо – цементит приведена на рис.7.2. Линия ABCD – линия ликвидус, линия АН JECF – солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536ºС), точка D – температуре плавления цементита (1250°С). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа (1392°С и 911°С ).

Рис.7.2. Диаграмма состояния железо-углерод.

В системе Fe-Fe₃C при различных температурах происходят эвтектическое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при 1147ºС происходит эвтектическое превращение: (А + Ц_I). Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита первичного, содержащая 4,3 % углерода.

По линии PSK при 727°С происходит эвтектоидное превращение:

(Ф + Ц ), в результате которого из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом. Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % С. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленом шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название – перлит.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода менее 2,14% (в сталях) образуется однофазная структура – аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% (в чугунах) при первичной кристаллизации образуются аустенит (по линии АВС), цементит первичный (по линии СD) и ледебурит первичный, эвтектика (по линии ECF).

Вторичная кристаллизация (превращения в твердом состоянии) происходит по линиям GSE и PSK. Образование феррита из аустенита по линии GS происходит вследствие полиморфного превращения γ в α. Образование цементита вторичного из аустенита по линии SE происходит вследствие изменения растворимости углерода в аустените. При понижении температуры по линии ES растворимость углерода уменьшается и происходит выделение цементита.

По линии PQ уменьшается растворимость углерода в феррите с понижением температуры. От максимального значения в точке P (0,02%) до точки Q (0,006%) при комнатной температуре. Избыточный углерод в очень малых количествах выделяется из феррита в виде цементита третичного. Такую структуру имеет технически чистое железо.

В точке S при содержании углерода 0,8% и температуре 727°С весь аустенит превращается в механическую смесь феррита и цементита вторичного (перлит). Такое превращение происходит по всей линии PSK, поэтому ее называют линией перлитного превращения.

Анализируя линии и точки диаграммы состояния железо – углерод можно определить структурные составляющие сталей и чугунов при любом содержании в них углерода и при определенной температуре.

Таким образом, диаграмма состояния железо – углерод имеет большое практическое значение. Ее применяют для назначения режимов термической обработки сталей определенного состава, для назначения режимов горячей механической обработки, для прогнозирования свойств стали по ее структуре в соответствии с диаграммой состояния.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С и малое количество других элементов (примеси), называются углеродистыми сталями.

Углеродистые стали выплавляются в электропечах, мартеновских печах и кислородных конвертерах. Считается, что наиболее высокими свойствами обладают стали более чистые по содержанию вредных примесей серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Такие стали используются для изготовления наиболее ответственных деталей.

Влияние углерода и примесей на свойства стали

Углерод оказывает значительное влияние на свойства стали. Даже при малом изменении содержания углерода в стали, изменяются механические свойства. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышениюпрочности, твердости и понижению пластичности. Кроме того, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода приведена на рис.8.1.

Рис. 8.1. Влияние углерода на свойства стали.

С увеличением содержания углерода в структуре стали возрастает количество цементита. При содержании в стали углерода до 0,8% структура состоит из феррита и перлита, однако при увеличении содержания углерода в этих сталях соотношение феррита и перлита изменяется: ферритная составляющая уменьшается, количество перлита – возрастает. Так как в состав перлита входит цементит, то его количество также возрастает, что приводит к увеличению прочности и понижению пластичности. При содержании углерода более 0,8% в структуре сталей кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит.

Как известно, феррит имеет низкую прочность, но сравнительно высокую пластичность. Цементит обладает высокой твердостью, но является хрупким.

Таким образом, изменение структуры стали при увеличении содержания углерода приводит к увеличению твердости, прочности и снижению вязкости и пластичности. Заметный рост прочности происходит при содержании углерода до 1,0%. При большем содержании углерода твердость продолжает расти, но прочность даже снижается за счет охрупчивания вследствие образования сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен. Для устранения хрупкости сталей с высоким содержанием углерода используют специальную термическую обработку.

Также углерод оказывает влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость. Считается оптимальным для возможности сварки содержание углерода до 0,22 – 0,25%. Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к ухудшению деформации (механической обработки) в горячем и холодном состоянии.

Обрабатываемость резанием считается наиболее хорошей у стали с содержанием углерода 0,3 – 0,4%. Стали с меньшим содержанием углерода являются слишком вязкими. Кроме того, они дают плохую поверхность обработки и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что затрудняет их обрабатываемость.

