Стали (углеродистые) являются многокомпонентными сплавами. Кроме основы - железа (от 97,0 до 99,5% Fe) и углерода (до 2,14%), имеются ряд примесей: Mn, Si, S, P, O, N, H и др.

Наличие Mn, Si обусловлено технологическими особенностями производства (попадают в сталь в процессе раскисления).

Наличие P, S, O, N, H обусловлено невозможностью полного удаления их из металла при выплавке.

Случайные примеси Ni, Cr, Cu и др. - попадают из легированного металлического лома.

Углерод вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания.

Т.о., углерод является основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава на основе железа.

2. Влияние углерода на свойства стали

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. В зависимости от содержания углерода она может иметь следующий вид:

< 0,8% C - Ф+П

0,81% C - П (100%)

> 0,81% C - П + ЦII.

Имея различную структуру, все стали состоят только из двух фаз: Ф и Ц.

Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода.

Феррит (Ф) - мягкая, пластичная фаза, твёрдость по Бринеллю - 80-90 НВ.

Цементит (Ц) - твёрдая и хрупкая фаза 1000-1100 НV (>800 НВ), (НВ и НV - близки по значению).

Технически чистое железо - мягкое, не содержит Ц или имеет ЦIII (его максимальное содержание в технически чистом железе может достигать - 0,29%).

В доэвтектоидных сталях появляется цементит входящий в перлит (Ф+Ц), следовательно твёрдость будет возрастать.

В эвтектоидной стили - цементита в перлите содержится 12%, остальное феррит.

В заэвтектоидной стали появляется ЦII - 20,4%, а также цементит входящий в перлит ~ 10%, т.о.всего его около 30%.

Следовательно, чем больше % С в стали, тем количество феррита уменьшается, а количество цементита увеличивается.

С увеличением в стали углерода возрастает твёрдость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Твёрдость линейно повышается с увеличением углерода (рис. 1).

Предел прочности (?В) до 0,8 - 0,9% С растёт линейно, при дальнейшем увеличении углерода, т.е.у заэвтектоидных сталей, происходит выделение избыточного цементита (ЦII) по границам бывшего зерна аустенита, образующего сплошную сетку (скорлупу) - очень твёрдую и очень хрупкую, что и приводит к снижению предела прочности (при растяжении в сетке возникают напряжения, приводящие к разрушению).

Относительное удлинение (?, %), относительное сужение (?, %) по мере увеличения углерода непрерывно снижаются (рис. 1).

Существенное влияние углерода на вязкие свойства. Ударная вязкость (KCU) характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению (распространению трещин).

Ударная вязкость (KCU) по мере увеличения содержания углерода до 0,6% резко снижается.

Рисунок 1.

Отступление:

Рисунок 2.

Чем больше ударная вязкость (KCU), тем более вязкий образец (металл).

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Влияние углерода на хладноломкость железа приведено на (рис. 3).

Каждая 0,1% С повышает температуру порога хладноломкости Тп.х. в среднем на 20?С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

Рисунок 3. Влияние углерода на хладноломкость железа

Температура перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 4):

Рисунок 4. Переход из вязкого в хрупкое состояние

Тп.х. - температура перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Порог хладноломкости - температурный интервал изменения характера разрушения от вязкого к хрупкому.

3. Влияние кремния и марганца

Кремний (Si) и марганец (Мn) переходят в сталь в процессе её раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т.е. соединяясь с кислородом закиси железа FeO, в виде окислов переходят в шлак:

2FeO + Si = 2Fe + SiO,

FeO + Mn = Fe + MnO.

Частично Si u Mn остаются в стали:

Si - 0,35 - 0,4%,

Mn - 0,5 - 0,8%.

Удаляя О2 - Si и Mn - повышают плотность металла (слитка).

Si - сильно повышает предел текучести, снижает пластичность (стали с высоким содержанием Si не годятся к глубокой, холодной вытяжке). Поэтому стали предназначенные для холодной штамповки и холодной высадки должны содержать минимальное количество Si.

Mn - заметно повышает прочность ?в, ?т, практически не снижая пластичности. Резко уменьшает красноломкость стали.

4. Влияние серы

Сера (S) является вредной примесью. Попадает в сталь из чугуна (из золы и руды).

Содержание серы:

S - 0,035 - 0,06% (0,018% S - качественная сталь). Сера образует с железом соединение FeS. Это соединение образуют с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления - Тпл = 988?С.

Наличие эвтектики вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. При нагреве до 1000-1200?С эвтектика, располагающая по границам зёрен, расплавляется и при деформации (ОМД) в стали возникают надрывы и трещины.

Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Тпл = 1620?С:

FeS + Mn > MnS + Fe.

Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали, т. к. разрушение металла идёт по сульфидным включениям (поэтому ударная вязкость металла (KCU) снижается) (рис. 5).

Рисунок 5. Влияние серы на вязкие свойства стали

Также сера снижает пластичность - ?, ?%.

Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.

5. Влияние фосфора

Фосфор (Р) является вредной примесью. Содержится в пределах 0,025-0,045% Р. Попадает в сталь в процессе производства из руды, топлива, флюсов.

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость.

Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали фосфора.

Фосфор значительно повышает порог хладноломкости.

Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости стали на 20 - 25?С (для углерода такое же влияние оказывает каждая 0,1%).

Фосфор обладает большой склонностью к ликвации (неоднородность распределения). Фосфор скапливается в серединных слоях слитка, по границам зёрен, сильно снижая ударную вязкость.

Фосфор (Р) - усиливает ковалентную (хрупкую) связь и ослабляет металлическую. С понижением температуры хрупкость металла увеличивается (хладноломкость) (рис. 6). Фосфор облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом (создавая хрупкость). Совместное присутствие в стали фосфора и меди (Р + Сu) - повышает сопротивление коррозии.

Рисунок 6. Влияние фосфора на хладноломкость стали (0,2% С, 1% Mn)

6. Влияние азота, кислорода и водорода

Кислород (О2): образует неметаллические включения оксиды - FeO, MnO, Al2O3, SiO2.

Азот (N2): образует нитриды - Fe4N, Fe2N, AlN.

Кислород и азот в свободном виде располагаются в раковинах, трещинах и др. Эти включения значительно уменьшают ударную вязкость, повышают порог хладноломкости и уменьшают пластичность, при этом повышается прочность стали (рис. 7).

Рисунок 7. Влияние примесей внедрения кислорода (а) и азота (б) на вязкие свойства железа

Водород (Н2): при затвердевании часть водорода в атомарном состоянии остаётся в стали. При переходе атомарного водорода в молекулярный повышается давление до 150 МПа, образуя эллипсовидные впадины - флокены, которые являются неисправимым браком. Флокены способствуют сильному охрупчиванию стали.

Частично удалить водород с поверхностного слоя можно путём нагрева до 150-180?С, лучше всего в вакууме ~ 10-2 - 10-3 мм. рт. ст. или нагрев до 800?С и выдержке, водород уходит и остаётся чистый металл.

7. Примеси цветных металлов

Примеси: Cu, Pb, Zn, Sb, Sn и др. Попадают в сталь в процессе переплавки бытового и машиностроительного лома. Их содержание невелико - сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди - Cu ? 0,1 - 0,2%).

Эти примеси оказывают незначительное влияние на механические свойства. При точных исследованиях выявлено, что они повышают порог хладноломкости. Например, каждая 0,01% примеси повышает порог хладноломкости на следующую величину: O2 - +15?C; N2 - + 10?C; C - +2?C; P - +7?C; Cu - +1?C; Sn - +30?C; Zn - +30?C; Sb - +20?C).

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.