Глава VIII. Углеродистые стали

1. Влияние состава на свойства стали

Влияние углерода. На рис. 84 приведены кривые зависи­мости прочности и пластичности стали от содержания в ней углерода. Видно, что углерод очень резко повышает прочность при одновременном по­нижении пластичности и вязкости. Это объясняется торможением движения дислокаций в феррите цементитными включениями. Их тормозящая роль тем выше, чем больше коли­чество цементита, а оно растёт с увеличением содержания углерода в стали. При увеличении количества углерода верхний порог хладноломкости стали резко смещается в область более высоких температур, т.е. происходит уменьшение сопротивлению отрыву S_ot материала. Углерод влияет также и на другие физические свойства стали: с повышением количества углерода увеличивается электросопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость.

Влияние постоянных примесей на свойства стали. Углеродистые стали являются сложными сплавами, в состав которых в качестве постоянных примесей входит Si - до 0,35%, Мn - до 0,8%, S - до 0,06%, Р - до 0,07%. Кроме того, в них присутствуют скрытые примеси, наличие которых не устанавливается обычным химическим анализом. Это Н₂, О₂, N₂ и случайные примеси, попадающие в сталь из-за загрязнения шихтовых материалов, используемых при выплавке стали.

Марганец и кремний вводятся в сталь для раскисления. Для получения вполне раскисленной (спокойной стали) производится дополнительное раскисление стали алюминием.

Марганец, кроме раскисляющего действия, повышает прочность стали в горячекатаных изделиях и уменьшает красноломкость стали, вызываемую влиянием серы. Кремний, растворяясь в феррите, сильно упрочняет его, и понижает пластичность стали.

Сера с железом образует сульфид FeS, который с железом образует легкоплавкую эвтектику a(Fe+FeS) с температурой плавления 988°С. При кристаллизации эта эвтектика располагается в виде оторочек вокруг зерен стали.

На цветном вкладыше рис. 3 и 4 на фоне светлого феррита в ликвационных областях между дендритами видны округлые включения сульфидов. При температуре горячей обработки выше 1000°С эвтектика э(Fe+FeS) плавится, что приводит к нарушению связи между зернами, и в металле при деформации возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью стали. При наличии марганца в стали вместо сульфида железа образуется сульфид марганца MnS с температурой плавления 1620°С, благодаря чему устраняется явление красноломкости. В зависимости от назначения стали допускается включение до 0,03, ..., 0,06 % серы. Исключением являются автоматные стали, из которых изготовляются детали неответственного назначения. Содержание серы в этих сталях допускается до 0,2%, т.к. сера улучшает обрабатываемость резанием.

Фосфор при малых количествах растворяется в железе, образуя твердый раствор. При повышенных содержаниях фосфор с железом образует химические соединения — фосфиды Fe₃P и Fe₂P. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность и вязкость, резко повышает порог хладноломкости. Вред­ное влияние фосфора усугубляется большой склонностью к ликвации сплавов Fe—Р, вследствие чего образуются участки сильно обогащенные фосфором, даже когда общее содержание Р в сплаве еще очень мало. При содержании фосфора, исчисляемой десятыми долями процента в структуре образуется фосфидная эвтектика из-за эффекта ликвации. Содержание фосфора в сталях в зависимости от назначения допускается до 0,025, ..., 0,06 %. В сталях неответственного назначения допускается содержание фосфора до 0,1, ..., 0,15 % для улучшения обрабатываемости резанием (автоматные стали).

Азот, кислород, водород в стали могут присутствовать: а) в газообразном состоянии в дефектных участках металла; б) в виде FeO и других химических соединений, образующих неметаллические включения Аl₂О₃, SiO₂, нитриды и др.; в) в виде твердого раствора в железе.

Большую опасность представляет водород, который при повышенных количествах в стали, скапливаясь в микрообъемах внутри металла, создает большие давления, приводящие к образованию внутренних трещин — флокенов.

Неметаллические включения являются хрупкими. В процессе прокатки они крошатся и располагаются в стали в виде цепочек, создавая микроскопические концентраторы напряжений, которые понижают главным образом усталостные характеристики и ударную вязкость стали. Растворимость Н, N, О, С в -железе очень мала и снижается с понижением температуры. Это содействует тому, что при неравновесных условиях охлаждения (повышенная скорость охлаждения) после ковки, прокатки, сварки образуется пересыщенный твердый раствор этих элементов в -железе. Постепенное выделение их при нормальной или повышенной температуре называется старением. Старение приводит к снижению ударной вязкости и повышению порога хладноломкости стали. Охрупчивание стали может иметь место после пластической деформации, если она выполняется при температурах ниже температуры рекристаллизации. Сущность процесса заключается в том, что при пластической деформации происхо­дит искажение кристаллической решетки, отдельные объемы металла пересыщаются азотом и углеродом, которые выделя­ются постепенно в виде нитридов и карбидов. Этот процесс называется деформационным старением.

№ 18. Какие элементы в составе стали являются вредными? Ответ: 1) Mn, Si, S, Р (с. 215); 2) Р, S, Н, О, N (с. 215); 3) Si, P, S, Н (с. 214).

№ 19. В каком виде посторонние включения наиболее отрица­тельно влияют на вязкость стали? Ответ: когда эти включения находятся 1) внутри зерен феррита (с. 215); 2) по границам ферритных зерен (с. 215); 3) в растворенном состоянии в феррите (с. 214).