В химическом составе стали всегда присутствуют постоянные примеси, к которым относятся: кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

Обычно содержание примесей в процессе выплавки стали ограничивают. Особенно это относится к содержанию вредных примесей, таких как сера и фосфор. Так, количество этих элементов по верхнему пределу для неответственных сталей ограничивается не более 0,05%; для ответственных и специальных сталей – в тысячных долях %.

Сера снижает пластичность и вязкость сталей, а также приводит к явлению красноломкости в процессе горячей механической обработки. Фосфор, попадая в сталь, способен растворяться в феррите, при этом уменьшает его пластичность и способствует охрупчиванию стали.

Кислород, азот, водород находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо могут образовывать химические соединения. Кислород и азот загрязняют сталь хрупкими, неметаллическими включениями, уменьшают вязкость и пластичность стали. Водород, находясь в твердом растворе, также сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода приводит к образованию трещин – флокенов
( «водородное охрупчивание»).

Марганец и кремний считаются полезными примесями. Их вводят в сталь специально в процессе выплавки для раскисления стали и связывания кислорода. Кроме того, марганец и кремний способны упрочнять составляющую феррита. Обычно в углеродистой стали присутствует до 0,8% марганца и до 0,4 – 0,5% кремния.

Классификация углеродистых сталей

Классификация углеродистых сталей проводится по различным признакам: по структуре и содержанию углерода (в соответствии с диаграммой железо-углерод); способу раскисления; по назначению; по качеству.

1. Доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С со

структурой Ф и П;

2. Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8% С, со структурой

3. Заэвтетоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, со

структурой П и Ц _II.

По способу раскисления различают:

1. Кипящие стали (полностью не раскисленные);

2. Полуспокойные стали (частично раскисленные);

3. Спокойные стали (раскисленные).

По назначению различают:

1. Конструкционные стали;

2. Инструментальные стали.

Углеродистые инструментальные стали, содержащие 0,7 – 1,3%С со структурой перлита и цементитной сетки, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Эти стали используются после термической обработки. Их обозначают буквой «У» и цифрой, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента.

Например: У7; У8; У10; У12.

Углеродистые конструкционные стали дополнительно принято различать по качеству:

– стали обыкновенного качества;

Конструкционные стали обыкновенного качества содержат не более 0,05% серы и фосфора, в сталях качественных содержание этих элементов ограничено до 0,04% серы и 0,03% фосфора. Также в них ограничено содержание неметаллических включений и газов.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. Буквы «Ст» обозначают сталь, цифры – условный номер стали в зависимости от содержания углерода и примесей. В конце обозначения стоят буквы «кп» – кипящая сталь; «пс» – полуспокойная сталь; «сп» – спокойная сталь.

Например: Ст1кп; Ст3пс; Ст3сп; Ст5сп; Ст6пс.

Конструкционные стали качественные поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Качественные углеродистые стали обозначаются двузначными числами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Например: 10; 15; 35; 40; 50; 65.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на:

1. Низкоуглеродистые – до 0,25% С (обычно используются для неответственных деталей, для сварных конструкций ).

2. Среднеуглеродистые – 0,3 – 0,5% С (конструкционные стали, работающие под воздействием внешних нагрузок, используются после т/о).

3. Высокоуглеродистые – до 0,65% С (пружинные стали, используются после т/о).

Сталь – это самый распространенный сплав в промышленности

Долговечность и надежность механизмов зависят от материала, из которого они были изготовлены, то есть от совокупности всех его свойств и особенностей, которые и определяют эксплуатационные характеристики. На сегодняшний день большинство узлов и деталей машин производят из различных марок сталей. Рассмотрим этот материал более подробно.

Что такое сталь

Сталь – это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.

Но сталь – это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу – повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.

Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.

Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.

Получение стали. Металловедение

Сталь – это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.

Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.

Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.

Классификация сталей по качеству

Все стали по качеству подразделяют на:

– сталь обыкновенного качества;

– сталь повышенного качества;

Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества – для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные – в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.

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:

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

Сталь с содержанием углерода до 0,7% применяется для изготовления:

таврового и уголкового железа,

различного фасонного профиля,

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

Сталь с содержанием углерода свыше 0,7% применяется для изготовления различного режущего инструмента:

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.