7.5. Вплив вуглецю на властивості сталі

Із збільшенням вмісту вуглецю у сталі змінюється її структура, що формується двома фазами - феритом і цементитом. Ось чому спів­відношенням кількості цих фаз, а також характером їх взаємного розташування (тобто структурою) і визначаються властивості сталі (рис. 7.11).

Чим більше вуглецю у сталі, тим менше у ній м'якого та пластич­ного фериту і більше твердого та крихкого цементиту, що пояснює зростання твердості (НВ) та зниження пластичності (8, \у) і в'язкості (KCV).

У доевтектоїдних сталях зростання міцності (од) пояснюється тим, що частинки цементиту перешкоджають переміщенню дислока­цій, тобто підвищують опір деформації. Водночас, міцність заевтектоїдних сталей зменшується, незважаючи на збільшення кількості цементиту.

Рис. 7.11. Вплив вуглецю на механічні властивості сталей

У цьому випадку домінуючу роль грає не кількість цемен-титних частинок, а характер їх розташування у структурі сталі. Змен­шення міцності пояснюється виділенням у таких сталях по межах перлітних зерен (що були зернами аустеніту) суцільної сітки дуже крихкого вторинного цементиту, який послаблює зв'язок між зернами. При деформації через наявність цієї сітки виникають високі напруження і має місце передчасне руйнування сталі при відносно невеликому зовнішньому навантаженні.

Із збільшенням вмісту вуглецю у сталі підвищуються її електроопір та коерцитивна сила, зменшується магнітна проникність.

7.6. Вплив постійних домішок на властивості сталі

Марганець. Вміст марганцю у сталі як домішки не перевищує 0,8 % (якщо більше - тоді марганець розглядається як легуючий елемент). Марганець вводять у сталь для розкислення:

FeO+Mn-^MnO+Fe,

тобто він усуває шкідливий закис- заліза і у вигляді оксиду переходить у шлак. Марганець усуває також шкідливі сірчані сполуки заліза (див. нижче). Він також може розчинюватись у фериті та цементиті.

Кремній. Його вміст у сталі як домішки не перевищує 0,4 %. Кремній потрапляє у сталь із руди, а також, як правило, при її розкисленні, де він відіграє таку саму роль, як і марганець. Кремній, що залишається після розкислення, розчиняється у фериті, суттєво збільшує його границю текучості (тобто підвищує пружні властивості) і зменшує у сталі здатність до холодного деформування.

Фосфор. Залізна руда, паливо та флюси містять деяку кількість фосфору. Звідти він і переходить у сталь. Фосфор є шкідливою домішкою, і тому бажано, щоб його кількість у сталі не перевищувала 0,045 %. Фосфор розчиняється у фериті і дуже деформує кристалічну гратку, збільшуючи границю міцності та текучості, але зменшуючи пластичність та в'язкість. Фосфор різко підвищує поріг холоднолам­кості - температуру переходу у крихкий стан, зменшує роботу розвитку тріщини, тобто спричинює так звану холодноламкість сталі. Кожна сота Р підвищує поріг холодноламкості на 20...25 °С.

Сірка. Потрапляє у метал із руди, а також з пічних газів як продукт згоряння палива (SO). Сірка є шкідливою домішкою і тому її кількість у сталі не повинна, як правило, перевищувати 0,05 %. Сірка не розчиня­ється у залізі, а утворює з ним хімічну сполуку - сульфід заліза FeS, що разом із феритом входить до складу легкоплавкої евтектики з температурою плавлення 988 °С. Ця евтектика розташовується по межах зерен. При нагріванні сталі до температур гарячого деформування (приблизно 1200 °С), евтектика розплавляється, зв'язок між зернами пору­шується, тому при деформації у таких місцях утворюються тріщини і метал руйнується. Таке явище називають червоноламкістю.

Введення у сталь марганцю, що має більшу хімічну спорідненість із сіркою, ніж залізо, призводить до утворення сульфіду марганцю за реакцією:

FeS+Mn->MnS+Fe.

Сульфід марганцю MnS плавиться при температурі 1620 °С, тобто при температурі, значно вищій, ніж температура гарячого деформуван­ня. Таким чином, червоноламкість практично можна усунути якщо додавати марганець у сталь. При деформації частинки MnS витя­гуються у напрямку прокатки.

Сполуки сірки знижують механічні властивості, особливо ударну в'язкість (K-CV) і пластичність (5, у), а також границю витривалості, різко знижують роботу розвитку в'язкої тріщини і в'язкість руйнування К^. Крім цього, ці включення погіршують зварюваність та корозійну стійкість.

Гази. Азот, кисень і водень потрапляють у сталь, переважно із повітря та з пічних газів. Вони можуть бути наявні у сталі у газоподібному стані, заповнюючи макро- та мікропорожнини, а також можуть розчинятися у залізі та утворювати хімічні сполуки - так звані неметалеві включення (нітриди, окиси).

Дуже шкідливим є водень. Хімічних сполук (гідридів) водень із залізом не утворює, але у значній кількості розчиняється у сталі при високих температурах. При охолодженні розчинність зменшується і він виділяється із кристалічної ґратки заліза, знаходить собі місце в мікропорожнинах, створює там такий великий тиск, що це призводить до розриву мікропор. Утворюються так звані флокени. Щоб уникнути водневої крихкості, для виділення водню з металу зливки сталі тривалий час витримують при підвищених температурах.

Крихкі неметалічні сполуки погіршують властивості сталі, зменшують границю витривалості та ударну в'язкість.

Для суттєвого зменшення вмісту азоту, кисню та водню у сталях їх треба переплавляти у вакуумі чи у захисній атмосфері.