Углеродистые конструкционные стали: виды, свойства, марки

Что такое конструкционные углеродистые стали?

По химическому составу все стали принято разделять на два класса: углеродистые и легированные. Обе группы в своем составе содержат железо и углерод, плюс некоторые постоянные примеси, которые присущи таким железоуглеродистым сплавам. Но легированные стали помимо этого содержат также дополнительные вещества, различные химические элементы (в таких сталях могут содержаться хром, марганец, никель, кремний, молибден и др.).

Стали по химическому составу:
Углеродистые стали	Легированные стали
Железо	Железо
Углерод	Углерод
Постоянные примеси	Постоянные примеси
	Легирующие элементы

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и специальные. Последние (стали специального назначения) имеют какие-либо особые свойства, инструментальные стали – предназначены для производства инструмента. А конструкционные используют, чтобы изготавливать из них различные строительные конструкции, элементы строительных конструкций, детали машин. То есть изделия, от которых требуется прочность металла, длительная эксплуатация, возможность сварки и др. Для того, чтобы добиться таких свойств и характеристик стали для ее производства подбирают определенный химический состав, подвергают различным методам термообработки и используют другие способы и технологии для повышения качества металла.

Стали по назначению:
Конструкционные		Инструментальные
Общего назначения	Специального назначения
стали для изготовления конструкций	стали со специальными свойствами (жаропрочные, кислотостойкие, коррозионностойкие, др.)	стали для производства инструмента

Сферы применения конструкционных сталей

Такие сплавы применяются в тех областях, где необходима прочность и устойчивость к нагрузкам. Например, в машиностроении, где для промышленного оборудования, спецтехники, железнодорожного транспорта и пр. делают крепежные элементы, различные детали и механизмы, трубные изделия, детали поршневого двигателя, газовых или паровых турбин, карбюраторные валы. Машиностроительные стали по своему назначению могут быть шарикоподшипниковыми, автоматными, пружинными, криогенными, жаропрочными. Из закаленной конструкционной стали делают пружины, рессоры, сильфоны. Из очень твердых сплавов делают подшипники. Примеры использования конструкционных углеродистых сталей:

Конструкционные углеродистые стали
Машиностроительные	Строительные
оси, валики, втулки, крюки кранов, упоры, шестерни, гайки, болты, трубный прокат, листовой металл, пружины, рессоры, зубчатые колеса, фрикционные диски, поршни, клапаны, рычаги, валы, шатуны, маховики, шпиндели	арматура, балки, стержни, профнастил, трубы, трубопроводы, болты, гайки, крюки, соединительные муфты, фланцы, тройники, серьги, траверсы, звездочки, шпиндели, крепежные детали, сварные строительные конструкции

Конструкционные стали используют в строительстве мостов, нефтепроводов и т. п. Конструкционные углеродистые стали используются и в других областях промышленности: в производстве автомобилей, конструкций, которые будут подвергаться цементированию, для производства тонколистовой или кровельной стали, кронштейнов, осей, винтов, болтов, шайб, гаек, гвоздей, рычагов, шестерен, труб, емкостей для цементации, изделий цианируемого класса и др. Конструкционные стали с высокой износостойкостью используют в производстве насосного оборудования, дробильного оборудования.

Свойства конструкционных сталей

Конструкционные стали, учитывая их предназначение, должны обладать следующими технологическими и механическими свойствами:

• хорошая свариваемость;
• способность поддаваться такой обработке, как резка металла;
• пластичность (они должны гнуться и вытягиваться);
• стойкость к появлению трещин и швов во время обработки;
• прочность и твердость, устойчивость к большим нагрузкам;
• подходящая для условий эксплуатации ударная вязкость.

Изделия из конструкционной углеродистой стали хорошо выдерживают постоянные и переменные нагрузки, стойки к образованию ржавчины, долговечны и износостойки. В строительстве для изготовления сварных строительных конструкций применяют конструкционные стали, которые хорошо свариваются и обладают такими свойствами, как высокая твердость, оптимальная ковкость, хорошая ударная вязкость и жидкотекучесть. Некоторые свойства и назначение углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества

Марка стали	Предел прочности (МПа)	Относительное удлинение (%)	Назначение
Ст0	310	20	Малонагруженные детали	прокладки, шайбы
Ст1	310–400	32		детали высокой вязкости, неответственная арматура, швеллеры, двутавры
Ст2	330–420	20		детали повышенной пластичности, болты, шпильки, гайки
Ст3	370–470	24	Средненагруженные детали	трубы, кожухи, заготовки, профили, листы, арматура, уголки, шестигранники
Ст4	410–520	22		валы, оси, втулки, листовой прокат, рычаги, кронштейны
Ст5	500–640	17		упоры, тяги, фланцы, втулки, клинья, звездочки, стержни
Ст6	600	12		шпиндели, клинья, ломы, оси, валы, поршни

