3. Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталі

Сталь є багатокомпонентним сплавом, що містить вуглець і ряд постійних або неминучих домішок: Si, Mn, S, Р, N, Н и ін, що впливають на властивості. Присутність цих домішок порозумівається труднощами видалення частини з них при виплавці (Р, S), переходом їх у сталь у процесі її розкислення (Si, Mn) або із шихти — легованого металевого брухту (Ni, Cr і ін.). Цієї ж домішки, але у великих кількостях, присутні й у чавунах.

Вплив вуглецю. Структура сталі після повільного охолодження складається з двох фаз - фериту і цементиту.

Рис. 8. Вплив вмісту вуглецю на механічні властивості сталі (а) і кількість фериту (Ф) і Fe₃C (б)

Кількість цементиту зростає в сталі прямо пропорційна вмістові вуглецю (рис. 8,б). Наприклад, при змісті в сталі 0,37 % С кількість цементиту складає 5%, при 0,7% С 10% (рис. 8, б) і при 2,0 % С досягає 30%. Як указувалося вище, твердість цементиту ~ 1000 HV на порядок більше твердості фериту - 80-90 HV.

Частки цементиту підвищують опір рухові дислокацій, тобто підвищують опір деформації і, крім того вони зменшують пластичність і в'язкість. Унаслідок цього зі збільшенням у сталі вуглецю зростають твердість, тимчасовий опір, границя текучості, зменшуються відносне подовження, відносне звуження й ударна в'язкість (рис. 8, а). Підвищення змісту вуглецю полегшує перехід сталі в холодноламкий стан. Передбачається, що кожна 0,1 % С підвищує температуру порога холодноламкості приблизно на 20 °С и розширює перехідний інтервал від грузлого до тендітного стану. Ударна в'язкість (КСТ) при цьому знижується на кожні 0,1 % С на 0,1-0,2 МДж/м².

При вмісті в сталі вуглецю понад 1,0 - 1,1 % її твердість у відпаленому стані зростає, а тимчасовий опір зменшується. Останнє порозумівається виділенням по границях колишнього зерна аустеніту вторинного цементиту, що утворить у сталях зазначеного складу суцільну сітку. При іспиті на розтягання в цій сітці виникають високі напруги і цементит, будучи тендітним, руйнується. Це приводить до передчасного руйнування зразка і відповідно до зниження тимчасового опору.

Зі збільшенням змісту вуглецю в сталі знижується щільність, ростуть електроопір і коерцитивна сила і знижуються теплопровідність, залишкова індукція і магнітна проникність.

Вплив кремнію і марганцю. Вміст кремнію в вуглецевої сталі в якості домішки звичайно не перевищує 0,35-0,4%, а марганцю 0,5-0,8%. Кремній і марганець переходять у сталь у процесі її розкислення при виплавці. Вони розкисляють сталь, тобто, з'єднуючись з киснем закису заліза Fe, у виді окислів переходять у шлак; розкислення поліпшує властивості сталі. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність злитка.

Кремній, що залишається після розкислення у твердому розчині (у фериті), сильно підвищує границя текучості. Це знижує здатність сталі до витяжки й особливо холодному висадженню. У зв'язку з цим у сталях, призначених для холодного штампування і холодного висадження, зміст кремнію варто брати зниженим.

Вплив сірки. Сірка є шкідливою домішкою в сталі. З залізом вона утворить хімічну сполуку Fe, що практично нерозчинна в ньому у твердому стані, але розчинна в рідкому металі. З'єднання Fe утворить із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988°С. Ця евтектика утвориться навіть при дуже малих змістах сірки. Кристалізуючи з рідини по закінченні затвердіння, евтектика переважно розташовується по границях зерна. При нагріванні сталі до температури прокатки або кування (1000-1200°С) евтектика розплавляється, порушується зв'язок між зернами металу, унаслідок чого при деформації сталі в місцях розташування евтектики виникають надриви і тріщини. Це явище зветься красноламкість.

