Углеродистая сталь — это сталь с содержанием углерода от 0,05 до 2,1 процента по весу.
Признаки углеродистой стали
- Минимальное содержание хрома, кобальта, молибдена, никеля, ниобия, титана, вольфрама, ванадия, циркония или любого другого элемента, добавляемого для получения желаемого эффекта легирования
- Минимальное содержание меди не превышает 0,40%
- или максимальное содержание, указанное для любого из следующих элементов, не превышает указанных процентов: марганец 1,65%; кремний 0,60%; медь 0,60%.
Термин углеродистая сталь может также использоваться в отношении стали, которая не является нержавеющей сталью. В этом случае углеродистая сталь может включать легированные стали. Высокоуглеродистая сталь имеет множество различных применений, таких как фрезерные станки, режущие инструменты (например, зубила) и высокопрочная проволока. Для этих применений требуется гораздо более тонкая микроструктура, что повышает вязкость.
Высокоуглеродистая сталь является популярным металлом для изготовления ножей благодаря высокому содержанию углерода, что позволяет лезвию лучше удерживать кромку. Чтобы извлечь максимальную пользу из этого вида стали, очень важно правильно провести ее термообработку. Температурные ограничения нужно учитывать при любой механической обработке углеродистой стали, в том числе при лезерной резке.
| Вид стали | Максимальная температура ковки | Температура плавления |
| 1.5% carbon | 1049 | 1140 |
| 1.1% carbon | 1082 | 1171 |
| 0.9% carbon | 1121 | 1221 |
| 0.5% carbon | 1249 | 1349 |
| 0.2% carbon | 1321 | 1471 |
Классификация углеродистой стали
| Низкоуглеродистая сталь | Содержание углерода от 0,05 до 0,15% (обычная углеродистая сталь). |
| Среднеуглеродистая сталь | Примерно 0,3-0,5% содержание углерода. Баланс пластичности и прочности, хорошая износостойкость. Используется для крупных деталей, поковок и автомобильных компонентов. |
| Высокоуглеродистая сталь | Приблизительно 0,6-1,0% содержания углерода. Очень прочная, используется для изготовления пружин, кромочных инструментов и высокопрочной проволоки. |
| Сверхвысокоуглеродистая сталь | Приблизительно 1,25-2,0% содержания углерода. Стали, которые могут быть закалены до высокой твердости. Используется для специальных целей, таких как (не промышленного назначения) ножи, оси и пуансоны. Большинство сталей с содержанием углерода более 2,5% изготавливаются методом порошковой металлургии. |
Эта сталь при увеличении процентного содержания углерода сталь способна становиться тверже и прочнее в результате термообработки, однако она становится менее пластичной. Независимо от термической обработки, более высокое содержание углерода снижает свариваемость. В углеродистых сталях повышенное содержание углерода снижает температуру плавления.
Мягкая или низкоуглеродистая сталь
Мягкая сталь (железо, содержащее небольшой процент углерода, прочное и жесткое, но плохо поддающееся закалке), также известная как простая углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь, в настоящее время является наиболее распространенной формой стали, поскольку ее цена относительно низка, а свойства материала весьма приемлемы для многих областей применения. Мягкая сталь содержит примерно 0,05-0,30% углерода, что делает ее ковкой и пластичной. Мягкая сталь имеет относительно низкую прочность на разрыв, но она легко формуется. Поверхностная твердость может быть увеличена с помощью науглероживания.
В областях применения, где используются большие поперечные сечения для минимизации прогиба, разрушение по текучести не представляет риска, поэтому низкоуглеродистые стали являются лучшим выбором, например, в качестве конструкционной стали. Плотность низкоуглеродистой стали составляет примерно 7,85 г/см3 (7850 кг/м3), а модуль Юнга — 200 ГПа.
У низкоуглеродистых сталей наблюдается биение точки текучести, когда материал имеет две точки текучести.
Первый предел текучести (или верхний предел текучести) выше второго, а после верхнего предела текучести текучесть резко снижается. Если низкоуглеродистая сталь напряжена только до некоторой точки между верхним и нижним пределом текучести, то на поверхности образуются полосы Людера.
