Углеродистые стали - сплавы на основе железа, в которых основным легирующим элементом является углерод. Содержание углерода в углеродистых конструкционных сталях может изменяться от 0,05 до 0,9 %. Помимо углерода в сталях присутствуют постоянные примеси: полезные (марганец и кремний) и вредные (сера, фосфор, кислород, азот, водород).
Марганец и кремний вводят в сталь для раскисления. Помимо этого марганец
снижает вредное влияние серы на свойства стали.
Сера и фосфор попадают в
металл из руд и топлива. Сера обладает малой растворимостью в железе и образует
легкоплавкую эвтектику Fe—FeS с температурой плавления 988 °С. При эвтектической
температуре растворимость серы в железе составляет 0,013 %.
Легкоплавкая и хрупкая эвтектика, располагаясь в основном по границам зерен, делает сталь хрупкой («красноломкой») в области температур красного каления (выше 800 °С). При наличии в стали марганца, благодаря большому его сродству к сере, сера связывается в соединение MnS.Образующийся сернистый марганец или твердый раствор сернистого железа в сернистом марганце более тугоплавкие, и благодаря этому устраняется красноломкость стали.
Фосфор обладает относительно большой растворимостью в железе. Однако при этом он резко повышает температуру перехода металла в хрупкое состояние — придает стали хладноломкость.
Кислород, азот и водород присутствуют в сталях в небольших количествах, однако практически всегда выше предельной растворимости их в α-железе. Указанные элементы могут находиться в твердом растворе, образовывать соединения (оксиды, нитриды), находиться в газообразном состоянии в несплошностяя (в основном водород).
Растворимость газов в α-железе с понижением температуры резко снижается. По этой причине в результате нагрева и охлаждения стали, например, в процессе сварки, возможно формирование пересыщенных растворов указанных элементов. Распад пересыщенных растворов в результате пластической деформации и невысокого нагрева может привести к охрупчиванию металла из-за развития процесса старения — так называемое деформационное (механическое) старение.
Содержание примесей в стали в значительной мере зависит от способа производства стали и степени раскисленности.
По способу производства стали подразделяют на бессемеровскую, мартеновскую,
кислородно-конверторную и электросталь.
Бессемеровская сталь из-за
повышенного содержания азота характеризуется пониженной пластичностью,
склонностью к старению и в сварных конструкциях находит ограниченное применение.
По степени раскисленности стали бывают кипящие (раскисленные только марганцем),
полуспокойные (раскисленные марганцем и алюминием) и спокойные (раскисленные
марганцем, кремнием и алюминием). В сварных конструкциях используют стали всех
степеней раскисления. Однако в ответственных конструкциях применяют, как
правило, стали спокойных плавок. Это обусловлено тем, что кипящие стали
характеризуются большой неоднородностью по распределению примесей, в частности
серы и фосфора, в связи с этим повышается вероятность образования горячих трещин
из-за наличия серы. Кипящие стали более склонны к старению и переходу в хрупкое
состояние при работе в области низких температур.
Углеродистые стали поставляются по ГОСТ 380—71 (стали обыкновенного качества), ГОСТ 1050—74 (качественные стали) и другим стандартам. Содержание углерода в сталях, поставляемых по ГОСТ 380—71, может изменяться в зависимости от марки в пределах от 0,06—0,12 до 0,50—0,62 %, а поставляемых по ГОСТ 1050—74 — от 0,05—0,11 до 0,82—0,90 %.
По ГОСТ 380—71 предусмотрен выпуск сталей трех групп:
- группа А — стали, поставляемые с гарантируемыми механическими свойствами, маркируются: Ст1, Ст2...;
- группа Б — стали, поставляемые с гарантированным химическим составом, маркируются в зависимости от способа производства: мартеновским (М), конверторным (К), бессемеровским (Б): МСт1, КСт1... — соответственно мартеновского и конверторного производства;
- группа В — стали, поставляемые с гарантированными механическими свойствами и химическим составом, выплавляются мартеновским или конверторным способом, маркируются буквой В: ВСт1, ВСт2...
Для сварных конструкций используются стали группы В, если у потребителя в процессе изготовления конструкции сталь не подвергается горячей обработке, и группы Б, если подобной обработке сталь подвергается.
Конструкционные углеродистые стали применяют в основном после отжига или
нормализации. Прокаливаемость сталей при содержании углерода менее 0,3%
небольшая. Тем не менее и при малом содержании углерода, но большой скорости
охлаждения при закалке возможно формирование структур
закалки.
