Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

 

Постоянными примесями в стали считают:

· полезные - марганец, кремний (попавшие в сталь при раскислении);

· вредные - фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород).

Влияние содержания углерода на основные механические свойства стали показано на рис. 7.1. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности.

Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводят к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение со­держания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и (в особенности) при холодной обработке давлением и ухудшает ее свариваемость - способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами. Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (это температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние) в среднем на 20°С на каждые 0,1% углерода.

Рис.7.1. Влияние содержание углерода на механические свойства стали

 

Сера является вредной примесью в стали, содержание ее в зависимости от качества стали не должно превышать 0,05%. Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое соединение - сульфид железа (FеS), плавящиеся при 988 С. Это явление называют красноломкостью и может проявляться при ковке или прокатке стали, с воз­никновением надрывов и трещин. Вредное влияние серы нейтрализуют введением марганца. Сера снижает пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его в зависимости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации. Однако фосфор повышает обрабатываемость резанием и в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений - оксидов и нитридов - меньше 0,008%. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.

 

Классификация сталей

Стали классифицируют:

I. По химическому составу:

1. углеродистые:

- низкоуглеродистые (до 0,25% С);

- среднеуглеродистые (0,25—0,6% С)

- высокоуглеродистые (более 0,6% С).

2. Легированные:

- низколегированная (до 2,5%)- легирующих добавок от массы отливки;

- среднелегированная (2,5-10 %);

- высоколегированная (более 10%).

По назначению:

1. конструкционные;

2. инструментальные;

3. специального назначения с особыми свойствами.

Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций. Инстру­ментальные стали подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Стали специального назначения - это нержавеющие (коррозионно-стой­кие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.

II. По качеству:

1. обыкновенного качества, содержат 0,05 % S и 0,07 % Р;

2. качественные, содержащие до 0,035 % S и 0,035 % Р;

3. высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % Р;

4. особо высококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства.

III. По степени раскисления:

1. спокойные (сп) - хорошо раскисленные ферромарганцем, феррокремнием, алюминием. Эти стали застывают спокойно, у них мало газовых пузырей, усадочную раковину отрезают, слиток плотный; 0,15-0,30% Si;

2. кипящая сталь (кп) - раскислена только ферромарганцем, в ней сохраняется много закиси железа FO, которая взаимодействует с углеродом стали, выделяя газ СО. Пузырьки газа создаю впечатление "кипения", % Si < 0,07%. Нет усадочной раковины, однако много газовых пузырей;

3. полуспокойная (пс) - раскислена ферромарганцем и алюминием - промежуточное положение между сталями сп и кп, 0,05-0,15% Si.

Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Нераскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена разрушению при горячей обработке давлением.

IV. По типу структурыс тали классифицируют в состоянии после отжига и нормализации.

В отожженном (равновесном) состоянии стали подразделяют на:

· доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный цементит;

· эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;

· заэвтектоидные, в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита;

· ледебуритные, в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды;

· аустенитные;

· ферритные.