§ 26. Углеродистые стали

Основным легирующим компонентом в этих сталях является углерод; содержание его от 0,01 до 2,1%. Кроме того, в углеродистых сталях имеется марганец (0,1 - 1,5%), кремний (0,05 - 0,5%), сера и фосфор (от нескольких тысячных до десятых долей процента), а также кислород, азот и водород (не более 0,01% в сумме). Сплавы, в которых углерода менее 0,1 % называют также техническим железом.

Углерод весьма сильно сказывается на механических свойствах рассматриваемой группы сталей. Если сравнивать свойства металла после горячего деформирования в аустенитной области и охлаждения на воздухе, то при 0,1% С предел прочности составляет 200 - 300 МПа, а при 0,8% С 800 - 900 МПа. Это изменение прочности объясняется тем, что с ростом содержания углерода в структуре сплавов непрерывно увеличивается количество эвтектоидной составляющей - перлита. При 0,8% С сталь приобретает полностью эвтектоидное строение и наибольшую прочность. Одновременно с ростом прочности отмечается увеличение твердости НВ (50 - 270) и падение относительного удлинения от 40 до 10%. Дальнейшее увеличение содержания углерода (до 1,5%) связано с появлением в структуре сплавов вторичного цементита в виде прослоек по границам бывших зерен аустенита. Твердые, но хрупкие выделения цементита, появляющиеся во все возрастающем количестве, продолжают повышать твердость стали, которая возрастает до НВ (300 - 350). Относительное удлинение падает до 1 - 2%, а прочность снижается до 500 МПа.

Марганец в углеродистых сталях входит в твердый γ-или α-раствор, несколько упрочняя его. Однако главная роль марганца в углеродистых сталях заключается в раскислении металла и обезвреживании серы. Марганец вводят в жидкую сталь для связывания растворенного в металле кислорода. Образующаяся закись марганца переходит в шлак. Чтобы обеспечить наиболее полное удаление кислорода, марганец добавляют с избытком, так что в стали всегда остается 0,2 - 0,3% этого металла. Действие марганца при обезвреживании серы будет рассмотрено ниже. Марганец способен образовывать собственные карбиды, но в углеродистых сталях, где его немного, он лишь частично входит в состав цементита, замещая в нем железо.

Кремний в углеродистых сталях в основном выполняет роль раскислителя, и его так же, как и марганец, добавляют в сталь в избыточном количестве, чтобы достичь наиболее полного удаления кислорода из расплава.

Сера - одна из наиболее вредных примесей в сталях, так как уже сотые доли процента этой примеси вызывают появление в структуре эвтектики железо - сульфид железа, плавящейся при 988°С. Легкоплавкие сульфидные включения, имеющие вид прослоек между зернами, резко затрудняют горячую пластическую обработку и вызывают разрушение стали. Добавляемый в сталь марганец в значительной мере переходит в сульфидные включения, которые делаются более тугоплавкими, и, кроме того, меняют свою форму. Вместо протяженных тонких прослоек между зернами и ветвями дендритов сульфидные включения становятся округлыми и изолированными одна от другой частицами. Это происходит из-за того, что в тройной системе железо - сера - марганец имеется область, где в ходе кристаллизации происходит монотектическая реакция, и из металлического расплава выделяются несмешивающиеся с ним капли сульфидного расплава. Таким образом, в присутствии марганца в твердой стали сера оказывается связанной в сравнительно тугоплавкие и изолированные включения. В таком виде сера не столь губительно влияет на пластические свойства стали и в меньшей степени осложняет горячую пластическую обработку. В ходе горячего деформирования сульфидные включения вытягиваются вдоль направления течения металла. Сера попадает в сталь из руды и из кокса при выплавке чугуна. Содержание ее в углеродистых сталях в среднем не превышает 0,05%.

Фосфор образует с железом соединение Fe₃P. В системе железо - фосфид железа имеется эвтектика с точкой плавления 1050°С . Растворимость фосфора в кристаллах железа при этой температуре равна 3%. Однако из-за неравновесной кристаллизации и в присутствии углерода и кремния эвтектика появляется уже при 0,5% Р. Главная опасность от присутствия фосфора состоит в том, что он резко охрупчивает сталь. Поэтому в углеродистых сталях содержание фосфора ограничивается в среднем 0,05%.

