8.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Сталь — сложный по составу железоуглеродистый сплав. Кроме железа и углерода - основных компонентов, а также возможных легирующих элементов, сталь содержит некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на ее свойства.

Рис. 8.2. Влияние углерода на механические свойства горячекатаных сталей

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

После отжига углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, увеличиваются прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали (рис. 8.2). Кроме снижения ударной вязкости углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние (рис. 8.3). Каждая 0,1 % С повышает верхнюю границу этого перехода примерно на 20 °С. При содержании 0,4% С порог хладноломкости равен 0°С. При большей концентрапии углерода температура хрупкости достигает 20 °С; сталь становится менее надежной в работе.

Рис. 8.3. Влияние углерода на хладноломкость стали

Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере увеличения содержания углерода и достигает максимума при 0,4% С (рис. 8.4). При большей концентрации углерода становится нестабильным из-за хрупкого разрушения стали, о чем свидетельствуют низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механические свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.

Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.

Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается.

От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды исключающие образование легкоплавкой эвтектики.

Устраняя красноломкость, сульфиды так же как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды и т. п.), служат концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость стали. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием (см. п. 9.1).

Фосфор — вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости (рис. 8.5). Каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.

Фосфор - крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Однако современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления. Основной путь его снижения-повышение качества шихты.

Кислород, азот и водород-вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и

Рис. 8.4. Влияние углерода на механические свойства закаленных низколегированных сталей

Рис. 8.5. Влияние фосфора на хладноломкость стали:

повышении склонности стали к хрупкому разрушению.

Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, снижают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение. Атомы азота в холоднодеформированной стали скапливаются на дислокациях, образуя атмосферы Коттрелла, которые блокируют дислокации. Сталь упрочняется, становится малопластичной. Старение особенно нежелательно для листовой стали предназначенной для холодной штамповки. Последствия старения - разрывы при штамповке или образование на поверхности полос скольжения, затрудняющих ее отделку.

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кристаллической решетке. Наиболее сильное охрупчивание наблюдается в закаленных сталях с мартенситной структурой и отсутствует в аустенитных сталях.

Повышенное содержание водорода в стали при ее выплавке может приводить к флокенам. Флокенами называют внутренние надрывы, образующиеся в результате высоких давлений, которые развивает водород, выделяющийся при охлаждении в поры вследствие понижения растворимости. Флокены в изломе имеют вид белых пятен, а на поверхности - мелких трещин. Этот дефект обычно встречается в крупных поковках хромистых и хромоникелевых сталей. Для его предупреждения стали после горячей деформации медленно охлаждают или длительно выдерживают при температуре 250 °С. При этих условиях водород, имеющий большую скорость диффузии, не скапливается в порах, а удаляется из стали.

Наводороживание и охрупчивание стали возможны при травлении в кислотах, нанесении гальванических покрытий и работе в водородсодержащих газовых средах.

Случайные примеси - элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь, из керченских - мышьяк. Случайные примеси в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали.