Углеродистая сталь состав свойства

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 24 Апреля 2024

В процессе обработки железной руды изначально вырабатывается чугун, уровень углерода в котором составляет как минимум 2,14%. После подвергания процессу науглероживания железная руда преобразуется в сталь. В результате этого металл становится более податливым, хотя и теряет в твердости. Поскольку содержание углерода все еще остается на высоком уровне, подобные соединения обозначаются как углеродистые. Уровень содержания углерода используется для разделения на три категории:

• Сплавы с высоким содержанием углерода (0,6-1,4%) отличаются особой твердостью. Они используются для производства канатной проволоки, дроби, необходимой для дробеструйной обработки, а также штампов, применяемых при деформации металлов. В эту категорию также включаются некоторые виды пружинных сталей.
• Сплавы со средним содержанием углерода (0,3-0,6%) отличаются не только высокой прочностью, но и увеличенной пластичностью, что обеспечивает их легкость в технологическом процессе обработки. Их основное назначение - использование в конструкциях, функционирующих при стандартных условиях.
• Сплавы, содержание углерода в которых не превышает 0,25%, характеризуются мягкостью и отличной формообразующей способностью. Чаще всего детали из такого материала подвергаются процессу отжига для повышения их прочностных характеристик.

Карбидные соединения, сформированные углеродом и находящиеся в состоянии цементита, задают определённые характеристики углеродистым сталям.

• Прочность;
• Упругость;
• Износостойкость.

В то же время, цементит восприимчив к внешним флуктуациям, поскольку он хрупок и склонен к разрушению с формированием свободного графита. Это может быть связано с избытком кинетической энергии или увеличением нагрузки. По мере разрушения кристаллической структуры происходит образование графитовых участков и отложений, что приводит к потере изначальных характеристик изделия.

Свойства сталей, содержащих углерод, определяются в основном их сложной молекулярной структурой. Цементитовая ячейка структуры образует октаэдр.

Сплавы обладают следующими техническими и экономическими характеристиками:

• Отличительными характеристиками являются высокий уровень прочности и великая переносная способность.
• Формирование твердого внешнего слоя и мягкого внутреннего ядра из-за недостаточной прокалки помогает сгладить хрупкость;
• Продолжительность использования, при стандартных условиях или применении методов борьбы с коррозией, может достигать до 50 лет.
• Отличается невысокой стоимостью. Процесс выплавки стал доступным с того времени, как в конце 19-го века появились мартеновские печи.

Сталь, обогащенная углеродом, является неотъемлемым элементом в строительстве, ее относительно низкая цена делает ее идеальным материалом для создания крупных объектов, таких как трубопроводы, здания и мосты.

Применение высококачественных механических характеристик осуществляется при производстве инструментов и фурнитуры, а также деталей, подвергающихся усиленным нагрузкам.

Запрос некорректен: приведенного текста нет или он неполный. Пожалуйста, предоставьте полный текст для перефразирования.#187;18618″]

Химический состав

Классификация по качеству и способу производства

Руды насыщены множеством неметаллических примесей, минералов и газов, которые оказывают влияние на физико-химические характеристики. Некоторые из них, как кремний и магний, признаются полезными, в то время как другие, например, фосфор и сера, считаются вредными. Путем выплавки материала проводят следующим образом:

• Процесс плавления проводится при наиболее высоких температурах и включает активное окисление таких элементов, как железо, марганец, кремний, фосфор и прочие.
• Процесс окисления: в момент разрушения карбидов происходит образование углекислого газа, при этом в условиях закипания массовый процент углерода снижается до 2%.
• Ферромарганец, ферросилиций и другие реагенты восстанавливают оксиды до железа при процессе раскисления. Материал, не достаточно раскисленный, имеет свойство образовывать трещины.

Современные методы позволяют выплавлять сталь, несмотря на те ограничения, которые накладывали на процесс низкие температуры в доменных печах. Теперь, чтобы осуществить такие операции, существует несколько подходов:

• Печи Мартена. При помощи регенератора, приложенного к кузнечным печам, Пьер Мартен смог предотвратить теряние тепловой энергии от продуктов сгорания, в результате чего получился достаточный уровень температуры. Уменьшение углеводной составляющей осуществлялось главным образом за счет выгорания карбидов. До 2018 года в России последняя такая печь функционировала на территории Выксунского предприятия.
• Конвертерные процессы. Расплавленное вещество обрабатывают кислородом с нижней и верхней стороны. Во время окислительной химической реакции высвобождается дополнительная энергия. Взаимодействие воздушного потока с расплавом усиливают путем интенсивного перемешивания.
• Электрометаллургический подход посредством электроплавки позволяет обойтись без реагентов, заменив их электролизом, что особенно значимо на этапе получения металлов из оксидов без применения угля. Такой метод существенно снижает уровень загрязнений и негативное воздействие на атмосферу. В дополнение к преимуществам, порождаемым электроплавкой, отметим возможность достижения температур до 20 тысяч градусов Цельсия с использованием электротермического эффекта, а также применение вакуумной плавки.

В итоге выполненных работ получаем углеродистые стали различного уровня качества. Данный показатель отражается в технической документации, поскольку от его значений зависит сфера использования стали.