В машиностроительной области важными характеристиками стали являются не только прочность, высокая ударная вязкость и отличная свариваемость, но также пластичность, хорошая деформируемость, устойчивость к химической коррозии, к воздействию агрессивных сред, высокая износостойкость и др. Пружинистая сталь должна иметь хорошие показатели пластичности, упругости, а также вязкости и прочности. Если из конструкционной стали изготавливают листовой металл, из которого будут производиться изделия, подвергающиеся не горячей обработке, а деформированию в холодном состоянии, то такая сталь должна быть способна деформироваться в холодном состоянии. Свойства конструкционных сталей ухудшаются наличием вредных примесей в составе. К таковым относятся:

Элемент	Влияние элемента на свойства сплава
Фосфор	повышает хрупкость металла
Сера	снижает пластичность, повышает подверженность металла ржавлению
Водород	повышает хрупкость, подверженность металла окислению и коррозии
Кислород и азот	уменьшают вязкость и пластичность

А от концентрации углерода – очень важный компонент сплава – зависят такие характеристики, как прочность, пластичность, хладноломкость, устойчивость металла к нагрузкам, неблагоприятным погодным условиям.

Классификация углеродистых конструкционных сталей

По содержанию углерода в сплаве такие стали делят на:

Низкоуглеродистые стали	В них углерода содержится не более 0,25%. Такие конструкционные стали хорошо поддаются сварке, являются пластичным и среднепрочными.
Среднеуглеродистые стали	Концентрация углерода составляет 0,25–0,6%. Их характеризует хорошая свариваемость, высокая прочность, возможность механической обработки разными способами.
Высокоуглеродистые стали	Это конструкционные стали с долей углерода от 0,6% до 2%. Такие сплавы в своем составе имеют марганец. Они очень прочные и упругие.

Низко- и среднеуглеродистые стали используются в машиностроительной отрасли. Они имеют доэвтектоидную перлитную структуру. Но часто, чтобы повысить вязкость металла, в сплав добавляют никель и молибден. Такие стали уже относятся к низколегированным или среднелегированным. Изделия из такого металла могут как подвергаться упрочнению (только поверхности или всего объема металла), так и не подвергаться. Помимо углерода и железа в углеродистых сталях содержатся сера и фосфор, которые относятся к вредным примесям, потому как они повышают хрупкость готовых изделий и снижают свариваемость стали. Поэтому по химическому составу сталей, а именно – по содержанию в сплаве этих вредных примесей, конструкционные углеродистые стали делят на:

Стали обыкновенного качества	В них фосфора и серы содержится вплоть до 0,05%, что в маркировке стали обозначается буквами “Ст”.
Качественные углеродистые конструкционные стали	Содержание вредных элементов не превышает 0,035%, а в маркировке используется слово “Сталь”.
Высококачественные стали	Примеси составляют до 0,025%. Отличить их можно по букве “А” в маркировке таких сплавов.
Особовысококачественные стали	Фосфора и серы в их составе содержится не более 0,015%, а в маркировке имеется буква “Ш”.

Качественные конструкционные стали при использовании в машиностроении обязательно подвергаются закалке (после которой может проводиться или не проводиться отпуск металла) и нормализации. Наиболее распространенными являются стали обыкновенного качества. Их поставляют в виде проката. По способу раскисления конструкционные стали делят на:

• Кипящие – их раскисляют с помощью марганца. Это обычно низкоуглеродистые стали, качественные или обыкновенного качества.
• Спокойные – для их раскисления используют марганец, алюминий и кремний. Это и углеродистые, и легированные стали.
• Полуспокойные – раскисляют марганцем и алюминием. Такими бывают только углеродистые стали.

По назначению конструкционных углеродистых сталей их можно разделить на две большие группы: машиностроительные сплавы и строительные (также – арматурные) конструкционные стали.

Конструкционная углеродистая сталь. Марки

Когда понятны принципы, по которым формируется маркировка, запоминать определенные марки стали уже не нужно. Для маркировки конструкционных сталей используют буквы с цифрами, которыми зашифровывается содержание углерода и (в случае с легированными конструкционными сталями) количество определенных добавок. Конструкционная сталь обыкновенного качества маркируется буквами “Ст”, после которых идет цифра от 0 до 6. Чем выше эта цифра, тем выше содержание углерода и, соответственно, механические свойства стали данной марки. Например, в сталь марки Ст 30 добавлено 0,3% углерода, в Ст 10 – 0,1%. Никаких легирующих добавок в сталях этих марок нет. Марки качественной углеродистой конструкционной стали

Машиностроительные стали	Автоматные стали	Котельные стали
08, 10, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60	А12, А20, А30	20К

За цифрами, обозначающими содержание углерода, могут идти маленькие буквы (индекс), обозначающие способ раскисления конструкционной стали, например “кп”, что означает “кипящая сталь”, “пс” – это полуспокойная сталь и “сп” – спокойная сталь. Если ни один из этих индексов в марке не указан, значит это спокойная сталь. Если в химическом составе стали данной марки имеется повышенное содержание марганца, то между цифрами и индексом добавляют букву “Г”. Если сталь литая, это обозначается буквой “Л”. Если для усиления металла применялась термическая обработка – буквой “Т”. Повышенную коррозионную стойкость обозначают буквой “Д”. Иногда в самом начале маркировки добавляют одну из трех букв: “А”, “С”, “Ш”. Здесь “А” – это автоматная сталь, “С” — строительная, “Ш” – подшипниковая. Если на стали может осуществляться сварка, после марки ставят буквы “св”.

