Влияние углерода и примесей на структуру и свойства сталей

Кроме железа и углерода стали в своем составе, имеют некото­рое количество постоянных примесей. Они оказывают различное влияние на структуру, а следователь­но, и на свойства сталей (сера, фосфор, марганец, кремний) а также углерод оказывающий основное влияние на их структуру и свойства. Чем больше содержание углерода, тем выше твердость и прочность стали, но тем ниже пластичность и вяз­кость. Наибольший предел прочности σ _в достигается при содержании углерода около 0, 9 %. При дальнейшем увели­чении количества углерода в структуре стали появляется вторич­ный цементит, располагающийся по границам зерен перлита в ви­де сетки. Из—за этого увеличивается твердость, но уменьшается прочность, так как цементит хрупок. Снижаются ударная вяз­кость КС (а _н), относительное удлинение δ и относительное суже­ние φ.

Сера попадает в сталь из чугуна, а в чугун — из руды и кокса. В железе она почти нерастворима, а в структуре стали образует химические соединения: с железом — (сульфид железа FeS) или с марганцем — (сульфид марганца MnS). Эти сульфиды, а также соединения кислорода с железом и с марганцем (FeO, MnO) называют неметаллически­ми включениями. Сульфид железа (FeS) распо­лагается по границам зерен, температура его плавления 985 °С.

Рисунок 5.1 — Влияние содержания углеро­да на механические свойства стали

Температура горячей обработки давлением стали выше 1000 °С, поэтому каждое зерно находит­ся в жидкой «рубашке» расплав­ленной эвтектики (сульфида же­леза), что служит причиной воз­никновения трещин.

Связь между зернами, разог­ретыми до температуры выше 1000 °С, ослабевает, и сталь раз­рушается. Такое явление назы­вают красноломкостью, а сталь с повышенным содержанием се­ры — красноломкой (сульфид марганца MnS).

Сульфид марганца плавится при 1620 °С, он пластичен и при горячей обработке давлением вытягивается в направлении дефор­мации. Это включение (MnS) нежелательно, так как оно снижает динамическую и усталостную прочность, а также износостойкость.

Содержание серы строго регламентируется в зависимости от ка­чества стали (0, 025—0, 06%), что обусловлено склонностью серы к зональной ликвации при затвердевании слитка (скапливание серы в отдельных участках слитка). Сера оказывает благоприят­ое влияние на сталь при ее обработке на станках—автоматах, так как способствуеть образованию ломкой стружки.

Фосфор попадает в сталь так же, как и сера. Атомы фосфора, располагаясь в кристаллической решетке железа, сильно иска­жают ее, повышая твердость. Фосфор значительно снижает плас­тичность стали, делая ее хрупкой, особенно при температурах ниже нуля. Это явление называют хладноломкостью. Кроме того, фосфор, как и сера, склонны к образованию ликвационных зон, что отрицательно сказывается на свойствах стали. Содержание фосфора в зависимости от качества стали должно находиться в пре­делах 0, 025—0, 07 %. Как и сера, фосфор улучшает обрабатываемость стали резанием.

Кремний и марганец в тех количествах, в которых они содер­жатся в углеродистых сталях (кремний — до 0, 4 %, марганец — до 0, 08 %), не оказывают заметного влияния на их свойства.

В сталях присутствуют газы (кислород, азот, водород), кото­рые частично растворены и находятся в виде неметаллических включений (окислы и нитриды).