Кислород в углеродистых сталях является вредной примесью, вызывающей хрупкость при 250°С и при минусовых температурах. Содержание кислорода обычно составляет 0,02 - 0,04%. При плавке углеродистые стали поглощают до нескольких десятых долей процента кислорода. Перед разливкой сталь раскисляют, вводя в нее марганец, кремний и алюминий, которые переводят кислород в нерастворимые окиси и затем в шлак. Некоторые сорта стали разливают нераскисленными ("кипящая" сталь). При остывании и кристаллизации нераскисленных сталей в них выделяются окись углерода, образуя пузыри и вызывая "кипение". Таким образом, в "кипящей" стали кислород находится как в твердом растворе, так и в виде окиси углерода, заполняющей пузыри. В нормально раскисленной стали содержание кислорода в растворе значительно меньше. Он главным образом присутствует в виде так называемых неметаллических включений (см. ниже).

Водород в углеродистых сталях содержится в количестве нескольких десятитысячных процента и весь входит в раствор, не образуя самостоятельных фаз. При повышенном содержании водород усугубляет брак по флокенам - трещинам, появляющимся при горячем деформировании металла. Водород попадает в сталь при плавке в результате взаимодействия расплава с парами воды.

Азот при повышенных температурах входит в твердый раствор на основе феррита до десятой доли процента. Понижение температуры резко снижает растворимость азота (до 0,001% при 100°С), и в структуре появляются частицы нитрида железа Fe₄N, заметно снижающие пластичность металла при комнатных и особенно при отрицательных температурах. Обычно в углеродистых сталях содержится 0,002 - 0,008% N.

Углеродистые стали, загрязненные перечисленными элементами, содержат неметаллические включения в виде округлых или угловатых частиц размером от 1 - 2 мкм до 0,5 мм, вкрапленные в металлическую матрицу. Эти включения появляются в жидкой стали в результате раскисления, обессеривания и просто из-за захвата капель шлака или частиц огнеупоров. Неметаллические включения большей частью состоят из окиси кремния (до 50%) или окиси алюминия (до 60%) со значительной долей закиси железа (15 - 40%). Нередко неметаллические включения имеют сложное строение, и в их состав наряду с окислами входят и сульфиды. Количество неметаллических включений часто может доходить до 0,1% (по массе).

Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конверторным способами. Наиболее качественные сорта углеродистых сталей получают в дуговых электропечах.

Как уже отмечалось, при плавке сталь насыщается кислородом. Если разливают нераскисленный металл, получают кипящую сталь, что отражается в ее марке буквами кп. Частично раскисленная сталь называется "полуспокойной" и обозначается пс. Полностью раскисленная сталь носит название "спокойной" и обозначается сп. Механические свойства кипящей, полукипящей и спокойной стали при одинаковом содержании углерода практически совпадают. Однако кипящие стали содержат меньше кремния, поскольку не подвергались раскислению. По этой же причине они менее загрязнены неметаллическими включениями - продуктами раскисления. Все это обусловливает большую пластичность кипящих сталей, особенно при листовой штамповке. Газовые пузыри в слитке кипящей стали, образованные окисью углерода, практически нацело завариваются в ходе горячей обработки давлением и поэтому не сказываются на свойствах деформированного металла.

Основной недостаток кипящей стали - хладноломкость, т. е. резкое падение пластических свойств при ударных нагрузках в условиях пониженных температур. Хладноломкость кипящих сталей начинает проявляться уже с -10°С. Причина хладноломкости заключается в распаде раствора кислорода в железе и выделении частиц закиси железа. Хладноломкость спокойных сталей проявляется ниже -40°С, но они менее пластичны при комнатной температуре и сильнее загрязнены неметаллическими включениями, В неметаллических включениях в спокойных сталях содержится много окиси алюминия, образующейся в ходе окончательного раскисления расплава алюминием.

Углеродистые стали как кипящие, так и спокойные, делятся на стали обыкновенного качества, качественные конструкционные и высококачественные. Различие между этими группами сталей заключается в содержании вредных примесей серы и фосфора. В стали обыкновенного качества этих примесей допускается по 0,05% каждой, в качественной - не более 0,035%, в высококачественной - менее 0,025%. Сталь обыкновенного качества составляет до 80% всего объема производства. Эта сталь имеет 7 марок (Ст0 - Ст6), отличающихся содержанием углерода, которое возрастает от 0,06 до 0,50%. Цифры в марках стали не отражают содержание углерода и являются просто порядковыми номерами. Каждая марка может соответствовать кипящей, полуспокойной и спокойной стали.

