Маркировка углеродистых конструкционных сталей

Маркировка углеродистых конструкционных сталей кажется набором случайных букв и цифр, но на деле это компактный код: по нему сразу видно, к какой группе относится сталь, сколько в ней углерода и чего ждать от прочности, твёрдости и свариваемости. Путаница чаще всего в том, что в одних марках цифра означает условный номер, а в других - прямое содержание углерода. Ниже разберём обе системы маркировки по ГОСТ 380 и ГОСТ 1050, расшифруем индексы степени раскисления, покажем, как углерод управляет свойствами, и где студенты ошибаются. Чтобы сразу увидеть связь марки и свойств, покрути калькулятор: выбери марку или задай содержание углерода, и он пересчитает прочность, твёрдость, пластичность и углеродный эквивалент.

Две системы маркировки: Ст и Сталь

Углеродистые конструкционные стали делятся на две большие группы, и у каждой своя логика маркировки.

Сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380) обозначается буквами Ст и условным номером от 0 до 6: Ст0, Ст1, ... Ст6. Здесь цифра - это не процент углерода, а условный номер марки: чем он больше, тем выше содержание углерода и прочность, но тем ниже пластичность. Например, у Ст3 углерода около 0,14-0,22 %, а у Ст6 уже 0,38-0,49 %. Перед номером могут стоять буквы группы поставки (А, Б, В), а после - индекс раскисления.

Качественная конструкционная сталь (ГОСТ 1050) обозначается словом Сталь и двузначным числом: Сталь 08, Сталь 20, Сталь 45, Сталь 60. Вот здесь число - это уже среднее содержание углерода в сотых долях процента: Сталь 45 содержит около 0,45 % углерода, Сталь 20 - около 0,20 %. Это самое важное правило: чтобы получить долю углерода, число марки делят на 100.

Рассчитать для своей задачи

Что означают цифры в марке

Главный источник ошибок - смешение двух правил для цифр. Разведём их явно:

• В марке Ст3 цифра 3 - это условный номер группы по ГОСТ 380. Содержание углерода в ней не равно 3 % (такого в конструкционных сталях не бывает) и даже не 0,3 %; оно лежит в диапазоне марки и берётся из таблицы стандарта.
• В марке Сталь 45 число 45 - это содержание углерода: $C = 45/100 = 0{,}45$ %. Это прямой пересчёт, без таблиц.

То есть для Ст-сталей цифра растёт вместе с углеродом, но не равна ему, а для Сталь-сталей цифра и есть углерод в сотых процента. Калькулятор выше учитывает оба правила: при выборе Ст3 он подставляет типичное содержание углерода группы, а при выборе Сталь 45 берёт число напрямую.

Индексы раскисления: кп, пс, сп

После номера марки часто стоит индекс, показывающий степень раскисления - то, насколько полно из стали удалён кислород при выплавке:

• кп - кипящая сталь, раскислена слабо, дешёвая, но менее однородная и хуже работает при низких температурах.
• пс - полуспокойная, промежуточный вариант по раскислению и цене.
• сп - спокойная, раскислена полностью, самая однородная и качественная.

Так марка Ст3пс читается как сталь обыкновенного качества группы 3, полуспокойная. Для Сталь-сталей по ГОСТ 1050 спокойную сталь индекс сп обычно не пишут (она спокойная по умолчанию), а кипящую и полуспокойную помечают: Сталь 08кп, Сталь 10пс.

