3.2.6. Углеродистые стали

90% всего производства составляют углеродистые и 10% - легированные стали. В углеродистой стали, кроме железа, содержится углерод, концентрация которого сильно влияет на свойства стали. Остальные примеси связаны с особенностями технологии производства стали; некоторые из них могут также изменять свойства, поэтому содержание их контролируется.

Увеличение содержания углерода понижает пластичность стали (относительное удлинение - , относительное сужение - , ударную вязкость - а_н) и увеличивает твердость.

Кроме углерода в стали неизбежно присутствуют марганец, кремний, фосфор, сера, водород, азот и кислород. Фосфор и сера попадают в металл из руд или (сера) из печных газов и, как правило, оказывают вредное воздействие. Фосфор, находясь в -растворе, приводит к охрупчиванию стали (явление хладноломкости). Поэтому содержание фосфора ограничивается до значения порядка 0,05%. В отдельных случаях содержание фосфора может быть увеличено в сталях, предназначенных для обработки резанием (“автоматные стали”), т.к. в этом случае фосфор облегчает обрабатываемость режущим инструментом.

Сера образует с железом сульфид , а этот сульфид и железо образуют при 988⁰С эвтектику, которая обычно располагается по границам зерен. Присутствие там легкоплавкой и хрупкой эвтектики делает сталь хрупкой уже при 800⁰С. Это явление носит название красноломкости. Содержание серы в стали обычно ограничивают в пределах 0,02-0,03%.

Водород при достаточно высоком содержании в стали может привести к опасным надрывам в металле (флокенам). Азот и кислород образуют неметаллические включения – нитриды и оксиды, которые также ухудшают свойства металла.

3.2.7. Чугуны

Чугуны плохо поддаются обработке с помощью пластической деформации, однако обладают лучшими, чем сталь, литейными свойствами.

Существуют различные виды чугунов в зависимости от состояния углерода в чугуне. Он может находиться в связанном состоянии (в виде карбида ) и в свободном – в виде графита. Кроме того, форма и расположение включений графита также влияют на свойства материала.

Если жидкий металл, отвечающий по составу чугуну, достаточно быстро охлаждать, то при затвердевании получим смесь аустенита и цементита, хотя более устойчивой и энергетически выгодной является смесь аустенита и графита. Однако зародыш цементита образуется легче и лучше вписывается в аустенитную матрицу.

При медленном охлаждении получим аустенит + графит. Графит можно получить также в результате длительного нагревания аустенитно-цементитной смеси (графитизирующий отжиг).

Белый чугун получается при достаточно быстром охлаждении расплавленного металла. Весь углерод в нем находится в виде цементита. Белый чугун – очень твердый и хрупкий материал, практически не поддается обработке резанием и используется для получения изделий литьем. В изломе белый чугун имеет матово-белый цвет.

Во всех остальных видах чугунов углерод находится в виде графитьа, однако свойства материалов зависят от формы включений. Включения графита могут быть в виде пластинок или червеобразных прожилок, шарообразных и хлопьевидных выделений.

Хлопьевидные выделения получаются при отжиге белого чугуна, приводящем к разложению цементита. Соответственно различают серый чугун (графит в виде прожилок), ковкий чугун (хлопьевидные выделения), высокопрочный чугун (шаровидный графит).

Наилучшими свойствами обладают ковкий и высокопрочный чугуны. Хотя по механическим свойствам все чугуны уступают сталям, их более высокие литейные свойства, позволяющие получать детали сложной конфигурации с помощью недорогой и доступной технологии литья, делают иногда целесообразным применение чугунов в качестве конструкционных материалов.