Стали обыкновенного качества подразделяются еще на три группы - А, Б, В. Стали группы А поставляются потребителям по механическим свойствам без указания состава. Эти стали имеют σ_в от 300 до 500 МПа и δ - от 30 до 12%. Чем больше цифра в марке, тем выше прочность и ниже пластические свойства стали. Стали группы А применяются в состоянии поставки без термической обработки. Пример обозначения стали этой группы - Ст3пс, Ст6пс, Ст1пс. Стали группы Б поставляют не по механическим свойствам, а по химическому составу. Эти стали предназначены для термической обработки, с помощью которой сам потребитель добивается нужного уровня свойств. Примеры обозначения - БСт1кп, БСтЗкп, БСтЗсп, БСт6пс. Стали группы В поставляются и по химическому составу, и по механическим свойствам. Обозначаются так же, как стали группы Б, но в марке ставится соответственно В. Во всех сталях обыкновенного качества содержание марганца в зависимости от марки колеблется от 0,25 до 0,80%, содержание кремния-от 0,05 до 0,35%.

Качественные углеродистые стали, как отмечалось, содержат не более 0,035% S и Р порознь. Содержание углерода составляет 0,08 - 0,85%. В некоторых сортах качественных углеродистых сталей намеренно предусмотрено повышенное содержание марганца (0,8 - 1,2%). Качественные стали обозначаются марками, в которых первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, затем указывается степень раскисленности (кп, пс, сп). Повышенное содержание марганца отражается в марке большой буквой Г. Примеры обозначения качественной углеродистой стали: 08 кп - сталь кипящая с 0,08% С, 30 сп - сталь спокойная с 0,30% С, 70 Г - сталь с 0,70% С и 1% Мn (при 1% Мп сталь может быть только спокойной). Качественные стали поставляются по химическому составу и механическим свойствам. Эти стали при малом содержании углерода (до 0,30%) термически не обрабатываются и используются в состоянии поставки. При больших содержаниях углерода они могут быть подвергнуты закалке и отпуску. Качественные углеродистые стали, содержащие 0,7 - 1,3% С, называют инструментальными, так как из них изготавливают мерительный и режущий инструмент. Эти стали обозначаются У8 - У13. Большая буква в марке означает углерод, а цифра - его содержание в десятых долях процента.

Высококачественные углеродистые стали отличаются пониженным содержанием вредных примесей. В марках это отражается большой буквой А, стоящей в самом конце. Например, марка У10А означает инструментальную углеродистую сталь в 1% углерода высокого качества (серы и фосфора не более 0,025% каждого).

Основную массу углеродистой стали выпускают в виде полуфабрикатов, полученных горячей пластической обработкой. Холоднодеформированные полуфабрикаты (листы, проволока, прутки) имеют, естественно, более высокие прочностные свойства. Так, холодная деформация может вызвать рост предела прочности стали, содержащей 0,2% С, от 400 до 1500 МПа, а стали с 0,8% С - от 1000 до 2000 МПа.

По назначению углеродистые стали делятся на строительные, котельные, машиностроительные, пружинные, инструментальные. Строительные и котельные стали содержат не более 0,25% С, так как они должны хорошо свариваться, а углерод ухудшает свариваемость - шов получается хрупким. В машиностроении широко используют среднеуглеродистые стали (стали 30, 35, 40, 45), которым придают нужное сочетание прочности и пластичности с помощью термической обработки. Малоуглеродистые стали используют в машиностроении для деталей, подвергаемых химико-термической обработке - цементации, которая обеспечивает высокую твердость поверхностному слою при сохранении высоковязкой сердцевины. Рельсы изготавливают из углеродистой стали с 0,5 - 0,7% С. Для изготовления пружин и рессор используют сталь с таким же содержанием углерода, но с обязательной термической обработкой. Проволоку разного назначения изготавливают из стали с 0,1 - 0,9% С, инструмент - из стали с 0,6 - 0,8% С. Инструмент, не испытывающий при работе ударов, изготавливают из сталей с большим содержанием углерода (0,8 - 1,4%). Термическая обработка здесь обязательна.