Присутність у сталі марганцю, що володіє великою спорідненістю до сірки, чим залізо, і утворюючого із сіркою тугоплавке з'єднання Mn, практично виключає красноламкість. У затверділій сталі частки Mn розташовуються у виді окремих включень. Сірчисті включення сильно знижують механічні властивості, особливо ударну в'язкість (KCU) і пластичність (δ, ψ) у поперечному напрямку витяжки при прокатці і куванні, а також границя витривалості. Робота зародження тріщини не залежить від змісту сірки, а робота розвитку тріщини КСТ зі збільшенням змісту сірки різко падає. Зварюваність і корозійну стійкість сірчисті включення погіршують. Вміст сірки і сталі строго обмежується, воно не повинно перевищувати 0,035-0,06 %.

Вплив фосфору. Фосфор є шкідливою домішкою, і зміст його в сталі допускається не більш 0,025-0,045 %.

Розчиняючи у фериті, фосфор сильно спотворює кристалічні ґрати, при цьому збільшуються тимчасовий опір і границя текучості, а пластичність і в'язкість зменшуються. Зниження в'язкості тим значніше, чим більше в сталі вуглецю. Фосфор підвищує поріг холодноламкості сталі і зменшує роботу розвитку тріщини. Сталь, що містить фосфор на верхній межі, для промислових плавок (0,045%) має роботу поширення тріщини в 2 рази меншу, чим сталь, що містить менш 0,005 % Р. Кожна 0,01 % Р підвищує поріг холодноламкості сталі на 20—25 °С.

Шкідливий вплив фосфору збільшується тим, що він має велику схильність до ліквації. Унаслідок цього в серединних шарах злитка окремі ділянки збагачуються фосфором і мають різко знижену в'язкість.. Сучасні методи одержання сталі не забезпечують глибокого очищення металу від фосфору.

Вплив азоту, кисню і водню. Азот і кисень присутні в сталі у виді тендітних неметалічних включень, наприклад окислів (Fe, Si₂, Аl₂O₃), нітридів (Al, Fe₄N) і ін., як тверді розчини, або у вільному виді; вони розміщуються в дефектних ділянках металу (раковинах, тріщинах і ін.). Домішки впровадження (азот, кисень), концентруючи в зерно граничних обсягах і утворити виділення нітридів і оксидів по границях зерен, підвищують поріг холодноламкості і знижують опір тендітному руйнуванню. Неметалічні включення (оксиди, нітриди, частки шлаків і т.п.), будучи концентраторами напруг, можуть сильно понизити, якщо вони присутні в значних кількостях або розташовуються у виді скупчень, границя витривалості і в'язкість руйнування K_1c.

Дуже шкідливим є розчинений у сталі водень, що сильно охрупчиває сталь, Поглинений при виплавці сталі водень не тільки охрупчиває сталь, але і приводить до утворення в катаних заготовках і великих куваннях флокенів. Флокени являють собою дуже тонкі тріщини овальної або округлої форми, що мають у зламі вид плям — хлоп`їв сріблястого кольору. Флокени різко погіршують властивості сталі. Метал, що має флокени, не можна використовувати в промисловості.

Вплив водню при зварюванні виявляється в утворенні холодних тріщин у наплавленому й основному металі. Нанесення на поверхню сталевих виробів гальванічних покрить або травлення в кислотах для очищення її зв'язано з небезпекою насичення сталі воднем, що також викликає охрупчування. Якщо водень знаходиться в поверхневому шарі, то він може бути вилучений у результаті нагрівання при 150—180 °С, найкраще у вакуумі (1-10~³ Па).

ЧАВУН

Сплав заліза з вуглецем >2,14 % називають чавуном. Присутність евтектики в структурі чавун1 (рис. 1) обумовлює його використання виняткове як ливарний сплав. Вуглець у чавуні може знаходитися у виді цементиту або графіту або одночасно у виді цементиту і графіту. Цементит додає зламові специфічний світлий блиск, тому чавун, у якому весь вуглець знаходиться у виді цементиту, називають білим. Графить додає зламові сірий колір, тому його називають сірим чавуном. У залежності від форми графіту й умов його утворення розрізняють наступні групи чавунів: сірий, високоміцний, з кулястим графітом і ковкий.