Влияние углерода и постоянных (технологических) примесей на свойства стали - Характеристика и структурные методы исследования металлов

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или технологических примесей: Mn, Si, S, Р, О, Н, N 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.

Влияние углерода. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз -- феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода.

Твердые и хрупкие частицы цементита 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 и трещиностойкость К1с. Предел выносливости с повышением содержания углерода до 0,55--0,65 % возрастает, а при большем содержании углерода снижается.

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1 % С повышает порог хладноломкости в среднем на 20°С 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 0,37 %, а марганца -- 0,8 %. Кремний и марганец переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т. е., соединяясь с кислородом закиси железа FeO, в виде оксидов переходят в шлак. Эти процессы раскисления улучшают свойства стали.

Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести уТ. Это снижает способность стали к вытяжке и особенно к холодной высадке.

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 FeS, которое практически нерастворимо в нем в твердом состоянии, но растворимо в жидком металле. Соединение FeS 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 MnS, практически исключает явление красноломкости. В затвердевшей стали частицы MnS 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. В низкоуглеродных сталях при содержании серы более >0,01% 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 0,035--0,06 %.

Влияние фосфора. Фосфор является вредной примесью, и содержание его в зависимости от качества стали допускается не более 0,025--0,045 %.

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали углерода. Фосфор повышает порог хладноломкости стали и уменьшает работу развития трещины. Р. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости стали на 20--25 °С.

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.

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присутствуют в стали в виде неметаллических включений, в виде твердого раствора или, находясь в свободном виде, располагаются в дефектных участках металла (раковинах, трещинах и т. д.). Примеси внедрения, 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, и, являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить, если они присутствуют в повышенных количествах или располагаются в виде скоплений, предел выносливости и вязкость разрушения К1с. 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.

Похожие статьи




Влияние углерода и постоянных (технологических) примесей на свойства стали - Характеристика и структурные методы исследования металлов

Предыдущая | Следующая