Влияние углерода и примесей на структуру и свойства стали

Лекция 12

Углеродистые стали

Общая характеристика. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % С, при малом содержании других элементов называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики ледебурита, благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются.

Свойства углеродистых сталей зависят от содержания углерода, а также от содержания постоянных и скрытых примесей.

Влияние углерода и примесей на структуру и свойства стали

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств стали. При содержании до 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита (эвтектоидной смеси феррита и цементита), при содержании более 0,8 % С в структуре стали кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит.

Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличиваются твердость и прочность и уменьшаются вязкость и пластичность стали (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Рост прочности происходит при содержании в стали до 0,8 — 1,0%С. При большем содержании углерода уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно холодном состоянии.

Лучше всего обрабатываются резанием среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3 — 0,4% С. Стали с меньшим содержанием углерода (низкоуглеродистые) при механической обработке дают плохую поверхность и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что снижает стойкость инструмента при их обработке.

Влияние примесей на свойства стали. Постоянными примесями в углеродистых сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси — газы: кислород, азот, водород.

Полезными примесями являются марганец и кремний, вводимыми в сталь в процессе выплавки для раскисления.

В углеродистой стали содержится до 0,8% Mn и до 0,4% Si. Эти элементы, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяются в феррите и упрочняет его, увеличивая прокаливаемость стали, а также уменьшают вредное влияние серы, связывая ее:

FeS+ Mn → MnS+ Fe.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор, попадающие в сталь из исходного сырья (чугуна).

Сера - снижает пластичность и вязкость стали, а также сообщает стали красноломкость, т. е. хрупкость при высоких температурах, при прокатке и ковке. Она образует с железом соединение FeS — сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образовываться легкоплавкая эвтектика Fe — FeS (t = 988⁰С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1620⁰С, что выше температуры горячей деформации.

Вместе с тем сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снимают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2 %) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Фосфор - резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Будучи способным растворяться в феррите (в количестве до 1,2 %), фосфор уменьшает его пластичность. Располагаясь вблизи границ зерен он способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости, т. е. хрупкости при низких температурах.

Скрытые примеси — кислород, азот, водород — находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин — флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Дата добавления: 2015-07-07