Каково содержание углерода в стали

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8 % С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8 % С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8 %, то структура стали состоит из феррита и перлита.

Как влияют на свойства стали изменения содержания углерода и соответственно структуры?

Каково содержание углерода в стали

Рис. 147. Влияние углерода на механические свойства стали

Каково содержание углерода в стали

Рис. 148. Влияние углерода на хладноломкость железа

Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности (рис. 147). Приводимые механические свойства относятся к горячекатаным изделиям без термической обработки, т. е. при структуре перлит + феррит (или перлит + цементит). Цифры являются средними и могут колебаться в пределах 10 % в зависимости от содержания примесей, условий охлаждения после прокатки и т. д. Если сталь применяют в виде отливок, то более грубая литая структура обладает худшими свойствами, чем это следует из рис. 147 (понижаются главным образом показатели пластичности). Существенно влияние углерода на вязкие свойства. Как видно из рис. 148, увеличение содержания углерода

Каково содержание углерода в стали

Рис. 149. Влияние углерода на некоторые физические свойства стали

повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т. е. при температурах выше порога хладноломкости). На рис. 149 показано влияние углерода на некоторые физические свойства стали.

Каково содержание углерода в стали

Структура доэвтектоидных , эвтектоидной и заэвтектоидных сталей разная , но фазовый состав одинаков — феррит + цементит. Количество твердого и хрупкого цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. В результате с увеличением в стали углерода возрастает твердость , пределы прочности и текучести и уменьшается относительное удлинение , относительное сужение , ударная вязкость (рис. 3.1).

При медленном охлаждении из однофазного аустенитного состояния перлит получается пластинчатой, а вторичный цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 3.7). Облачно сетка цементита в сталях резко снижает ударную вязкость, упругость, прочность, а при пластинчатом строении перлита они труднее обрабатываются резанием, чем при зернистом. Поэтому металлургические заводы обязаны выпускать инструментальные стали со структурой зернистого перлита, в котором сплошная цементитная сетка не допускается. Раздроблена сетка цементита образуется при нормализации, часто с обработкой давлением, а зернистый перлит получается при специальном отжиге.

Сталь электротехническая нелегированная АРМКО, как ее еще называют: технически чистое железо (например, 10880; 20880 и т.д.) Такие марки содержат минимальное количество углерода, менее 0,04%, благодаря чему имеют очень малое удельное электрическое сопротивление. Первая цифра указывает на вид обработки (1 кованый или горячекатаный, 2 калиброванный). Вторая цифра 0 говорит, что сталь Углеродистая, без нормированного коэффициента старения; 1 с нормированным коэффициентом старения. Третья цифра указывает на группу по основной нормируемой характеристике. Четвертая и пятая — количество значения основной нормируемой характеристики.

Стали строительные обозначают буквой С и цифрами , соответствующими минимальному пределу текучести стали. Дополнительно применяют обозначения : Т — термоупрочненный прокат , К — повышенная коррозионная стойкость (например , С345Т ; С390К и т. П ). Аналогично буквой Д обозначают повышенное содержание меди , ( С345Д ; С375Д ).

Эти данные на рисунке 1 настолько точны, что часто применяются для обратной задачи , а именно — быстрого определения содержания углерода в неизвестной стали. Для этого отрезают тонкие образцы этой стали , нагревают до температуры выше температуры превращения в стали , закаливают их в воде и по уровню жесткости оценивают содержание углерода в стали.

В условиях промышленной практики величины твердости стали, указанные на рисунке 1 достигаются редко. Наиболее важным фактором, который влияет на максимальную твердость, что достигается при термическом упрочнении стали, есть масса металла, который подвергается закалке. С малых образцов тепло «вытягивается» очень быстро и критическая скорость охлаждения для 100% -ного образования мартенсита превышается значительно. Критическая скорость охлаждения — это такая скорость охлаждения, которая предотвращает образование в тсали немартенситных продуктов распада аустенита. С увеличением размеров сечения изделия становится трудно «вытащить» из него тепло достаточно быстро, чтобы избежать образования в стали немартенситных структур.

&nbsp &nbsp &nbspУглерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже малое изменение содержания углерода оказывает заметное влияние на свойства стали. С увеличением углерода в структуре стали возрастает содержание цементита. При содержании до 0,8% С сталь состоит из феррита и перлита , при содержании более 0,8% С в структуре стали кроме перлита появляются структурно свободный вторичный цементит.

