Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).
Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные. Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллитные (межзеренные) связи.
В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет 0,05—0,50%, но может достигать 1% и более (теоретически до 2,14%). В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3—0,6%) и кремний (0,15—0,3%). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента.
Полезные примеси: В первую очередь, это кремний и марганец.
- Марганец: Благодаря марганцу в стали повышается прокаливаемость, а вредное воздействие серы, наоборот, понижается.
- Кремний: повышает прочность стали, раскисляя ее.
И фосфор, и кремний вводится в сталь специально при выплавке.
Вредные примеси: К вредным примесям относятся сера и фосфор.
- Сера: Влияние серы отрицательно сказывается на пластичности и вязкости стали. Сталь становится красноломкой при ковке и прокатке. Но сера может влиять на сталь и положительно. Она придает стали свойства, более оптимальные для обработки. Поэтому, в некоторых случаях, содержание серы все же допустимо (но только в автоматических сталях неответственного назначения). В стали сера появляется из чугуна.
- Фосфор: Негативное влияние фосфора сказывается на пластичности стали. Это связано с тем, что тип кристаллической решетки заметно фосфора заметно отличается от стали. Фосфор содержится в руде, из которой выплавляют сталь.
Отрицательно сказываются на качестве стали и такие газы, как кислород, азот и водород.
- Кислород: уменьшает вязкость и пластичность стали.
- Азот: Имеет аналогичное действие.
- Водород: вызывает хрупкость стали.
Эти примеси могут попадать в сплав из природных соединений (руд), например, сера и фосфор; из металлического лома - хром, никель и др.; в процессе выплавки и раскисления - углерод, кремний и марганец. Углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода в сталях возрастают твердость, прочность и уменьшается пластичность. Сера является вредной примесью. Она образует легкоплавкую эвтектику FeS + + Fe, которая при кристаллизации сплава располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, что приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит название красноломкости.
Содержание серы должно быть менее 0,06 %. Фосфор ухудшает пластические свойства сплава, вызывая явление хладноломкости. Его содержание в стали не должно превышать 0,08 %.
Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке и в процессе раскисления. Кремний повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости. Кремний способствует графитизации чугуна. Марганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность феррита.
Стали классифицируются по химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу классифицируют главным образом конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные стали делят на углеродистые и легированные.
По качеству различают стали общего назначения, качественные, высококачественные и особовысококачественные, в последнем случае в маркировке указывается способ выплавки и последующей обработки стали. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства.
Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми количественно трудноопределяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству.
Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные -не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
Условные обозначения химических элементов:
азот (N) - А
алюминий (Аl) - Ю
бериллий (Be) - Л
бор (B) - Р
ванадий (V) - Ф
висмут (Вi) - Ви
вольфрам (W) - В
галлий (Ga) - Гл
иридий (Ir) - И
кадмий (Cd) - Кд
кобальт (Co) - К
кремний (Si) - C
магний (Mg) - Ш
марганец (Mn) - Г
свинец (Pb) - АС
медь (Cu) - Д
молибден (Mo) - М
никель (Ni) - Н
ниобий (Nb) - Б
селен (Se) - Е
титан (Ti) - Т
углерод (C) - У
фосфор (P) - П
хром (Cr) - Х
цирконий (Zr) - Ц
Углерод находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость.
Кремний, если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость против окисления при высоких температурах.
Марганец, как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. Однако марганец образует с железом твердый раствор и несколько повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. При высоком содержании марганца сталь приобретает исключительно большую твердость и сопротивление износу.
Сера является вредной примесью.
Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, - свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%.
Увеличение хрупкости стали при повышенном содержании серы используется иногда для улучшения обрабатываемости на станках, благодаря чему повышается производительность при обработке.
Фосфор также является вредной примесью. Он образует с железом соединение Fe3P, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки. Обычно они располагаются по границам зерен стали, резко ослабляя связь между ними, вследствие чего сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость). Особенно сказывается отрицательное влияние фосфора при высоком содержании углерода. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.