Согласно диаграмме «Fe – Fe₃C», сталь – это железоуглеродистый сплав, содержащий до 2,14 % углерода. Реально в сталях, которые приме- няются в машиностроении, содержание углерода не превышает 1,4 %. В промышленных марках стали содержится ряд элементов в виде примесей, которые остались в металле при ее получении на металлургическом заво- де. Такими примесями являются марганец, кремний, сера, фосфор, газы и случайные примечи.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,7 %, в инструментальных – 1,3 %, оказывает определенное влияние на их свойства. Углерод способствует снижению пластичности стали, развитию хладноломкости, уменьшению ударной вязкости, ухудшению свариваемо- сти, увеличению твердости стали.

Снижение пластических свойств у сталей с повышенным и высоким содержание углерода затрудняет холодную пластическую деформацию из- за опасности возникновения трещин. При изготовлении сварных конструк- ций также стараются использовать низкоуглеродистые стали (<0,2 % С).

Такое поведение стали объясняется изменениями в структуре. При по- вышении содержания углерода происходит увеличение количества перли-

та в доэвтектоидной стали и, соответственно, уменьшение количества мяг- кого феррита. Углерод способствует значительному возрастанию твердо- сти, а прочность увеличивается только в доэвтектоидной стали. В заэвтек- тоидных сталях с образованием твердой и хрупкой самостоятельной фазы цементита их прочность уменьшается.

Марганец – полезная примесь, вводится в стали в качестве раскисли- теля и сохраняется в ней в количестве 0,3–0,8 %. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

Кремний также используется как раскислитель при выплавке стали. Он способствует увеличению предела текучести и предела прочности ото- жженной стали, повышает прокаливаемость. Кремний, как и марганец, в основном растворяется в феррите по типу замещения. Его количество не превышает 0,4 %.

Сера является вредной примесью в сталях. Она присутствует в виде сульфида железа FeS. Это соединение совместно с аустенитом образует эвтектику, которая плавится при температуре 988 °С. Эта эвтектика распо- лагается по границам зерен и вызывает снижение прочности, охрупчива- ние при температуре выше 800 °С. При высоких температурах эвтектика может расплавляться, вызывая разрушение по границам зерен и образова- ние трещин. Это явление называется красноломкостью и создает трудно- сти при горячей обработке давлением сталей с высоким содержанием се- ры. Содержание серы в стали строго ограничивают 0,05%. Положительное влияние серы проявляется в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор в большинстве случаев считается вредной примесью. Он рас- творяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость – сни- жение вязкости по мере понижения температуры. Содержание фосфора в количестве всего 0,01% повышает порог хладноломкости на 25 °С. Хруп- кость стали, вызванная фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода. Предельно допустимое количество фосфора в стали – 0,05%.

Газы – кислород, азот и водород – вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и склон- ности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в очень малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами).

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Он образует в сталях флокены – внутренние надрывы в виде мелких трещин, что приводит к охрупчиванию стали. Количество газов в сталях ограничивается тысячными долями процента. Уменьшение количе- ства газов в сталях достигается выплавкой стали в вакууме или с исполь- зованием электрошлакового переплава и другими способами. Случайные примеси попадают в сталь из вторичного сырья или из руды. Стали, вы-

плавленные из уральских руд, содержат 0,3% меди. Из скрапа в сталь по- падают сурьма, олово и другие металлы.

На долю углеродистых сталей приходится около 80% общего объема выпуска сталей. Углеродистые стали более дешевые и имеют удовлетво- рительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резани- ем и давлением. Существенным недостатком углеродистых сталей являет- ся небольшая прокаливаемость, что значительно ограничивает размер де- талей, упрочняемых термической обработкой. Углеродистые конструкци- онные стали выпускаются двух видов: обыкновенные и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380–94) имеют повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщение и за- грязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют в большом количестве. Эти стали преимущественно используют в строи- тельстве и поставляют горячекатаными в виде прутка, листа, уголка, швеллера и др.

Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифры от 0 до 6, показы- вающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением букв:

«сп» – спокойная, «пс» – полуспокойная, «кп» – кипящая. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1–Ст6, кипящими – Ст1–Ст4. Ст0 по степени раскисления не разделяют. Три марки стали производят с повы- шенным (0,8–1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г».

Примеры сталей обыкновенного качества: Ст1кп, Ст3пс, Ст4сп, Ст3Гпс, Ст5пс.

Степень раскисления определяет различное содержание газов в стали и, следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру экс- плуатации. Более надежны спокойные стали. Механические свойства го- рячекатаных сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ 535–

88. Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагру- женных деталей машин и приборов. Более прочные стали марок 4, 5, 6 ис- пользуются в котло-, мосто- и судостроении.

Углеродистые качественные стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их по- ставляют в виде проката, поковок и другими полуфабрикатов с гарантиро- ванным химическим составом и механическими свойствами. Обозначают их по ГОСТ 1050–88 двузначными числами (08, 10, 20…60), обозначаю- щих среднее содержание углерода в сотых долях процента, например: сталь 45 содержит 0,45% углерода. Спокойные стали маркируются только цифрой 15, 20, 45; кипящие обозначают 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; по- луспокойные – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Качественные стали находят самое широкое применение в машино- строении, так как в зависимости от содержания углерода и термической

обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Малопрочные и высокопластичные стали 08, 08кп, 10, 15 используют для холодной штамповки и глубокой вытяжки. Тонколистовую сталь 08кп широко применяют для кузовных деталей автомобилей. Цементуемые ста- ли 15, 20, 25 предназначены для изготовления деталей малого размера (ку- лачки, толкатели, шестерни) для которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Эти свойства достигаются насыщением поверхностного слоя углеродом и последующей термической обработкой – закалкой и низким отпуском.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 отличаются высокой прочностью, но меньшей пластичностью. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. Номенклатура деталей из этих сталей очень разнообразна: шатуны, коленчатые валы, зубчатые колеса, маховики, оси, толкатели и т. д. Стали 55, 60 после термической обработ- ки применяют для изготовления пружин, рессор, шайб и др.

Среди конструкционных углеродистых сталей есть так называемые автоматные стали. Это стали, которые за счет повышенного содержания серы (<0,3%) и фосфора (<0,15%) имеют хорошую обрабатываемость ре- занием (ГОСТ 1414–75). Маркируются автоматные стали буквой «А» и двумя цифрами, показывающими процентное содержание углерода в со- тых долях: А12, А20, А30. При добавлении свинца в количестве 0,15–

–0,30% их маркируют «АС»: АС1, …, АС14. При дополнительном легиро- вании марганцем их обозначают, например, так: АС35Г2.