Влияние углерода на свойства стали

Механические свойства стали зависят от наличия углерода в ее составе. Углерод в стали дает возможность изменять эти свойства и использовать ее в производстве в соответствии с показателями прочности и пластичности. При должных условиях цементация металла может пройти качественно и наделить сталь новыми полезными свойствами.

Изменение структуры при добавлении углерода

Показатели прочности и пластичности зависят от структуры и ее изменений при увеличении содержания углерода.

При доле до 0,2% образуется феррит и третичный цементит, дальнейшее увеличение приводит к образованию эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Значение показателя перлита постепенно повышается и при углероде 0,8% содержится только перлит. Если содержание более 0,8% появляются иглы вторичного цементита и перлит.

Образование цементита происходит до 2% углерода, при этом снижается прочность из-за хрупкости цементитной сетки по границам перлитных зерен. При превышении этого значения формируется эвтектическая смесь.

Новые свойства и преимущества сплава

Углерод в составе стали дает ей дополнительные преимущества, прежде всего это:

  • достаточная твердость поверхностного слоя и относительная мягкость внутреннего слоя;
  • хорошая обрабатываемость;
  • долговечность;
  • доступная цена.

С увеличением доли углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность, следовательно, чем его больше, тем труднее процесс обработки резанием, хуже показатели деформации и сваривания. Исходя из этого выделяют следующие виды стали:

  1. Низкоуглеродистые, с долей менее 0,25%. Они достаточно пластичны, легко поддаются деформации и обработке.
  2. Среднеуглеродистые, с долей 0,3-0,6%. Этот вид также пластичен, имеет средний показатель прочности.
  3. Высокоуглеродистые, с долей 0,6-2%. С низкой вязкостью и высоким показателем прочности. Сварка производится только с предварительным разогревом до 225 градусов.
влияние углерода на свойства стали фото

Помимо основных механических свойств, увеличение содержания углерода дает повышение порога хладноломкости.

Применение углеродистой стали

Сферы применения зависят от механических свойств, и, следовательно, от того, сколько углерода в стали. С показателем 0,7-1,3% углеродистую сталь используют для изготовления режущих и ударных инструментов. Маркируют их буквой «У», последующая цифра характеризует долю, например, У13. Чем выше показатель, тем больше влияние углерода на механические свойства стали.

Низкоуглеродистые стали разделяют на подгруппы в зависимости от назначения:

  1. Низкоуглеродистые: 05, 08, 10. Благодаря своей пластичности используются в холодной штамповке для изготовления шайб, прокладок, кожухов и иных деталей.
  2. Низкоуглеродистые: 15, 20, 25. Такое значение углерода в составе стали дает повышенную твердость и достаточный задел вязкости, применяются для изготовления деталей малого размера (кулачков, толкателей, малонагруженных шестерней).
  3. Среднеуглеродистые: 30, 35, 40, 45, 50, 55. Применяются для изготовления коленчатых валов малооборотных двигателей, зубчатых колес, маховиков – деталей, у которых работоспособность определяется сопротивлением усталости. Используют после нормализации и поверхностной закалки, которые повышают вязкость и пластичность, соответственно, улучшается показатель обрабатываемости.
  4. Высокоуглеродистые: 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для изготовления рессор, эксцентриков и пружин. Предварительно подвергаются закалке и среднему отпуску, что улучшает свойства упругости необходимые для изготавливаемых деталей.
  5. Котельные: 12К-22К. Используют для изготовления оборудования, эксплуатируемого при высоких температурах (сосуды и котлы для турбин и камер сгорания).
  6. Сталь автоматная. Нашла применение для изготовления крепежных изделий автомобилей в статических нагрузках (шпильки, гайки, болты).
что дает углерод в стали фото

Влияние других примесей

Как и углерод, иные химические элементы в составе стали влияют на ее механические свойства:

  • кремний – используется как активный раскислитель;
  • марганец – снижает влияние кислорода и серы, уменьшает стойкость к нагрузкам;
  • сера и фосфор – увеличивают показатель красноломкости, относятся к категории вредных примесей;
  • титан – улучшает показатели прочности и пластичности;
  • хром – повышает жаростойкость и стойкость к стиранию;
  • никель – улучшает вязкость и упругость;
  • медь – оказывает влияние на стойкость к коррозии.

Механические свойства стали полностью зависят от ее состава и наличия тех или иных примесей. Именно эти характеристики необходимо учитывать при применении стали в промышленном производстве. Некоторое негативное влияние содержания элементов можно снизить дополнительными методами улучшения – термическим упрочением поверхности (цементация) или добавлением антикоррозийной защиты, проще говоря – гальваника, покрытие которой увеличивает срок службы изделия.