Углеродистая и легированная сталь: состав, свойства, отличия, применение

Сталь была и остается основным конструкционным материалом практически во всех отраслях промышленности и строительства. Повсюду – от пищевых упаковок до аэрокосмической техники – встречается продукция, произведенная из разных марок стали, как углеродистой, так и легированной. Как разобраться в сложном мире стальной продукции и не ошибиться с выбором, вы узнаете из этой статьи.

Со своей стороны,  ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К» стремится максимально удовлетворять разнообразные запросы своих клиентов. Для удобства пользования каталогом вся номенклатура продукции разделена на популярные прокатные профили: горячекатаный лист, балки, трубы и другие виды металлопроката. Ознакомиться с полным ассортиментом можно на странице каталога продукции.

Начнем с общих определений и фактов, которые помогут понять, чем углеродистые стали отличаются от легированных.

Химический состав (примеси)

Как сплав железа (Fe) с углеродом (С), любая сталь содержит от 0,03 до 2% С, причем углерод выступает не в свободном, а в связанном состоянии (цементит). Здесь между углеродистыми и легированными сталями принципиальных различий нет. Все дело – в примесях.

Примеси подразделяют на технологически неизбежные и нежелательные. К первым относят марганец и кремний, ко вторым фосфор и – с оговорками – серу (этот химический элемент способствует улучшению механической обрабатываемости стали). Роль остальных добавок (например, меди или связанного азота) несущественна ввиду их малого количества в конечном продукте.

Углеродистые стали

Примеси в таких сталях не носят целенаправленного характера и являются скорее случайными. Их наличие обусловлено составом исходной руды или спецификой металлургического процесса плавки.

Марганец (Mn). Его массовая доля (как примеси) обычно составляет 0,8%...1,2%. Его получают из чугуна и ферромарганца, которые используются в качестве сырья для производства стали. Марганец является хорошим раскислителем и десульфуратором, в результате чего преобладающая часть продуктов реакции попадает в шлак и удаляется. При комнатной температуре марганец растворим в феррите, который в состоянии твердого раствора оказывает упрочняющее действие на сталь. Поэтому марганец считается полезной примесью.

Кремний (Si). Содержится в количестве менее 0,4%. Также образуется из чугуна и раскислителя, хорошо растворяется в феррите, упрочняя твердый раствор. Это увеличивает прочность, твердость и предел упругости горячекатаной стали, но снижает ее пластичность и ударную вязкость.

Сера (S). Привносится в сталь чугуном и топливом. В твердом состоянии растворимость серы в железе очень мала, поэтому данный элемент существует в форме сульфида FeS. Из-за плохой пластичности FeS хрупкость стали с большим количеством серы возрастает, что приводит к растрескиванию по границе зерен во время деформирующей обработки.

Mn и S образуют тугоплавкий MnS (с температурой плавления 1620°С), который распределяется в зернах. При высоких температурах этот сульфид обладает определенной пластичностью, позволяя избегать красноломкости стали.

Сера также плохо влияет на свариваемость стали, вызывая пористость шва после сварки. Поэтому массовая доля серы в качественной углеродистой стали не превышает 0,04–0,05% (в зависимости от марки).

Фосфор (Р) образуется из чугуна и - при нормальных условиях - полностью растворяется в феррите. Фосфор обладает сильным эффектом упрочнения твердого раствора, в результате прочность и твердость стали возрастают, а пластичность и ударная вязкость значительно снижаются. Охрупчивание отрицательно сказывается на эксплуатации стальных изделий, работающих при низких температурах.

Обычно массовая доля фосфора в стали должна быть менее 0,045%. Однако, когда содержание фосфора велико, коррозионная стойкость стали возрастает, особенно если она содержит также и медь.

Примесями считают также растворенные в структуре стали газы – азот, кислород и водород. При добавлении воздуха (в процессе выплавки) они поглощаются сталью, что отрицательно влияет на качество металла: сталь становится хрупкой, а ее стойкость к коррозии снижается. Кроме того, оксидные включения часто становятся источником усталостных трещин.

Прочие неметаллические включения в стали образуются вследствие ввода шихты, эрозионных и тугоплавких шлаков и огнеупорных материалов, а также дополнительных реагентов. Они разрушают сплошность металлической матрицы, увеличивают неоднородность структуры и серьезно влияют на свойства металла (например, увеличивают концентрацию напряжений и способствуют усталостному разрушению).

Легированные стали

Все, указанное выше, в основном справедливо и для легированных сталей, при условии, что дополнительные химические элементы не вводились туда преднамеренно. Отличия составляют:

Медь (Cu). При ее содержании в количестве более 1% повышается коррозионная устойчивость при эксплуатации легированных (не нержавеющих!) сталей в жидкостях, которые восстанавливают, а не окисляют.

Марганец (Mn). Повышает структурную устойчивость сталей аустенитного класса, что исключает трещинообразование при сварке.

Кремний (Si). Повышает коррозионную стойкость сталей аустенитного класса, а также устойчивость жаропрочных и жаростойких сталей от науглероживания.

Азот (N). Минимизирует размеры зерна в микроструктуре высокохромистых сталей, эксплуатируемых при повышенных температурах.

Фосфор (P), сера (S), селен (Se). Если хотя бы один из перечисленных элементов имеется в химсоставе сталей, содержащих молибден или цирконий, их обрабатываемость улучшается.

Прочие химические элементы, имеющиеся в составе легированных сталей, вводятся туда специально в количестве от 1% и примесями не считаются. Исключение составляет бор (В) – он является легирующей добавкой даже тогда, когда его массовая доля составляет менее 0,004%.