Рассчитать для своей задачи

Как углерод влияет на свойства

Содержание углерода - главный рычаг свойств углеродистой стали. С его ростом увеличиваются прочность $\sigma_в$ и твёрдость $HB$, но падают пластичность (относительное удлинение $\delta$) и ударная вязкость. Для оценок в задачах удобны простые линейные приближения для нормализованного состояния:

$\sigma_в \approx 200 + 820 \cdot C \ \text{(МПа)}, \qquad HB \approx 75 + 230 \cdot C,$

где $C$ - содержание углерода в процентах. Предел текучести составляет примерно $\sigma_т \approx 0{,}55\,\sigma_в$, а относительное удлинение убывает как $\delta \approx 33 - 38\cdot C$ процентов. Это объясняет выбор марок: малоуглеродистые Ст3 и Сталь 20 идут на сварные конструкции и детали, которым нужна вязкость, а среднеуглеродистая Сталь 45 - на валы и оси, где важнее прочность и возможность закалки.

Рассчитать для своей задачи

Углеродный эквивалент и свариваемость

Чем больше углерода, тем хуже сталь сваривается: при остывании шва растёт риск закалочных трещин. Чтобы оценить свариваемость одним числом, считают углеродный эквивалент по формуле Международного института сварки:

$C_Э = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}.$

Для простой углеродистой стали легирующих почти нет, и формула сводится к $C_Э = C + Mn/6$. Принимая типичный марганец $Mn = 0{,}6$ %, получаем удобный ориентир. Сталь с $C_Э \le 0{,}35$ варится без ограничений, при $0{,}35 < C_Э \le 0{,}45$ нужен подогрев, а выше $0{,}45$ сталь считается трудносвариваемой. Поэтому Ст3 и Сталь 20 - основной материал сварных металлоконструкций, а Сталь 45 и Сталь 60 сваривают редко и с предосторожностями. Калькулятор показывает углеродный эквивалент на шкале и сразу даёт вердикт по свариваемости для выбранной марки.

Частые ошибки

• Считать цифру в Ст3 процентом углерода. Для сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380) цифра - условный номер группы, а не содержание углерода. Долю углерода берут из таблицы стандарта.
• Не делить число марки Сталь на 100. В Сталь 45 углерода 0,45 %, а не 45 %. Забыв про сотые доли, получают абсурдные значения состава.
• Игнорировать индекс раскисления. кп, пс, сп - это не марки, а степень раскисления; от неё зависят однородность и хладостойкость, путать их нельзя.
• Путать ГОСТ 380 и ГОСТ 1050. Ст относится к стали обыкновенного качества, Сталь - к качественной конструкционной. У них разные системы обозначений и разное назначение.
• Считать углеродный эквивалент только по углероду. Даже у углеродистой стали марганец заметно повышает $C_Э$; пренебрегая им, занижают оценку и недооценивают риск трещин.

FAQ

Что означает цифра в марке Сталь 45? Это среднее содержание углерода в сотых долях процента: $45/100 = 0{,}45$ %. Сталь 45 - среднеуглеродистая качественная конструкционная сталь по ГОСТ 1050, применяется для валов, осей и шестерён.

Чем Ст3 отличается от Стали 20? Ст3 - сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380), где цифра 3 - условный номер; Сталь 20 - качественная (ГОСТ 1050) с 0,20 % углерода и более жёстким контролем примесей. По углероду они близки, но качественная сталь чище по сере и фосфору.

Как по марке понять, сваривается ли сталь? Прикиньте содержание углерода и посчитайте углеродный эквивалент $C_Э = C + Mn/6$. Если $C_Э \le 0{,}35$, сталь варится без ограничений; выше 0,45 - нужен подогрев и термообработка шва. Малоуглеродистые Ст3 и Сталь 20 свариваются легко.

Коротко

Маркировка углеродистых конструкционных сталей строится на двух системах: Ст с условным номером 0-6 по ГОСТ 380 для стали обыкновенного качества и Сталь с числом, равным содержанию углерода в сотых процента, по ГОСТ 1050 для качественной. Индексы кп, пс, сп задают степень раскисления. С ростом углерода прочность и твёрдость растут по $\sigma_в \approx 200 + 820\,C$, а пластичность и свариваемость падают; быстро оценить последнюю помогает углеродный эквивалент $C_Э = C + Mn/6$.