Низкоуглеродистые стали содержат меньше углерода, чем другие стали, и легче поддаются холодной деформации, что облегчает их обработку. Типичные области применения низкоуглеродистой стали — детали автомобилей, трубы, строительство и пищевые банки.
Высокопрочная низкоуглеродная сталь
Высокопрочные стали — это низкоуглеродистые стали или стали, находящиеся в нижней части среднеуглеродистого диапазона, в которые добавлены дополнительные легирующие ингредиенты для повышения прочности, износостойкости или, в частности, прочности на разрыв. К таким легирующим компонентам относятся хром, молибден, кремний, марганец, никель и ванадий. Содержание таких примесей, как фосфор и сера, ограничено.
Высокоуглеродистые стали
Углеродистые стали, которые могут успешно пройти термообработку, имеют содержание углерода в диапазоне 0,30-1,70% по весу. Следы примесей различных других элементов могут существенно повлиять на качество получаемой стали. В частности, следовые количества серы делают сталь красноломкой, то есть хрупкой и рассыпчатой при рабочих температурах. Низколегированная углеродистая сталь, например, марки А36, содержит около 0,05% серы и плавится при температуре 1 426-1 538 °C.
Для повышения прокаливаемости низкоуглеродистых сталей часто добавляют марганец. Эти добавки превращают материал в низколегированную сталь по некоторым стандартам, но большинство из них допускает до 1,65% марганца по весу.
Существует два типа высокоуглеродистых сталей — это высокоуглеродистая сталь и сверхвысокоуглеродистая сталь.
Причина ограниченного использования высокоуглеродистой стали заключается в том, что она обладает крайне низкой пластичностью и свариваемостью, а также более высокой стоимостью производства. Наиболее подходящими областями применения высокоуглеродистой стали является ее использование в пружинной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, а также в производстве широкого спектра высокопрочной проволоки.
Термическая обработка углеродистой стали
Целью термической обработки углеродистой стали является изменение её механических свойств — обычно пластичности, твердости, предела текучести или сопротивления удару. При этом, что электро и теплопроводность изменяются незначительно. Как и при большинстве методов упрочнения стали, модуль Юнга (упругость) остается неизменным.
При любой обработке стали пластичность обменивается на повышенную прочность и наоборот. Железо имеет более высокую растворимость углерода в аустенитной фазе, поэтому все виды термической обработки, кроме сфероидизации и технологического отжига, начинаются с нагрева стали до температуры, при которой может существовать аустенитная фаза. Затем сталь закаливают (отводят тепло) с умеренной или низкой скоростью, позволяя углероду диффундировать из аустенита, образуя карбид железа (цементит) и оставляя феррит, или с высокой скоростью, задерживая углерод внутри железа, образуя мартенсит. Скорость охлаждения стали до эвтектоидной температуры (около 727 °C) влияет на скорость диффузии углерода из аустенита и образования цементита.
Основные виды термической оработки углеродистой стали
Сфероидизация
Сфероидит образуется при нагревании углеродистой стали до температуры примерно 700 °C в течение более 30 часов. Сфероидит может образовываться при более низких температурах, но время, необходимое для этого, резко возрастает, поскольку это процесс, контролируемый диффузией.
В результате образуется структура из стержней или сфер цементита внутри первичной структуры (феррита или перлита, в зависимости от того, на какой стороне эвтектоида вы находитесь). Цель — смягчить высокоуглеродистые стали и придать им большую пластичность. Это самая мягкая и пластичная форма стали.
Полный отжиг
Углеродистая сталь нагревается примерно до 400 °C в течение 1 часа. За это время происходит превращение всего феррита в аустенит (хотя цементит все еще может существовать, если содержание углерода выше эвтектоидного). Затем сталь необходимо медленно охладить, в пределах 20 °C в час. Обычно это просто печное охлаждение, при котором печь выключается, а сталь остается внутри. В результате образуется крупнозернистая перлитная структура. Полностью отожженная сталь — мягкая и пластичная, без внутренних напряжений, что часто необходимо для экономичного формования. Только сфероидизированная сталь более мягкая и пластичная.