• Стандартные - это наиболее часто используемый материал для изготовления металлических изделий, структур и деталей, подвергающихся термообработке, таких как валы, оси, втулки. Число вредных примесей не превышает 0,05%.
• В отраслевых стандартах указаны критерии качества. Процентное содержание примесей не должно превышать 0,035%.
• Для создания инструментов больше всего используются высококачественные материалы, уровень загрязнения которых составляет всего 0,025%.
• Серьезно качественные содержат концентрации серы и фосфора менее 0,015%. В обозначениях используется буква &.#171;Ш».

Процесс получения малопримесных сталей осуществим только посредством электроплавки. Данный материал активно применяется при создании различных устройств и элементов специфического оборудования, в частности, в области атомной энергетики.

Классификация по уровню раскисления и количеству углерода

В процессе окисления жидкое железо обогащается водородом, углекислым газом и азотом, превращаясь при этом в окисл. Восстановление металлического элемента проводится до необходимых указателей, поскольку любая дополнительная очистка повлечет за собой повышение стоимости. На основании этого сформирована следующая классификация:

• Процесс раскисления Кипящих (кп) проводится с использованием марганца, в результате структура становится неоднородной и насыщенной воздушными пузырьками. Характеристики этого материала варьируются от одного слитка до другого. Отмечается, что КП ценят за доступную цену и высокую пластичность, и они находят применение в производстве плит, подставок и других элементов, которые работают при температуре не ниже минус 20 градусов Цельсия и не требуют высокой надежности.
• Если алюминий и марганец используются для восстановления окиси полуспокойных (пс), и все шаги выполнены правильно, то газы будут сосредоточены в верхней части слитка. Во время роллинг-обработки дефекты удаляются.
• Газы в спокойных сталях почти полностью устранены, их структура характеризуется однородностью и высокой плотностью. Их используют для производства проката различных сортов и форм.

Только обычные и в некоторых случаях высококачественные стали обозначаются индексом раскисления, поскольку в других метках этот элемент не применяется. Это связано с тем, что требования к химической формуле исключают такую потребность.

Увеличение содержания углерода повышает прочность материала, однако это одновременно снижает его пластичность и ударную вязкость, делая его более хрупким. Если нагрузка превышает допустимые значения, вместо пластической деформации формируются трещины и отколы.

Задачу углерода определяют на основе его процентного содержания:

• Механические свойства или состав обычных (от 0,06 до 0,49%) могут оставаться стабильными в зависимости от группы поставки.
• Термин "конструкционные" обозначает сплавы с различными характеристиками, содержащие в себе от 0,25 до 0,6% примесей, и широко используется в области машиностроения и строительства.
• Стальные марки, обладающие наивысшей твердостью (от 0,7), называются инструментальными. Именно из них производят ударный инструментарий. В эту группу входят исключительно качественные и высококачественные виды стали: У7, У8 - У11А, У12а.

Свойства и структура металла подвергаются изменениям благодаря термической обработке. Это позволяет достичь оптимального сочетания прочности и пластичности стальных изделий, а также увеличить их устойчивость к коррозии. В некоторых ситуациях только поверхностные слои проходят этап закаливания, в то время как внутренняя часть сохраняет свои пластичные свойства.

Маркировка углеродистых сталей

Терминология отсылает к категории, чистоте и призначенности. В России и странах Содружества разработаны нормативы ГОСТ и ОСТ, которые устанавливают стандарты химического состава, механических характеристик и методик проведения тестов. В каждой стране существует своя система стандартов: DIN (Германия), EN (Европейский Союз), JIS (Япония). Присутствуют свои требования даже в небольших государствах, таких как Чехия, Югославия, Бельгия, а в США функционируют несколько организаций, занимающихся стандартизацией и создавших восемь спецификаций.

Интернациональный стандарт ISO был введен с целью облегчения процесса координации поставок и выполнения работы согласно международным контрактам. Этот стандарт представляет собой адаптацию системы DIN, разработанной немецким институтом стандартизации в 1951 году. Поэтому в ГОСТ указывается соответствие номеру нормы ISO, а в Европе можно встретить обозначения DIN ISO и EN ISO.

• Стандарты обычного качества демонстрируются аббревиатурой Ст и числами от 1 до 6, а за ними следует уровень обессмысленности: Ст3кп, Ст5пс. ГОСТ 380-2005 удовлетворяет нескольким международным стандартам ISO в отношении химического состава. Классификации E355 (Fe510) или Fe590 отражают классы очистки, регулируемое количество углерода и основных примесей.
• Отметки качества определяются числами от 8 до 85, которые указывают на процентное содержание углерода, умноженное на 100. Индексы кп и пс применяются, только очистка до спокойного состояния (сп) не имеет специфического обозначения. В прошлом, регулятивным документом был ГОСТ 1050-88, который сегодня заменен набором секторальных норм ОСТ. Разработан набор стандартов ИСО для конструкционных сталей.
• Сталь, используемая в инструментальных целях, характеризуется как минимум двумя параметрами: цифрой, примерно равной произведению процентного содержания углерода на 10 (от 7 до 13), и литерой, которая может быть либо У, либо А. Так, например, сталь с маркировкой У8 будет относиться к высококачественной. Фосфор и сера минимальны в сплавах специального назначения, а маркировка буквой Ш ставится в конце.

Стандартизационная база постоянно подвергается обновлению. В целях упрощения решения различных задач создаются таблицы соответствия. Так, сплав 20 совпадает с Ck22 (1.1151) в системе DIN и с 2C22 по спецификации EN.

_________________________________________________________________________________

В 2018 году Г. В. Шляхова вместе с коллегами провела анализ структуры биметалла, который включает в себя конструкционную углеродистую сталь и нержавеющую сталь.