Классификация

Углеродистую сталь можно разделить на 4 группы в зависимости от процентного содержания углерода (см.табл.1):

Таблица 1 

Тип углеродистой стали	Процент углерода	Общая характеристика
Низкоуглеродистая/мягкая	до 0,30 %	Пластичная
Среднеуглеродистая	от 0,30% до 0,60%	Оптимальное сочетание прочности и пластичности
Высокоуглеродистая	от 0,60% до 1,40%	Высокая прочность
Сверхвысокоуглеродистая	до 2,1%	Весьма высокая твердость; хрупкость

Легированную сталь подразделяют на 5 категорий:

1. Хромистая: характеризуется коррозионной стойкостью и высокотемпературной прочностью;

2. Никелевая: прочная и пластичная; 

3. Молибденовая: известна своей износостойкостью и высокотемпературной прочностью;

4. Ванадиевая: прочная и устойчивая к усталостным нагружениям; 

5. Инструментальная: твердая и прочная. 

Выделяют также комплексно легированные стали, в состав которых входят четыре и более легирующих элемента.

Свойства углеродистых и легированных сталей

Сравним стали по их физико-механическим параметрам:

• Допускаемые усилия. Легированная сталь содержит такие металлы, как никель, хром и молибден. Поэтому она обладает исключительной текучестью и прочностью на разрыв. В углеродистой стали углерод является по сути единственным легирующим элементом. Поэтому ее прочность всегда ниже, чем у легированных сталей. Если легированные стали имеют предел прочности 960 МПа и более, то предел прочности обычных углеродистых сталей составляет 400–700 МПа (для высокоуглеродистых термически обработанных — до 1000 МПа).
• Твердость. Углеродистая сталь обладает умеренной твердостью. Повысить твердость можно лишь путем термообработки. Но даже тогда уровень твердости углеродистой стали всегда ниже, чем легированной. Уровень твердости последней определяет наличие и процент ванадия и вольфрама.
• Теплопроводность. Углеродистая сталь действительно имеет более высокую теплопроводность -  около 45 Вт/мК - и наоборот, теплопроводность легированной стали (за исключением жаропрочных и жаростойких марок) не превышает 40 Вт/мК. 
• Точка плавления. Существенной разницы в температурах плавления сталей нет. Например, легированная сталь плавится при температуре 1350…1500°С (в зависимости от состава), а углеродистая имеет температуру плавления 1425…1530°С.
• Коррозионная стойкость. При содержании хрома более 11…12%, он предотвращает ржавление стали. Но это также делает металл склонным к растрескиванию. Наоборот, все углеродистые стали при воздействии влаги уязвимы к коррозии. Поэтому такие сплавы подвергают защитной обработке или наносят поверхностные покрытия.
• Пластичность. С увеличением содержания углерода углеродистая сталь теряет пластичность. Напротив, легированная сталь часто имеет более низкое содержание углерода, и в этом случае показывает хорошую пластичность. 
• Стоимость. Рыночная цена углеродистой стали всегда ниже, чем легированной. Основной причиной этого является разница в сложности процесса производства: углеродистая сталь чрезвычайно проста при выплавке, а легированная более трудоемка.
• Технологичность. Из углеродистой стали гораздо легче изготавливать различные изделия, чем из легированной. Резка, гибка, сварка и механическая обработка углеродистой стали чрезвычайно просты, в то время как для изготовления или сварки деталей из легированных сталей требуются специальные машины и навыки.

Сопоставление приведенной выше информации облегчит пользователю выбор стали, соответствующей требованиям его проекта.

Применение

Углеродистая сталь в основном используется в строительстве, автомобиле- и машиностроении, сельском хозяйстве и производстве потребительских товаров. В отраслях, где не требуются высокие эксплуатационные характеристики, такая сталь получает преимущество, поскольку не обладает ни высокой прочностью, ни высокой твердостью, зато экономична и не требует особых затрат по своему приобретению. 

С другой стороны, поскольку легированная сталь дорогая, а ее прочность и коррозионная стойкость намного выше, чем у углеродистой стали, металл целесообразно использовать там, где качество чрезвычайно важно. Поэтому легированную сталь применяют в аэрокосмической, нефтегазовой, инструментальной и энергетической промышленности, а также при изготовлении медицинской и электронной техники.

ЗаключениеОсновные отличия углеродистой стали от легированной систематизированы в табл.2.

Таблица 2

Параметр	Углеродистая сталь	Легированная сталь
Химический состав	содержит преимущественно железо и углерод, с незначительным количеством других элементов	Для усиления определённых свойств ее намеренно легируют такими элементами, как марганец, никель, хром, молибден, ванадий и др.
Коррозионная устойчивость	Легко ржавеет и требует защитного покрытия	Нержавеющая легированная сталь обладает хорошей коррозионной устойчивостью
Прочность и ударная вязкость	Прочность варьируется в зависимости от содержания углерода	Обладает более высокой прочностью, ударной вязкостью и износостойкостью
Обрабатываемость и сварка	Легко сваривается и деформируется, особенно низкоуглеродистые марки	Обработка и сварка усложняются из-за склонности к трещинообразованию и высокой твердости
Стоимость и доступность	Дешевле и более доступна	Дороже, поэтому выбор должен быть экономически обоснован
Термообработка	Возможна не для всех марок	Демонстрирует лучшую закаливаемость

Компания ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К» всегда готова оказать квалифицированную помощь по выбору марки стали, которая наиболее полно удовлетворит пожелания заказчика.