Технологический отжиг
Процесс, используемый для снятия напряжения в холоднодеформированной углеродистой стали с содержанием менее 0,3% C. Сталь обычно нагревают до 550-650 °C в течение 1 часа, но иногда температура может достигать 700 °C.
Изотермический отжиг
Это процесс, при котором гипоэвтектоидная сталь нагревается выше верхней критической температуры. Эта температура поддерживается в течение некоторого времени, затем снижается до температуры ниже нижней критической температуры и снова поддерживается. Затем сталь охлаждается до комнатной температуры. Этот метод устраняет любой температурный градиент.
Нормализация
Углеродистую сталь нагревают примерно до 550 °C в течение 1 часа. Это обеспечивает полное превращение стали в аустенит. Затем сталь охлаждается воздухом, скорость охлаждения составляет примерно 38 °C в минуту. В результате получается мелкозернистая перлитная структура и более однородная структура. Нормализованная сталь имеет более высокую прочность, чем отожженная. Она обладает относительно высокой прочностью и твердостью.
Закалка
Углеродистая сталь, содержащая не менее 0,4 масс. % С, нагревается до нормализующих температур, а затем быстро охлаждается (закаливается) в воде, рассоле или масле до критической температуры. Критическая температура зависит от содержания углерода, но, как правило, она снижается по мере увеличения содержания углерода.
В результате образуется мартенситная структура. Форма стали, которая обладает сверхнасыщенным содержанием углерода в деформированной кубической кристаллической структуре, правильно называемой тетрагональной, с большим внутренним напряжением. Таким образом, закаленная сталь является чрезвычайно твердой, но хрупкой, обычно слишком хрупкой для практических целей. Эти внутренние напряжения могут вызвать трещины напряжения на поверхности. Закаленная сталь примерно в три раза тверже (в четыре раза при большем содержании углерода), чем нормализованная сталь.
Мартемперинг
Мартенсинг не является закалкой. Это форма изотермической термообработки, применяемая после первоначальной закалки, обычно в ванне с расплавленной солью, при температуре чуть выше «температуры начала мартенсита». При этой температуре снимаются остаточные напряжения в материале, и из сохранившегося аустенита может образоваться бейнит, который не успел превратиться ни во что другое. В промышленности этот процесс используется для контроля пластичности и твердости материала. При более длительном закаливании пластичность увеличивается при минимальной потере прочности. Cталь выдерживают в этом растворе до тех пор, пока внутренняя и внешняя температуры детали не сравняются. Затем сталь охлаждают с умеренной скоростью, чтобы градиент температур был минимальным.
Этот процесс не только уменьшает внутренние напряжения и трещины под напряжением, но и повышает ударную вязкость.
Отпуск
Это наиболее часто встречающаяся термическая обработка, поскольку конечные свойства могут быть точно определены температурой и временем отпуска. Отпуск включает в себя повторный нагрев закаленной стали до температуры ниже эвтектоидной температуры и последующее охлаждение. Повышенная температура позволяет образоваться очень небольшому количеству сфероидита, который восстанавливает пластичность, но снижает твердость. Фактические температуры и время тщательно подбираются для каждого состава.
Аустемперинг
Процесс аустемперирования аналогичен мартенситному, за исключением того, что закалка прерывается и сталь выдерживается в ванне с расплавленной солью при температуре от 205 до 540 °C, а затем охлаждается с умеренной скоростью. В результате в стали, называемой бейнитом, образуется ациклическая микроструктура, которая обладает большой прочностью (но меньшей, чем мартенсит), большей пластичностью, более высокой ударной вязкостью и меньшей деформацией, чем мартенситная сталь. Недостатком аустемперирования является то, что его можно использовать только для нескольких листов стали, и для него требуется специальная соляная ванна.
Закалка корпуса
Процессы закалки закаливают только внешнюю часть стальной детали, создавая твердую, износостойкую кожу («корпус»), но сохраняя прочную и вязкую внутреннюю часть.
Углеродистые стали плохо поддаются закалке, то есть их нельзя закаливать на толстых участках. Легированные стали обладают лучшей прокаливаемостью, поэтому они могут подвергаться сквозной закалке и не требуют закалки корпуса. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, поскольку придает поверхности хорошие характеристики износа, но оставляет сердцевину гибкой и амортизирующей.