БЛОК 4. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

4.1 Углеродистые и легированные стали

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14% называются сталями.

Легированными называются стали, в которые помимо углерода добавляются различные химические элементы.

Содержание легирующих элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – стали называются микролегированными.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того, меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обоснованно.

Достоинства легированных сталей:

- особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;

- улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям;

- легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;

- возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;

- повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки легированных сталей:

- подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;

- в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости;

- склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала, неоднородность, поэтому необходим диффузионный отжиг.

- склонны к образованию флокенов.

4.2 Влияние примесей на свойства стали

4.2.1 Постоянные примеси

В любой стали всегда присутствует ряд примесей, которые можно разделить на следующие группы.

Марганец. Содержание в стали 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая при этом пластичности, и резко снижает красноломкость (повышение хрупкости стали при высокой температуре) стали, вызванную влиянием серы.

Кремний. Содержание в стали 0,35…0,4 %. Кремний дегазирует метал и тем самым повышает плотность слитка. Растворяется в феррите и повышает прочность и предел текучести стали. Наблюдается некоторое снижение пластичности.

Фосфор. Содержание в стали 0,025…0,045 %. Фосфор способен растворяться в феррите, и тем самым искажать кристаллическую решетку. Это приводит к увеличению предела прочности и предела текучести, но снижается пластичность и вязкость, вызывает хладоломкость (повышение хрупкости стали при низкой температуре).

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участи имеют резко пониженную вязкость.

Сера. Содержание в стали 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна.

При взаимодействии с железом образует сульфид железа FeS, который в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 ^оС. При нагреве эвтектика плавится и заготовка разрушается.

Сера значительно снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а также предел выносливости. Она ухудшает коррозионную стойкость.

Основным способом борьбы с влиянием серы, является добавление в металл марганца, который образует с серой сульфид марганца, что значительно снижает ее влияние на сталь.

Азот и кислород находятся в виде хрупких неметаллических включений: оксидов (FeO, SiO₂, Al₂O₃), нитридов (Fe₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии. Они повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Могут значительно понизить предел выносливости и вязкости.

Очень вредным является растворенный в стали водород. Он приводит к образованию флокенов (тонких трещин овальной или круглой формы).

Водород из поверхностного слоя может быть удален в результате нагревания в вакууме до температуры 150…180 ^оС.