7.2. Влияние углерода на свойства стали

Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. После медленного охлаждения структура стали состоит из двух фаз: феррита и цементита.

Феррит – мягкий и пластичный, а цементит – твердый и хрупкий. Количество цементита увеличивается пропорционально концентрации углерода. По мере повышения содержания углерода увеличиваются прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Влияние углерода на механические свойства стали

после охлаждения на воздухе

Снижение предела прочности в сталях, содержащих С>0,9 %, объясняется следующим. Эти стали являются заэвтектоидными и имеют структуру П+Ц_II. Вторичный цементит чаще всего располагается по границам зерен в виде сплошной сетки (рис. 7.2).

При приложении к этой стали нагрузки ее сначала воспринимает цементитная сетка. Так как цементит очень хрупкий, то при небольших нагрузках эта сетка разрывается и происходит снижение предела прочности.

Кроме снижения ударной вязкости углерод заметно повышает порог хладноломкости и расширяет тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние.

Рис. 7.2. Схема структуры

заэвтектоидной стали

С увеличением содержания углерода снижается плотность стали, увеличивается электрическое сопротивление и уменьшается теплопроводность.

Углерод также изменяет и технологические свойства стали. При увеличении содержания углерода снижается способность сталей деформироваться в горячем, а особенно в холодном состоянии. Ухудшается свариваемость стали. Наилучшей обрабатываемостью резанием обладают среднеуглеродистые стали (С0,4 %).

7.3. Влияние постоянных примесей на свойства стали

Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, сера и фосфор.

Марганец является полезной примесью. Он вводится в сталь для раскисления. Раскисление – это процесс удаления из жидкого металла кислорода. После раскисления в стали остается 0,3…0,8 % марганца. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы и повышает прочность стали, практически не снижая пластичности, если его не более 0,8 %.

Кремний также полезная примесь. Он вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4 %. Кремний значительно повышает предел текучести и упрочняет сталь, но при этом снижает пластичность и вязкость.

Сера – вредная примесь. Она вызывает красноломкость стали, то есть хрупкость при горячей обработке давлением. С железом сера образует химическое соединение FeS. Это соединение образует с аустенитом эвтектику, которая имеет низкую температуру плавления –988 С. Эвтектика располагается по границам зерен. При горячей деформации в местах расположения эвтектики появляются трещины или надрывы [1].

От красноломкости сталь предохраняет марганец. Он связывает серу в сульфид марганца MnS, исключающий образование легкоплавкой эвтектики. Но сульфид марганца, как и другие неметаллические включения, снижает пластичность и вязкость стали. Поэтому содержание серы в стали строго ограничивают.

Фосфор также является вредной примесью. Он растворяется в феррите и упрочняет его, но повышает порог хладноломкости. Каждая 0,01 % P повышает порог хладноломкости на 20…25 С. Хрупкость стали, вызванная фосфором, увеличивается с увеличением содержания в ней углерода. Современные методы производства стали не дают возможности полного их очищения от фосфора.

Азот и кислород находятся в стали в виде оксидов, твердого раствора или в свободном виде располагаются в раковинах, трещинах и т.п. Концентрируясь по границам зерен, азот, кислород и их соединения повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Растворенный в стали водород делает сталь очень хрупкой. Применяемая выплавка или разливка стали в вакууме снижает содержание водорода в стали.