3. Типовой химический состав нелегированных сталей.
Кроме железа и углерода в стали присутствуют постоянные примеси, такие же, как и в чугуне, но в заметно меньшем количестве. Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в стали. Типовой химический состав показывает максимальные практические значения массовых долей химических элементов в стали, %:
С ≤ 1,2; Mn < 0,8; Si < 0,5; S < 0,05; P < 0.05; газы (O2, N2, H2) – десятитысячные доли; Fe – остальное.
4. Влияние массовой доли углерода с, % на показатели механических свойств стали.
С увеличением в сплаве доли углерода непрерывно растет твердость HB (Рис. 1.), что объясняется пропорциональным увеличением доли вторичного цементита Fe3C. Предел прочности при растяжении σв также
растет, но при содержании С > 0,8…0,9 % − уменьшается. Параллельность участка роста σв линии НВ
объясняется линейной зависимостью σв = k НВ (см. описание лаб. работы № 1.).
Рис. 1. Влияние доли углерода на механические свойства стали.
С ростом содержания углерода пластичность и ударная вязкость, как можно видеть, уменьшаются. Стали с содержанием углерода С < 0,65 % условно относят к конструкционным, а с содержанием углерода
С > 0,65 % - к инструментальным. Таким образом, конструкционные нелегированные стали – это доэвтектоидные стали, состоящие при комнатной температуре из двух фаз – зерен феррита (Ф) и зерен перлита (П), а инструментальные стали – в основном, эвтектоидные и заэвтектоидные. Эвтектоидная сталь однофазная, состоит из зерен перлита (П), а заэвтектоидная – двухфазная: зерна перлита (П) перемешаны с кристаллитами вторичного цементита Ц2.
Содержание углерода в феррите, перлите и вторичном цементите разное (см. Таблицу 5).
Содержание углерода С, % в фазах сплава
Таблица 5
-
Фаза
Температура, ℃
Содержание углерода
С, %
Феррит (Ф)
20
727
0,006
0,02
Перлит (П)
20, 727
0,83
Цементит (Ц2 )
Независимо от температуры
6,67
5.Влияние постоянных примесей.
Как и в чугунах к постоянным примесям относятся кремний, марганец, сера, фосфор и газы – О2, Н2, N2. Их массовые доли в сталях в сравнении с чугунами существенно меньше. Кремний (до 0,5 %) и марганец (до 0,7 %) не оказывают заметного влияния на свойства стали. S и P считаются вредными примесями. Сера вызывает красноломкость, т. е. хрупкость стали при высоких температурах (когда цвет металла становится красным), а фосфор – хладноломкость, т. е. хрупкость стали при пониженных температурах. Кроме того, сера уменьшает пластичность и сопротивляемость коррозии.
Чем меньше массовая доля вредных примесей, тем выше категория качества стали.
6. Металлографический способ определения массовой доли углерода в сталях.
Рассматривая микрошлиф стали при помощи метало- микроскопа можно довольно просто оценить процентное содержание углерода. В круглом поле окуляра видны зерна фаз, по-разному отражающие свет: одни более темные в сравнении с другими. Надо оценить «на глаз», какую долю А (%) площади видимого в окуляре микроскопа круга занимают зерна перлита или цементита и произвести несложный расчет.
Пример № 1. В случае доэвтектоидной стали в окуляре будут видны зерна феррита и перлита. Допустим, мы нашли, что зерна перлита занимают Ап = 30 % всей площади круга, а остальные 70 % занимают зерна феррита. Зная содержание углерода в перлите (см. Таблицу 5) определяем содержание углерода в стали по формуле:
С = Сп × Ап ÷ 100 = 0,83 × 30 ÷ 100 = 0,25 %
Содержание углерода в феррите не учитывается как незначительное (0,006 × 70 ÷ 100 = 0,004%).
Пример № 2. В случае заэвтектоидной стали учитывают содержание углерода и в перлите и в цементите. Если, например, оказывается, что зерна цементита занимают Ац = 5 % всей площади, а перлита, следовательно, 95 % содержание углерода в стали составит:
С = (Сп × Ап + Сц × Ац) ÷ 100 = (0,83 × 95 + 6,67 × 5) ÷ 100 = 1,12 %
В эвтектоидной стали Ап = 100 % и, следовательно, С = 0,83 %.
Такое определение содержания углерода является субъективным и ориентировочным. Можно ошибиться в оценке на глаз доли площади, занимаемой зернами той и иной фазы. Для повышения точности рекомендуется делать ее вдвоем или втроем, а также попытаться найти в Атласе микроструктур похожее изображение с указанием массовой доли (%) углерода.