До настоящего времени около 90 % промышленных деталей изготавливаются из углеродистой стали. Характерной особенностью стали как конструкционного материала является высокий модуль упругости, который практически структурно-нечувствителен, в то время как все остальные свойства сильно зависят от структуры и могут быть изменены термической обработкой. Основным элементом, от которого зависят свойства углеродистых сталей, является углерод.

Углерод очень резко повышает прочностные свойства при одновременном понижении пластичности и вязкости (рис. 7.1). Это объясняется торможением цементитными включениями движения дислокации в феррите. Естественно, что тормозящая роль тем больше, чем больше количество цементита, которое увеличивается с увеличением количества углерода в стали. С увеличением количества углерода верхний порог хладноломкости стали резко смещается в область более высоких температур.

Термическая обработка положительно влияет на структуру перлита. После нее вместо пластинчатого перлита получают перлит с глобулярной формой цементитных частиц, что повышает вязкость стали. Вязкость зернистого перлита выше, чем пластинчатого, по той причине, что образующиеся в цементите трещины не могут распространяться на большие расстояния, так как попадают в пластическую ферритную матрицу (рис. 7.2).

Углерод влияет также и на другие физические свойства стали: с повышением количества углерода увеличиваются электросопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость.

По концентрации вредных примесей углеродистые стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные стали. В сталях обыкновенного качества количество вредных примесей повышенное: серы до 0,06 %, фосфора до 0,08 %. В качественных сталях допускается серы не более 0,04 %, фосфора – 0,035…0,04 %. ‘

Углеродистые стали обыкновенного качества делятся на три группы: А, Б и В.

Сталь изготавливают следующих марок:

группа А:          Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;

группа Б:          БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4. БСт5, БСт6;

группа В:          ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Буквы Ст в марке означают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки. Буквы Б и В перед обозначением марки означают группу стали (группа А в обозначении марки не указывается).

Для обозначения степени раскисления стали после номера марки добавляют индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная.

Детали из сталей обыкновенного качества чаще используются без термической обработки. Однако термическая обработка и для этих сталей позволяет повысить их свойства и достичь существенной экономии металла. Весьма перспективна высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) сталей обыкновенного качества.

Большое количество углеродистой стали используется для специального назначения: для изготовления мостов, судовых корпусов, деталей топок, котлов, железнодорожных рельсов, колес и осей вагонов.

Углеродистые конструкционные стали качественные от сталей обыкновенного качества отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узкими пределами. Качественные конструкционные стали маркируются двузначными числами, которые показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например: 08, 10, 15 и т.д. до 85 (соответственно 0,08 % С; 0,10 % С; 0,15…0,85 % С). Низкоуглеродистые стали могут быть спокойными или кипящими.

К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1 %). Такие стали имеют в конце марки букву Г.

Качественные конструкционные стали подразделяются на:

1. низкоуглеродистые стали высокой пластичности и малой прочности (марки 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г…25Г). Эти стали применяются для различных малонагруженных деталей (кулачковых валиков, осей, втулок, шестерней), изготавливаемых штамповкой, сваркой, обработкой резанием. Термическая обработка значительно повышает прочность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл;

2. среднеуглеродистые стали с содержанием 0,3…0,55 % углерода. Применяются после нормализации, улучшения, закалки ТВЧ и низкого отпуска (в зависимости от требуемых свойств). Из этих сталей изготавливаются валы, шестерни, шатуны, шпиндели и т.д.;

3. углеродистые конструкционные стали высокой прочности, износостойкие и с высокими упругими свойствами содержат углерода от 0,6 до 0,85 %. После закалки и отпуска, закалки ТВЧ детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных; нагрузок. Но детали из этих сталей обладают пониженной вязкостью.

Основным недостатком углеродистых сталей является малая прокаливаемость, вследствие чего улучшение свойств после упрочняющей термообработки может быть достигнуто только в деталях малых сечений.

Недостатком многих углеродистых сталей является склонность к росту аустенитного зерна (сильная чувствительность к перегреву или термической обработке). Кроме того, необходимость использования при закалке резких охладителей может приводить к повышенному браку. Поэтому в машиностроении углеродистые стали обычно используются для изготовления простых деталей небольшого сечения.