51. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей.
В составе реальной углеродистой стали кроме железа и углерода содержится ряд постоянных (неизбежных) примесей (кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, водород, азот и др.), которые оказывают большое влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью их удаления при выплавке (Р,S) или переходом их в сталь при раскислении (Si, Mn). Газы неизбежно попадают в сталь в процессе плавки. Кроме этих постоянных примесей в стали могут присутствовать случайные примеси (Cr, Ni – из металлического лома, As, Cu и др. – из руды).
Рассмотрим влияние углерода на свойства стали в равновесном состоянии (после медленного охлаждения). Структура такой стали состоит из двух основных фаз – феррита и цементита. В доэвтектоидной стали феррит находится в виде самостоятельной структурной составляющей (в виде зерен) и в составе перлита (в пластинчатом перлите в виде пластинок, в зернистом – в виде матрицы). Цементит в перлите имеет вид дисперсных частиц пластинчатой или округлой формы. В заэвтектоидной стали феррит находится в составе перлита, а цементит –
к
ак
в составе перлита, так и в виде
самостоятельной структурной составляющей
– в виде сетки или глобулей. Таким
образом, количество цементита
увеличивается с повышением содержания
углерода в стали.
А так как цементит представляет собой твердую (НВ800) и хрупкую структурную составляющую, то увеличение его количества повышает твердость и предел прочности и уменьшает пластические характеристики (δ и ψ) и вязкость стали (рис.53). При содержании в стали 1…1,2%С прочность ее начинает падать, хотя твердость продолжает возрастать. Это объясняется влиянием свободного цементита, выделяющегося при медленном охлаждении в виде сетки по границам зерен.
Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости стали (температуру ее перехода в хрупкое состояние). Каждая десятая доля процента углерода повышает порог хладноломкости на 20˚С. При содержании углерода 0,4% порог хладноломкости равен 0оС. При большей концентрации углерода порог хладноломкости достигает 20оС, и сталь становится менее надежной в
работе.
Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. Прочность возрастает по мере увеличения содержания углерода и достигает максимума при 0,4%С, после чего становится нестабильной из-за хрупкого разрушения стали.
Содержание кремния в углеродистой стали обычно ограничивается величиной 0,4%,а марганец содержится в пределах 0,3-0,8%. Оба они вызывают полезное влияние, являясь раскислителями. Марганец при содержании в этих пределах повышает прочность стали, не снижая пластичности, уменьшает вредное влияние серы и кислорода. Кремний тоже повышает прочностные характеристики и в первую очередь – предел текучести, поэтому в сталях, предназначенных для холодной вытяжки, его количество ограничивают.
Сера является вредной примесью, содержание ее сильно ограничивают: у рядовых сталей ее должно быть не более 0,06%, а у высококачественных – не более 0,025%. Сера образует с железом химическое соединение FeS, которое при кристаллизации выделяется в виде
легкоплавкой эвтектики Fe – FeS (tпл=988˚С) по границам зерен. При горячей обработке давлением или других операциях, связанных с нагревом выше этой температуры, эвтектика расплавляется, и связь между зернами утрачивается. Это явление называют красноломкостью.
Вредное действие серы нейтрализуется присутствием марганца, который связывает ее в тугоплавкое соединение MnS. Но при большом количестве включения MnS снижают пластичность и вязкость стали.
Фосфор является вредной примесью, так как сильно снижает пластичность и вязкость, и допускается в сталях обыкновенного качества до 0,08%, а в высококачественных - не более 0,025%. К тому же каждая десятая доля процента Р повышает порог хладноломкости на 20-25˚С.
Газы (кислород, азот, водород) находятся в стали частично в растворенном состоянии и в виде хрупких неметаллических включений – оксидов, нитридов. Водород в стали находится в растворенном состояниии и охрупчивает ее. Количество газов в стали в нормативнотехнической документации обычно не регламентируется в связи с трудностью его определения и уникальностью оборудования для таких анализов, но разработчиками технологии производства сталей и сталеплавильщиками принимаются все меры для уменьшения их содержания в металле.