4.2. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства углеродистых сталей.

Наиболее сильное влияние на структуру и свойства сталей оказывает углерод. Чем больше в сталях углерода, тем больше в их структуре твёрдого и хрупкого феррита. Поэтому с увеличением содержания углерода прочность сталей нарастает, достигает максимума при 0,8-1% и затем начинает снижаться. Таким образом, наибольшими прочностными характеристиками обладает сталь, по составу близкая к эвтектоидной, в структуре которой преобладает перлит. С повышением содержания углерода повышается порог хладоломкости стали, т.е. та температура, при охлаждении, до которой сталь становится хрупкой (сталь содержащая 0,4% углерода имеет порог хладоломкости 0 градусов). С повышением содержания углерода снижается способность сталей к свариванию и пластической деформации. Способность к обработке резанием оптимальное у среднеуглеродистых сталей. При более высоком содержании углерода сталь является слишком твёрдой и хрупкой, что ведёт к преждевременному износу режущего инструмента. При более низком содержании углерода, сталь становится слишком мягкой, что приводит к шероховатой поверхности резания.

Кремний специально вводят в сталь на заключительном этапе её выплавки, с целью раскисления, т.е. удаления из сталей избыточного кислорода, который присутствует в виде соединения FeO, существенно ухудшающего свойства готовой стали. Таким образом кремний является полезной примесью. Обычно кремний растворяется в феррите, образуя твёрдый раствор замещения и упрочняет феррит.

Фосфор попадает в сталь из руды. Он также как и кремний растворяется в феррите, но приводит к ухудшению его пластический свойств и увеличению хрупкости. Кроме того, фосфор может скапливаться в сталях в чистом виде, в виде так называемых сегрегаций. Эти сегрегации так же ведут к увеличению хрупкости стали, особенно при низких температурах. С увеличением содержания фосфора повышается порог хладноломкости стали. Таким образом, фосфор является вредной примесью, приводящей к хрупкости стали.

Сера является так же вредной примесью. Она попадает в сталь в основном из руды и золы топлива. Полностью избавится от серы не просто. В сталях сера не растворяется, она образует соединение FeS, которое совместно с чистым железом формирует легкоплавкую эвтектику, с температурой плавления , располагающейся по границам зёрен. При нагреве стали до горячего деформирования, эта эвтектика частично проплавляется или размягчается, что приводит к комкости стали. Такое явление называюткрасноломкостью. Таким образом, сера это вредная примесь, ведущая к красноломкости.

Марганец как и кремний, специально вводят в сталь для её раскисления. Он оказывается не только полезное раскисляющее действие, но так же препятствует вредному влиянию серы. Он более активно взаимодействует с серой, образуя соединение . Эта эвтектика уже не растворяется при температурах горячего деформирования, что препятствует развитию красноломкости. Таким образом марганец в сталях является полезной примесью.

Газы: кислород, водород и азот попадают в сталь на этапе выплавки. Эти газы либо растворяются в феррите, образуя твёрдые растворы внедрения, либо образуют различные химические соединения (окислы, нитриды), либо в чистом виде собирается в порах. Растворяясь в феррите эти газы повышают его хрупкость и снижают вязкость. Все химические соединения загрязняют сталь и снижают её прочностные характеристики. Газы скапливающиеся в порах в чистом виде, так же ухудшают механические свойства стали. Особенно вредное влияние оказывает водород, который скапливается под большим давлением, приводит к внутренним разрывам стали. Все газы в сталях являются вредными примесями. Чем меньше в сталях вредных примесей, тем сталь качественнее.