Преимущества и недостатки конструкционной углеродистой стали

Все преимущества таких сплавов проявляются в полной мере только после термической обработки изделий, изготовленных из стали. При этом чем выше температура, при которой происходит закалка, тем выше прочность итогового материала. После закалки изделия из конструкционной углеродистой стали обладают:

• усиленным сопротивлением пластическим деформациям;
• повышенной прокаливаемостью (хотя этот показатель лучше у легированной конструкционной стали);
• после закалки можно снизить риск возникновения трещин и коробления с помощью охлаждения металла в масле.

Но у углеродистой конструкционной стали имеются и недостатки:

• потеря сопротивления усталости и твердости под воздействием температуры;
• подверженность обратимой отпускной хрупкости;
• изменение структуры после таких методов обработки, как ковка и прокатка.

Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества

По определению, конструкционной называется сталь, применяемая для выпуска строительных и машиностроительных изделий, деталей и механизмов различного оборудования. В зависимости от содержания в стали различных химических элементов, сталь подразделяется на несколько видов и групп. Сегодня многие компании предлагают купить конструкционную сталь, используемую в соответствии с основными свойствами и техническими особенностями. В нашем случае мы будем рассматривать конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества.

Стали первой группы (Группа А — поставляемая по механическим свойствам и применяемая в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства):

Сталь Ст0	Сталь Ст1	Сталь Ст1кп	Сталь Ст1пс	Сталь Ст1сп	Сталь Ст2кп	Сталь Ст2пс
Сталь Ст2сп	Сталь Ст3кп	Сталь Ст3пс	Сталь Ст3Гпс	Сталь Ст3сп	Сталь Ст3Гсп	Сталь Ст4кп
Сталь Ст4пс	Сталь Ст4сп	Сталь Ст5пс	Сталь Ст5Гпс	Сталь Ст5сп	Сталь Ст6пс	Сталь Ст6сп

Стали второй группы (Группа Б — поставляемая по химическому составу и применяемая для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их кроме условий обработки определяется химическим составом):

Сталь БСт0	Сталь БСт1	Сталь БСт1кп	Сталь БСт1пс	Сталь БСт1сп	Сталь БСт2кп	Сталь БСт2пс
Сталь БСт2сп	Сталь БСт3кп	Сталь БСт3пс	Сталь БСт3сп	Сталь БСт3Гсп	Сталь БСт3Гпс	Сталь БСт4кп
Сталь БСт4пс	Сталь БСт4сп	Сталь БСт5пс	Сталь БСт5сп	Сталь БСт5Гпс	Сталь БСт6пс	Сталь БСт6сп

Стали третьей группы (Группа В — поставляемая по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке):

Сталь ВСт2кп	Сталь ВСт2пс	Сталь ВСт2сп	Сталь ВСт3кп	Сталь ВСт3пс	Сталь ВСт3Гпс	Сталь ВСт3сп
Сталь ВСт4кп	Сталь ВСт4пс	Сталь ВСт5пс	Сталь ВСт5сп	Сталь ВСт6пс	Сталь ВСт6сп

Общие сведения

Конструкционные углеродистые сплавы обыкновенного качества благодаря высоким техническим характеристикам при относительно небольшой цене пользуется популярностью во многих отраслях промышленности, в том числе машиностроении. Также востребован сплав в строительстве и хозяйственной сфере.

При производстве различных изделий, применяются разные способы. Так, используя метод горячего или холодного проката получают листовые и профилированные изделия.

Листовые изделия могут быть:

• Тонко или толстолистовыми;
• Широкополосными;
• В виде лент;
• В виде проволоки;
• Другими металлическими изделиями.

Технология обжима предполагает получение:

• Заготовок с квадратным сечением (блюм);
• Полупродукта с прямоугольным сечением (сляб);
• Плоских заготовок из конструкционной углеродистой стали (сутунка) и другие.

Также, в зависимости от назначения изделия, применяется ковка, непрерывное литье, штамповка. При производстве слитков применяют отливку.

Физические показатели

Главные показатели, характерные для стальных сплавов обыкновенного качества, имеют следующий вид:

• При проверке на сжатие/растяжение Коэффициент Пуансона составляет порядка 0,24-0,28;
• Модуль продольной упругости (Юнга) для сталей обыкновенного качества составляет 20500 кг/мм2;
• Еще одним показателем, характеризующим степень упругости углеродистой конструкционной стали является модуль сдвига. Для сталей рассматриваемого вида он составляет 8100 кг/мм2;
• Плотность. В зависимости от системы исчисления составляет: 7800 кг/м3 в системе СИ, 7,8 г/см3 в системе СГС и 796 тем/м3 в системе МКСС;
• Допускаемое напряжение для конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества составляет 14 кг/мм2, как на сжатие, так и на растяжение.