&nbsp &nbsp &nbspРост прочности происходит при содержании в стали до 0,8-1,0 % С. При увеличении содержания углерода более 1,0 % уменьшается не только пастичность , но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен , легко разрушается при нагрузке. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальной отжига , в результате которого получают структуру зернистого перлита.

&nbsp &nbsp &nbspУглерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость , обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость , а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии.

&nbsp &nbsp &nbspФеррит имеет низкую прочность , но сравнительно практичный. Цементит характеризуется высокой твердостью , но хрупкий. Поэтому с ростомсодержания углерода увеличиваются твердость и прочность и уменьшаются вязкость и пластичность стали.

Фазовые диаграммы железо-углерод является основой для понимания свойств и принципов изготовление дамасских клинков. При нагревании сварочного железа и древесного угля до 1200 ° С в тигле железо переходит в гранецентрированный аустенит (7). Углерод древесного угля может далее растворяться в железе, понижая его температуру плавления. Как только содержание углерода в поверхностном слое превысит 2%, на поверхности железных частиц появляется слой расплавленного чугуна (2). При медленном охлаждении углерод может диффундировать через металл, образуя сталь со средним содержанием углерода 1, 5-2% (3). При падении температуры ниже примерно 1000 ° С углерод выделяется из раствора по границам зерен в виде сетки цементита (4). Белые линии в узоре дамасской стали являются следами этой сетки. При температуре ниже 727 ° С происходит превращение гранецентрированного аустенита с образованием чередующихся слоев цементита и низкоуглеродистого объемно-центрированная феррита (5). Клинки закаляли путем нагревания выше 727 ° С и быстрого охлаждения, при котором аустенит превращается в мартенсит.

Читать также:  Кладочная сетка что это такое

Разгадать секрет дамасской стали стремились некоторые видные европейские ученые, в их числе Майкл Фарадей, сам сын кузнеца. В 1819 г. (до изобретения им электродвигателя и электрогенератора) Фарадей исследовал образцы дамасской стали и пришел к выводу, что ее исключительные свойства объясняются присутствием небольших количеств кремния и алюминия. Хотя этот вывод оказался ошибочным, статья Фарадея вдохновила Жана Робера Бреа, пробирного инспектора Парижского монетного двора, провести серию экспериментов, в которых он вводил в сталь различные элементы. Именно Бреа впервые, в 1821 г., высказал предположение, существенную для понимания металлургической природы дамасской стали: ее необычная прочность, вязкость и вид должны быть обусловлены высоким содержанием углерода. Он установил, что структура дамасской стали имеет светлые участки «науглероженного стали» на темном фоне, который он называл просто «сталью».

СОГЛАСНО современным теоретическим представлениям в металловедения, наиболее прочными и вязкими сталями оказываются те, которые имеют наименьшие размеры зерен и частиц. Отсюда следует парадоксальный вывод: наилучшими дамасских клинков должны быть те, которые вообще не имеют «дамасского» узора. Для средневековых мастеров «дамасский» узор, без сомнения, служил формой контроля качества: наличие узора было и признаком высокого содержания углерода в металле, т. Е Высокой прочности, и признаком хорошо проковывают структуры, т. Е Высокой вязкости. Однако заметный глазу узор получается только в том случае, если частицы цементита достаточно большие и распределены неравномерно в структуре стали. Клинки с очень тонкой микроструктурой, не дает видимого узора, вероятно, могут иметь более высокие показатели прочности и вязкости.

Бреану удалось изготовить клинки с узором как в дамасской стали, но он до конца своих дней так и не дал подробного объяснения своим способом. Более того, он не смог понять важности всех последовательных операций в использованном им процессе. Только под конец XIX в., Когда ряд исследователей изучили фазовые превращения, происходящие в стали, и установили их зависимость от температуры и содержания углерода, были созданы предпосылки для полного научного объяснения структуры дамасской стали. Но даже и теперь, когда фазовая диаграмма железо-углерод хорошо изучена, процесс изготовления дамасской стали считается по американскому праву открытием и может быть запатентован.

Взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит. Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05%, фосфора — не более 0,04% и азота — не более 0,008%. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них раз-вита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. С повышением условного номера марки стали возрастает пре дел прочности и текучести и снижается пластичность. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т. Д). Кипящие стали (Ст1кп), содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30- 40 ° С выше, чем стали спокойные (Ст1сп). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работают при низких климатических температурах применяют спокойные, стали (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп). С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергающихся сварке. Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаются холодной исправления и сгибании, — малой склонностью к деформационного старения. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначения (моего- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. Д) и поступают по особым техническим условиям. Низкоуглеродистых стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита "(высокой критической скоростью закалки)» поэтому после зака.

Дешевые стали, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенности и загрязненность неметаллическими включениями, поэтому они выплавляемым по нормам массовой технологии. Стали обыкн. кач-ва выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т.д.), а также поковок. В зав-ти от гарантированных св-в бывают трех групп: А, Б, В. Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывают номер марки. Стали групп Б и В имеют перед маркой Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначениях марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: спокойные — сп; полуспокойную — пс; кипящие — кп (Ст3сп; БСт3пс; ВСт3кп). Широко прим. Ст3. Стали группы А поставляются с гарантированными мех. св-вами. Хим. состав не указывается. Стали группы А используют в горячекатаном состоянии для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. Стали гр. Б поставляются с гарантир. хим. составом. Мех. св-ва не гарантируются. Их прим. для изделий, изготовленных из прим. горячей обработки, при кот. исходная структура и мех. св-ва не сохраняются. Стали гр. В поставляются с гарант. мех. и хим. св-ми. Их широко прим. для произ сварных конструкций. В этом случае важно знать выходные мех. св-ва стали, поэтому они Сохранить ся неизменными в участках, не подвергаются нагреву при сварке. Углеродистые стали обыкн. кач-ва предназнач. для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Их прим. когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Из сталей номеров 1-4 изготавливают сварные фермы, рамы и др. Строительные металлоконструкции. Среднеуглеродистые стали номеров 5, 6 обладают большой прочностью, шт. для рельсов, ж.д. колес, а также валов, шестерен, шкивов.

Читать также:  Изображение резьбового соединения на чертеже

= 300-360 МПа, ? = 21 -16 %). Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидных стали со структурой пластинчатого перлита. Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10-12 мм (95% мартенсита ). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или больших , но не требуют сквозной прокаливаемости. Для повышения прокаливаемости стали дополнительно легируют марганцем ( 40Г , 50Г ).

Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовой холоднокатаный низкоуглеродистая сталь используют для холодной штамповки изделий. Стали 15 15кп , 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций , а также для деталей машин , укрепляющих цементацией.

Углеродистая сталь благодаря доступной стоимости и высоким прочностным характеристикам относится к широко распространенным сплавам. Из таких сталей, состоящих из железа и углерода и минимума других примесей, изготавливают различную машиностроительную продукцию, детали колов и трубопроводов, инструменты. Широкое применение эти сплавы находят и в строительной сфере.

Каково содержание углерода в стали

Калиброванный круг из углеродистой стали чаще всего используется в судостроении и машиностроении

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали, которые в зависимости от основной сферы применения подразделяются на конструкционные и инструментальные, практически не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых примесей, как марганец, магний и кремний.

Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Так, высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода, среднеуглеродистые стали – 0,3–0,6%, низкоуглеродистые – до 0,25%. Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.

Каково содержание углерода в стали

Нормы содержания химических элементов в углеродистых сталях

Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.

Количественное содержание углерода также оказывает серьезное влияние на технологические характеристики металла, в частности на его свариваемость, легкость обработки давлением и резанием. Из сталей, относящихся к категории низкоуглеродистых, изготавливают детали и конструкции, которые не будут подвергаться значительным нагрузкам в процессе эксплуатации. Характеристики, которыми обладают среднеуглеродистые стали, делают их основным конструкционным материалом, используемым в производстве конструкций и деталей для нужд общего и транспортного машиностроения. Высокоуглеродистые стальные сплавы благодаря своим характеристикам оптимально подходят для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, для производства ударно-штампового и измерительного инструмента.

Каково содержание углерода в стали

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества

Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.

Хотя считается, что углеродистые и легированные стали несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. Конечно, при помощи таких добавок не получится сделать из углеродистой стали нержавейку, но заметно улучшить свойства металла они вполне могут.

Классификация по степени раскисления

На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Каково содержание углерода в стали

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Читать также:  Какое масло лить в бутылочный домкрат

Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.

Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к углеродистой стали можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Методы производства и разделение по качеству

Для производства углеродистых сталей используются различные технологии, что сказывается на их разделении не только по способу производства, но и по качественным характеристикам. Так, различают:

  • высококачественные стальные сплавы;
  • качественные углеродистые стали;
  • углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Каково содержание углерода в стали

Классификация углеродистых сталей

Стальные сплавы, обладающие обыкновенным качеством, выплавляются в мартеновских печах, после чего из них формируют слитки больших размеров. К плавильному оборудованию, которое используется для получения таких сталей, относятся также кислородные конвертеры. По сравнению с качественными стальными сплавами, рассматриваемые стали могут иметь большее содержание вредных примесей, что сказывается на стоимости их производства, а также на их характеристиках.

Сформированные и полностью застывшие слитки металла подвергают дальнейшей прокатке, которая может выполняться в горячем или холодном состоянии. Методом горячей прокатки производят фасонные и сортовые изделия, толстолистовой и тонколистовой металл, металлические полосы большой ширины. При помощи прокатки, выполняемой в холодном состоянии, получают тонколистовой металл.

Каково содержание углерода в стали

На современных предприятиях для производства высококачественных сплавов используются электрические дуговые печи

Для производства углеродистых сталей качественной и высококачественной категорий могут использоваться как конвертеры и мартеновские печи, так и более современное оборудование – плавильные печи, работающие на электричестве. К химическому составу таких сталей, наличию в их структуре вредных и неметаллических примесей соответствующий ГОСТ предъявляет очень жесткие требования. Например, в сталях, которые относятся к категории высококачественных, должно содержаться не более 0,04% серы и не больше 0,035% фосфора. Качественные и высококачественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу их производства и к характеристикам отличаются повышенной чистотой структуры.

Область применения

Как уже говорилось выше, углеродистые стальные сплавы по основному назначению делят на две большие категории: инструментальные и конструкционные. Инструментальные стальные сплавы, содержащие 0,65–1,32% углерода, используются в полном соответствии со своим названием – для производства инструмента различного назначения. Для того чтобы улучшить механические свойства инструментов, обращаются к такой технологической операции, как закалка углеродистой стали, которая выполняется без особых сложностей.

Каково содержание углерода в стали

Сферы применения углеродистых инструментальных сталей

Конструкционные стальные сплавы применяются в современной промышленности очень широко. Из них делают детали для оборудования различного назначения, элементы конструкций машиностроительного и строительного назначения, крепежные детали и многое другое. В частности, такое популярное изделие, как проволока углеродистая, производится именно из стали конструкционного типа.

Используется проволока углеродистая не только в бытовых целях, для производства крепежа и в строительной сфере, но и для изготовления таких ответственных деталей, как пружины. После выполнения цементации конструкционные углеродистые сплавы можно успешно использовать для производства деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются серьезному поверхностному износу и испытывают значительные динамические нагрузки.

Конечно, углеродистые стальные сплавы не обладают многими свойствами легированных сталей (в частности, той же нержавейки), но их характеристик вполне хватает для того, чтобы обеспечить качество и надежность деталей и конструкций, которые из них изготавливаются.

Особенности маркировки

Маркировка углеродистых сталей, правила составления которой строго оговорены пунктами соответствующего ГОСТа, позволяет узнать не только химический состав представленного сплава, но и то, к какой категории он относится. В обозначении углеродистой стали, обладающей обыкновенным качеством, присутствуют буквы «СТ». Пунктами ГОСТа оговаривается семь условных номеров марок таких сталей (от 0 до 6), которые также указываются в их обозначении. Узнать, какой степени раскисления соответствует та или иная марка, можно по буквам «кп», «пс», «сп», которые проставляются в самом конце маркировки.

Каково содержание углерода в стали

Цветовая маркировка наносится по требованию потребителя несмываемой краской

Каково содержание углерода в стали

Марки углеродистых сталей по ГОСТу и по международным стандартам ИСО

Марки качественных и высококачественных углеродистых сталей обозначаются просто цифрами, указывающими на содержание в сплаве углерода в сотых долях процента. В конце обозначения некоторых марок можно встретить букву «А». Это значит, что сталь обладает улучшенным металлургическим качеством.

Узнать о том, что перед вами инструментальная сталь, можно по букве «У», стоящей в самом начале ее маркировки. Цифра, следующая за такой буквой, указывает на содержание углерода, но уже в десятых долях процента. Буква «А», если она есть в обозначении инструментальной стали, говорит о том, что данный сплав отличается улучшенными качественными характеристиками.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *