Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей.

Углерод является элементом,определяющим в значительной степени структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода твердость стали возрастает линейно до концентрации углерода 0,9%, с дальнейшим ростом содержания углерода твердость растет замедленно, что связано с увеличением количества цементита; прочность растет до концентрации 0,9%С, дальнейшее увеличение содержания углерода приводит к снижению прочности так как цементит в заэвтектоидной стали выделяется по границам зерен перлита, образуя хрупкую сетку (рис.7.3).

Пластичность и вязкость с увеличением содержания углерода снижаются. Удовлетворительные свойства прочности, пластичности и вязкости имеют стали, содержащие до 0,5%С. Стали с таким содержанием углерода относятся к конструкционным сталям, работающих в условиях статических и динамических нагрузок. Стали с содержанием 0,6-0,8%С обладают большим сопротивлением малым пластическим деформациям, что определяет их использование в качестве пружинных сталей. Стали с содержанием углерода более 0,7% обладают высокой твердостью и износостойкостью, но низкой пластичностью и вязкостью, используются в качестве инструментальных сталей.

Кроме снижения пластичности и вязкости увеличение содержания углерода способствует повышению верхнего предела порога хладноломкости (каждая 0,1%С повышает температуру перехода на 20°С), расширяя интервал температур перехода стали в хрупкое состояние. Углерод оказывает значительное влияние на технологические свойства сталей: с увеличением содержания углерода ухудшает- ся свариваемость и способность деформироваться в горячем и, особенно, в холодном состоянии.

Содержание железа в углеродистой стали 97,0- 99,5%, остальное примеси, присутствие которых определяется технологией производства стали. Постоянными примесями являются: кремний, марганец, сера, фосфор, скрытыми примесями: газы (кислород, водород, азот). Марганец и кремний, вводимые в качестве раскислителей, присутствуют в углеродитых сталях в количестве до 0,8% и 0,4% соответственно. В основном они растворяются в феррите, упрочняя его, кроме того марганец уменьшает вредное влияние серы, связывая ее в виде MnS.

Вредными примесями являются сера и фосфор, переходящие в сталь из чугуна. Сера понижает пластичность и вязкость, сообщает стали свойство красноломкости при горячей обработке давлением. Сера присутствует в стали в виде FeS (при малом содержании марганца) и вследствие значительной склонности к ликвации образует легкоплавкую эвтектику Fe-FeS (t = 988°C), располагающуюся по границам зерен, что существенно снижает прочность и пластичность, а при горячей обработке давлением в интервале 800-1200°C вызывает явление красноломкости. Марганец устраняет красноломкость, так как MnS имеет температуру плавления выше 1620°C, что превышает температуру нагрева при ковке. Вместе с тем MnS,также как и другие неметаллические включения (FeO,MnO, SiO ) снижают пластичность, вязкость и усталостную прочность, увеличивает анизотропию свойств деформированных заготовок. Поэтому содержание серы в стали ограничивается. В обычных сталях её содержание не должно превышать 0,05%. Фосфор в значительном количестве растворяется в феррите, вследствие склонности к ликвации преимущественно располагается по границам зерен, уменьшая его пластичность и вязкость, повышая температурной порог хладноломкости.  

Скрытые примеси: газы (кислород, водород, азот) попадают в сталь при выплавке из окружающей среды, и могут присутствовать в стали в виде твердого раствора в феррите, в составе химических соединений (нитриды, оксиды), в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите, поэтому присутствуют в основном в виде неметаллических включений, что снижает его вязкость. Повышенное содержание водорода приводит к появлению трещин овальной формы – флокенов. Газообразные примеси оказывают резко отрицательное влияние на свойства сталей, поэтому вакуумирование стали или продувка инертными газами улучшают ее свойства.