6.Влияние углерода

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сталей, является углерод.

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8 % С, состоит из одного перлита, в стали, содержащей более 0,8 % С, кроме перлита имеется вторичный цементит, если содержание углерода меньше 0, 8% , то структура стали состоит из феррита и перлита.

Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности (прочность и пластичность сами по себе альтернативные свойства, хотя если взять булат, о котором упоминалось более 1000 лет назад, обладает пластичностью совмещенной с высокой прочностью) (рисунок 7). Приводимые механические свойства относятся к горячекатаным изделиям без термической обработки, то есть при структуре перлит + феррит (или перлит + цементит).

Цифры являются средними и могут колебаться в пределах ± 10 % в зависимости от содержания примесей, условий охлаждения после прокатки и т.д. Если сталь применяют в виде отливок, то более грубая литая структура обладает худшими свойствами, чем это представлено на рисунке 7(понижаются главным образом показатели пластичности).

Существенно влияние углерода на вязкие свойства. Как видно из рисунка 8 увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области, т.е. при температуре выше порога хладноломкости.

Рис. 7. Влияние углерода на механические свойства стали [5]

Рис. 8. Влияние углерода на хладноломкость стали [5]

На рисунке 9 показано влияние углерода на некоторые физические свойства стали.[5]

Рис. 9. Влияние углерода на физические свойства стали [6]

Изменение коэффициента теплового расширения показано на рисунке 10. Эти и другие изменения физических свойств в зависимости от содержания углерода позволяют сделать выводы о практических возможностях применения сталей. [6]

Рис. 10. Изменение физических свойств в зависимости от содержания углерода

7.Водород в стали

7.1 Растворимость, диффузия и способность к проникновению водорода в сплавах железа и в стали

1.Растворимость. Растворимость водорода в техническом железе зави­сит от состава сплава, температуры (рис. 11) и давления водорода. В твердом состоянии водород внедряется в -решетку, т. е. образует твердые растворы внедрения. Переходы железа из и -состояние отмечаются скачкообразными изменениями растворимости. Во всех фазах растворимость изменяется по логарифмическому закону в функции обратных значений температуры (рис. 11.)

Рис. 11. Растворимость водорода в железе в зависимости от температуры при атмосферном давлении.

Растворимость водорода в железе пропорциональна квадратному корню из давления водорода. Приведенная на рис.11 зависимость справедлива, конечно, только тогда, когда может быть достигнуто равно­весие и прежде всего при высоких температурах. При низких температу­рах, порядка комнатной, кажущаяся повышенная растворимость может быть обусловлена образованием соединений или выделением водорода в пустоты.

2.Диффузия. Из всех известных элементов водород диффундирует в железо наиболее быстро. Это и понятно, так как атомный радиус водо­рода имеет наименьшую величину. Вероятно все же, что диффундирует не атом водорода, а протон.

3.Способность к проникновению. Следует различать диффузию и спо­собность к проникновению. Если для процесса диффузии определяющим является градиент концент­рации внутри металла, то для способности к проник­новению существенное зна­чение имеют реакции на по­верхности материала. Со стороны проникновения во­дород вначале адсорбирует­ся на поверхности железа в молекулярном состоянии, за­тем посредством каталитиче­ской реакции диссоциирует и, наконец, абсорбируется железом

Рис. 12. Растворимость водорода в железе при различных давлениях

в атомарном со­стоянии. Со стороны выхода процесс идёт в обратной по­следовательности (десорб­ция). Этот механизм объяс­няет, почему способность к проникновению в очень сильной степени зависит от давления и темпера­туры (рис. 13) Ниже 300° С проникновение через железо подводимого в молекулярном состоянии водорода практически равно нулю, так как ниже 300° С не идет диссоциация молекул.

При низкой температуре водород проникает через железо только тогда, когда он поступает на поверхность либо в ионизированном со­стоянии вследствие химической или электрохимической реакции, либо

Рис. 13. Способность к проникновению водорода в зависимости от давления при различных температурах; толщина листа 1мм, давление водорода в мм.рт.ст.

активированным, например в газовом разряде. Поэтому растворен­ный в железе атомарный водород накапливается в молекулярном состоя­нии под большим давлением во внутренних порах и полостях, например в шлаковых включениях в железе, так что в сплавах железа может иног­да удерживаться при низких температурах гораздо большее количество водорода, чем это соответствует зависимости между растворимостью, температурой и давлением. Так как при травлении в различных кислотах выделение водорода неодинаково, то количество его, прошедшее через железный лист, зависит также от природы кислоты и от ее концен­трации.

Активирующее действие веществ, которые выделяют водород на по­верхности, не всегда является, однако, единственно определяющим сте­пень поглощения водорода и способность к проникновению. Так, Кербер и Плоум нашли, что очень чистое железо в противоположность техни­ческим сортам стали не поглощает водорода и что для этого необходимо каталитическое содействие элементов, образующих гидриды, например мышьяк, кремний, сера, фосфор и т. д. Однако эти элементы являются постоянными примесями в технических сортах и автоматически попадают в травильную ванну, где и проявляют свое действие. До сих пор еще не ясно, происходит ли каталитическое действие в агрессивной среде, на поверхности или в самом железе. Если принять, что поглощение водоро­да связано с предельной величиной перенапряжения, ниже которой поглощение идет бесконечно медленно, то добавка такого, например, эле­мента, как мышьяк, действует в направлении повышения перенапряже­ния. Можно также предположить, что гидриды в железе образуют твер­дые растворы и тем самым повышают потенциал и способствуют даль­нейшему поглощению водорода.

Для поглощения водорода существенным является также состояние поверхности. Поверхность с ненарушенной решеткой, получаемая, на­пример, в результате электрополировки, приводит к наиболее сильному поглощению водорода. Напротив, шлифовка и всякая холодная обработ­ка поверхности снижает поглощение, что, вероятно, обусловлено образо­ванием дефектов в решетке.

Проникновение водорода зависит от состава сплава. Это относится и к атомарному водороду, и к молекулярному. Как видно из рис.14, углерод, особенно в пластинчатом перлите, уменьшает проникновение водорода. В связи с этим возникает вопрос, насколько следует принимать во внимание реакцию водорода с углеродом и может ли в стали обра­зоваться метан, как это установлено в опытах, проводимых при высоких давлениях.

Рис. 14. Зависимость прохождения водорода через сталь от содержания углерода

Такие места нарушений решетки, как искажения целых областей, дислокации границ зерен и включения могут оказаться местами скопле­ния водорода и тем самым уменьшить его способность к проникновению в толщу металла. Особый интерес представляет, поэтому влияние на про­никновение водород степени холодной деформации. При слабой пласти­ческой деформации проникновение возрастает, затем оно падает и до­стигает неизмеримо малой величины при деформации, превышающей 60% (рис. 15)

Рис. 15. Прохождение водорода через литую сталь в зависимости от холодной деформации

Это можно объяснить следующим образом: при слабой деформации еще превалирует упругое искажение решетки, ко­торое облегчает диффузию, в то же время при высокой степени деформации искажения в решет­ке становятся настолько сильны­ми, что диффузия уменьшается. В первую очередь возникают по­ры и рыхлоты, в которых водород собирается в молекулярном со­стоянии, вследствие чего проникновение уменьшается. С этим согласуется тот факт, что материал, под­вергшийся сильному холодному деформированию поглощает водород сильнее, и при этом со стороны выхода водорода наблюдается усиленное образование травильных пузырей, что связано с выделе­нием под поверхностью водорода, обладающего значительным дав­лением.