Влияние углерода на свойства стали

Урок показывает, как содержание углерода — главный рычаг свойств стали — управляет прочностью, твёрдостью и пластичностью.

Углерод в стали — основной упрочняющий элемент: повышает прочность и твёрдость, но снижает пластичность и вязкость.

В стали углерода обычно меньше процента, но именно он определяет класс: от мягкой штамповочной до твёрдой инструментальной. Понимание этой зависимости — ключ к выбору марки.

Зачем это инженеру

Кузовной лист, рельс и резец сверла — это всё сталь, но с разным углеродом. Зная зависимость, инженер выбирает марку под задачу: мягкую для гибки, твёрдую для режущего инструмента.

Как растут свойства

С ростом углерода увеличивается доля твёрдого перлита (и цементита) за счёт мягкого феррита. Прочность и твёрдость растут, пластичность падает. Грубую оценку прочности по доле перлита можно дать линейной моделью смеси феррита и перлита по их собственным прочностям.

$$ \sigma_в \approx W_ф\,\sigma_ф + W_п\,\sigma_п $$

Как работает под капотом

Доля перлита для доэвтектоидной стали растёт почти линейно от 0 (при 0,02 % C) до 100 % (при 0,8 % C). Посчитаем прочность для нескольких марок, взяв $\sigma_ф\approx300$ МПа и $\sigma_п\approx900$ МПа.

sigma_ferrite = 300.0   # МПа
sigma_pearlite = 900.0  # МПа

for C in (0.10, 0.20, 0.45, 0.80):
    Wp = (C - 0.02) / (0.80 - 0.02)   # доля перлита
    Wp = max(0.0, min(1.0, Wp))
    Wf = 1 - Wp
    sigma = Wf * sigma_ferrite + Wp * sigma_pearlite
    print("C =", C, "%  ->  перлит", round(Wp*100),
          "%,  σв ~", round(sigma), "МПа")

Вывод:

C = 0.1 %  ->  перлит 10 %,  σв ~ 362 МПа
C = 0.2 %  ->  перлит 23 %,  σв ~ 438 МПа
C = 0.45 %  ->  перлит 55 %,  σв ~ 631 МПа
C = 0.8 %  ->  перлит 100 %,  σв ~ 900 МПа
C = 0.1 %  ->  перлит 10 %,  σв ~ 362 МПа

Прочность выросла почти в 2,5 раза при увеличении углерода с 0,1 до 0,8 %. Но одновременно упала пластичность — высокоуглеродистая сталь уже плохо гнётся.

Углерод влияет не только на прочность, но и на технологические свойства. С его ростом ухудшается свариваемость (в шве легко возникает хрупкий мартенсит), снижается пластичность при обработке давлением, но улучшается обрабатываемость резанием у средних сталей и резко растёт способность принимать закалку. Поэтому сталь выбирают не по «чем прочнее, тем лучше», а по балансу: для глубокой вытяжки кузовной детали нужна сталь с 0,05–0,1 % C, для вала — около 0,4 %, для пружины — 0,6–0,7 %, для режущего инструмента — выше 0,8 %. Содержание углерода фактически задаёт «амплуа» стали в конструкции, и понимание этой связи экономит дорогие ошибки выбора марки.

Частые ошибки

Считать «чем больше углерода, тем лучше» — растёт хрупкость, падает свариваемость.
Игнорировать, что выше 0,8 % C появляется хрупкий цементит по границам зёрен (заэвтектоидные стали).
Забывать про вредные примеси (серу, фосфор), которые тоже влияют на свойства.

Итоги

Углерод — главный упрочнитель стали.
Рост углерода увеличивает прочность и твёрдость, снижает пластичность.
Свойства можно грубо оценить через доли феррита и перлита.
Высокий углерод ухудшает свариваемость и вязкость.