Содержание углерода и свойства стали: углеродная лестница

Лестница вкратце

Диапазон углерода	Характер	Типичное применение
Очень низкий — менее 0.10%	Мягкая, чрезвычайно формуемая, сваривается без мер предосторожности	Лист для глубокой вытяжки, полоса, проволока, заклёпки; стали со сверхнизким содержанием внедрённых атомов (IF) находятся в нижней части этого диапазона
Низкий — 0.10–0.25%	Свариваемая конструкционная рабочая лошадка: хорошая пластичность, умеренная прочность, ограниченная реакция на закалку	Конструкционные профили и лист (территория S235–S355), трубы, общее изготовление
Средний — 0.25–0.60%	Сильно реагирует на закалку и отпуск; диапазон для машиностроения	Валы, шестерни, оси: C45/1045 при примерно 0.45%, 4140 при примерно 0.40%
Высокий — 0.60–1.00%	Пружины, изнашиваемые детали и режущие кромки; сварка становится специализированной процедурой	Пружинные стали (примерно 0.5–0.8%), рельсовые стали, проволочные канаты, ножи
Очень высокий — более 1.00%	Максимальный объём карбидов и твёрдость после закалки; хрупкая без тщательного отпуска	Инструментальные и штамповые стали (D2 содержит примерно 1.5%), напильники, дорожки подшипников при примерно 1.0%

Что контролирует углерод

Потолок твёрдости. Углерод задаёт максимальную твёрдость, которой сталь может достичь при полной закалке. Зависимость сначала крутая, затем насыщается: сталь с примерно 0.20% углерода достигает в лучшем случае примерно 45 HRC, тогда как сталь с примерно 0.60% углерода может достичь середины 60-х HRC. За пределами примерно 0.6–0.8% дополнительный углерод добавляет износостойкие карбиды, а не более высокую твёрдость.

Глубина закалки — это другой вопрос. Как глубоко проникает эта твёрдость — прокаливаемость — обеспечивается марганцем, хромом, молибденом или следами бора, а не углеродом. Путать эти два понятия — классическая ошибка в спецификации: высокоуглеродистая нелегированная сталь может всё же размягчиться в нескольких миллиметрах под поверхностью толстого сечения.

Свариваемость движется в обратном направлении. По мере роста углерода зона термического влияния твердеет сильнее и трескается легче. Отрасль выражает это через углеродный эквивалент, чаще всего по формуле IIW CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Стали с низким CE свариваются свободно; когда CE поднимается выше примерно 0.40–0.45, становятся необходимыми предварительный подогрев, контролируемое тепловложение и практика с низким содержанием водорода — именно поэтому конструкционные марки ограничивают углерод глубоко внутри низкого диапазона.

Вязкость и пластичность снижаются неуклонно по мере подъёма по лестнице: удлинение и энергия удара при заданной прочности наиболее высоки в низкоуглеродистых диапазонах, а высокоуглеродистые стали получают свою твёрдость ценой хрупкости, которую отпуск затем должен выкупить обратно.

Выбор ступени

Рабочее правило — покупать не больше углерода, чем расходует применение. Сварные конструкции остаются низкими; детали, которые будут закалены насквозь и отпущены, живут в среднем диапазоне; только детали, оплачиваемые износом или сроком службы кромки — пружины, рельсы, инструменты — оправдывают высокие ступени и их затраты на изготовление. Названия марок часто прячут ответ внутри: в обозначениях, таких как C45, 1045 или S45C, число — это номинальное содержание углерода в сотых долях процента.