4. ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА И ПОСТОЯННЫХ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ) ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или технологических примесей! и др., влияющих на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке переходом их в сталь в процессе ее раскисления или из шихты — легированного металлического лома . Эти же примеси, но в большем количестве, присутствуют и в чугунах.

Влияние углерода. Структура стали (см. рис. 86) после медленного охлаждения состоит из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода (рис. и 89, б).

Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т. е. повышают сопротивление деформации, но уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость (рис. 89, а) и трещиностойкость (рис. 90). Предел выносливости с повышением содержания углерода до возрастает, а при большем содержании углерода снижается (рис. 90).

Рис. 89. Влияние углерода на механические свойства стали (а) и соотношение между ферритом и цементитом в сталях (б)

Рис. 90. Влияние углерода на вязкость разрушения и предел выносливости образцов без надреза и с надрезом

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1 % С повышает порог хладноломкости в среднем на и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

С увеличением содержания углерода в стали снижается плотность, растет электрическое сопротивление и коэрцитивная сила и понижаются теплопроводность, остаточная индукция и магнитная проницаемость.

Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой, хорошо раскисленной стали в качестве примеси обычно не превышает а марганца — Кремний и марганец переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т. е., соединяясь с кислородом закиси железа в виде оксидов переходят в шлак. Эти процессы раскисления улучшают свойства стали. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка.

Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести . Это снижает способность стали к вытяжке и особенно к холодной высадке. В связи с этим в сталях, предназначенных для холодной штамповки и холодной высадки, содержание кремния должно быть сниженным.

Марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности и резко уменьшая красноломкость стали, т. е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. С железом она образует химическое соединение которое практически нерастворимо в нем в твердом состоянии, но растворимо в жидком металле. Соединение образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 °С. Эта эвтектика образуется даже при очень малом содержании серы. Кристаллизуясь из жидкости по окончании затвердевания, эвтектика преимущественно располагается по границам зерна. При нагреве стали до температуры прокатки или ковки (1000-1200 °С) эвтектика расплавляется, нарушается связь между зернами металла, вследствие чего при деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости (горячеломкость).

Присутствие в стали марганца, обладающего большим сродством к сере, чем железо, и образующего с серой тугоплавкое соединение практически исключает явление красноломкости. В затвердевшей стали частицы располагаются в виде отдельных включений. В деформированной стали эти включения деформируются и оказываются вытянутыми в направлении прокатки.

Сернистые включения снижают ударную вязкость и пластичность в поперечном направлении вытяжки при прокатке и ковке, а также предел выносливости. Работа зарождения трещины не зависит от содержания серы, а работа развития вязкой трещины КСТ и вязкость разрушения с увеличением содержания серы снижаются. В низкоуглеродных сталях при содержании серы более порог хладноломкости снижается («сульфидный парадокс»). Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы в стали строго ограничивается; в зависимости от качества стали оно не должно превышать

Влияние фосфора. Фосфор является вредной примесью, и содержание его в зависимости от качества стали допускается не более

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести (см. рис. 95), но уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали углерода. Фосфор повышает порог хладноломкости стали и уменьшает работу развития трещины. Сталь, содержащая фосфор на верхнем пределе для промышленных плавок имеет работу распространения трещины в 2 раза меньшую, чем сталь, содержащая менее . Каждая повышает порог хладноломкости стали на

Способность фосфора к сегрегации по границам зерен также способствует охрупчиванию стали. Вредное влияние фосфора Усугубляется и тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Вследствие этого в серединных слоях слитка отдельные

участки сильно обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость. Современные методы получения стали не обеспечивают глубокого очищения металла от фосфора.

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присутствуют в стали в виде неметаллических включений (например, оксидов , в виде твердого раствора или, находясь в свободном виде, располагаются в дефектных участках металла (раковинах, трещинах и т. д.). Примеси внедрения (азот, кислород), концентрируясь в зернограничных объемах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения определяют «металлургическое качество стали», они повышают анизотропию механических свойств, особенно , являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить, если они присутствуют в повышенных количествах или располагаются в виде скоплений, предел выносливости и вязкость разрушения Неметаллические включения могут быть причиной шиферного (древовидного) излома, охрупчивающего сталь.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который сильно охрупчивает сталь. Поглощенный при выплавке стали водород не только охрупчивает сталь, но и приводит .к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов. Флокены представляют собой очень тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен — хлопьев серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле.

Нанесение на поверхность стальных изделий гальванических покрытий или травление в кислотах для очистки ее связано с опасностью насыщения поверхности водородом, что также вызывает охрупчивание. Наводороживание и охрупчивание возможны и при работе стали в контакте с водородом, особенно при высоком давлении.

Широко применяемая в последние годы выплавка или разливка в вакууме уменьшает содержание водорода в стали.