Особую группу углеродистых сталей составляют так называемые автоматные стали, в которых намеренно сохранено или введено повышенное количество серы и фосфора. В этих сталях предусмотрено повышенное содержание марганца (не менее 0,6%) чтобы сделать возможной горячую обработку давлением. Хрупкие сернистые включения резко облегчают обработку резанием, позволяют получать сыпучую стружку и чистую без заусенцев поверхность. Это свойство очень ценно при массовой обработке деталей на автоматических линиях. Автоматные стали содержат 0,1 - 0,3% S; 0,1 - 0,5% Р и от 0,08 до 0,45% С. Марки автоматных сталей начинаются с большой буквы А, затем следует цифра, указывающая содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание марганца составляет около 1%, то в конце марки ставят большую букву Г. Например, маркой А20 обозначают автоматную сталь с 0,15 - 0,25% С. В этой стали имеется 0,1% S и около 0,06% Р; маркой А40Г обозначают автоматную сталь с 0,35 - 0,45% С и 1,2 - 1,5% Мn. Эта сталь содержит 0,25% S и около 0,1% Р.

Горячее деформирование углеродистых сталей производится при температурах, соответствующих аустенитной области и на 100 - 150°С ниже солидуса. Практически это означает, что при содержании 0,1% С в стали горячую обработку ведут при 1200 - 1300°С. С ростом содержания углерода температуру горячей обработки снижают. Стали с 1,5% С и более богатые углеродом обрабатывают при 1000°С . Отжиги углеродистой стали после холодной обработки производят ниже эвтектоидной температуры (при 650 - 700°С).

Углеродистые стали используют и для получения фасонных отливок. Содержание углерода в сталях для фасонного литья составляет от 0,15 до 0,55%. Во всех литейных сталях содержится кремний (0,2 - 0,4%) и марганец (0,3 - 0,9%). Примесь серы допускается до 0,06 - 0,08%, фосфора - до 0,08%. При получении фасонных отливок вред этих примесей выражается в том, что они вызывают образование горячих трещин (см. § 18). Кроме того, сера и фосфор очень сильно ликвируют при кристаллизации металла, и поэтому отдельные участки отливок могут заметно обогащаться этими вредными примесями. Стали при указанном содержании углерода обладают сравнительно небольшим интервалом кристаллизации и поэтому в фасонных отливках из них усадка проявляется в виде сосредоточенных раковин| Углеродистые стали для фасонного литья обозначают марками, в которых цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, а большая буква Л указывает, что это литейный сплав (например, сталь 25Л). Отливки из углеродистых сталей обладают грубой микроструктурой (так называемой видманштеттовой структурой) с крупными и ориентированными в одном направлении выделениями феррита. Это происходит из-за длительного пребывания стали в аустенитной области, где сильно вырастает зерно, и замедленного охлаждения в ходе превращений Аr₃ и Аr₁. Кроме того, в литой стали сильно развита дендритная неоднородность как следствие неравновесной кристаллизации. Грубая микроструктура и дендритная неоднородность обусловливают низкие механические свойства, главным образом низкую ударную вязкость. Поэтому фасонные отливки из углеродистых сталей всегда подвергают термической обработке: гомогенизации (нагреву и выдержке вблизи солидуса) и фазовой перекристаллизации (нагреву выше превращений Аr₃ и ускоренному охлаждению). Термическая обработка стали более подробно изложена в § 27.

Особую группу литейных углеродистых сталей представляют так называемые графитизированные стали, содержащие 1,3 - 1,7% С, 0,7 - 1,25% Si, 0,20 - 0,50% Мn. В литом состоянии эта сталь очень хрупка и тверда, так как имеет в структуре много цементита в составе ледебуритной эвтектики. После литья фасонные отливки из этой стали вначале отжигают при 820 - 840°С для разложения вторичного цементита, входящего в ледебурит, на аустенит и графит. Затем отжиг ведут при 700 - 720°С для частичного разложения цементита в перлите, который появился из-за распада аустенита. По окончании таких графитизирующих отжигов, длящихся 15 - 20 ч, сталь приобретает структуру зернистого перлита с включениями свободного графита. В графитизированной стали удачно сочетаются прочностные и пластические свойства (σ_в = 850 МПа и δ = 6%), обеспечивающие надежную работу при ударных нагрузках. Кроме того, она неплохо работает как антифрикционный материал. Из графитизированной стали отливают коленчатые валы, траки, вкладыши крупных подшипников.