15.Влияние углерода и примесей на механические и технологические свойства железоуглеродистых сплавов.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Постоянные примесиПостоянные примеси (кремний, марганец, сера, фосфор и газы) в определенном количестве всегда присутствуют в стали. Кремний и марганец вводят в процессе плавки (до 0,4 % серы и 0,1–0,8 % марганца), а сера и фосфор попадают из руд и вторичного сырья (до 0,05 %).

Кремний и марганец присутствуют в любой стали, оставаясь в ней после раскисления в небольшом количестве в виде полезных примесей (они являются раскислителями). Марганец повышает прочность горячекатаной стали.

Сера и фосфор – вредные примеси, придают стали красноломкость (потери пластичности при 800 °С и выше).

Сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением. Кроме того, сера ухудшает механические свойства стали в холодном состоянии, значительно понижает ее вязкость. Единственное положительное влияние серы на свойства – улучшение обрабатываемости резанием.

Фосфор ухудшает пластические свойства стали, понижает ударную вязкость при комнатной температуре, а особенно при отрицательной температуре (придает стали хладоломкость). Это влияние заметно сказывается при содержании фосфора свыше 0,1 %. В отдельных случаях фосфор полезен: улучшает обрабатываемость стали резанием, а в присутствии меди – ее антикоррозионные свойства.

Сера и фосфор в повышенных количествах допускаются только в стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием, которая имеет сравнительно невысокие механические свойства.

Газы (кислород, водород, азот) как правило являются вредными примесями, присутствуют в любой стали в очень малых количествах, и их называют скрытыми примесями. Газы присутствуют в твердой стали в следующих формах: в газообразном состоянии (в порах, пустотах), в α–твердом растворе; в виде соединений, т.е. неметаллических включений (нитридов, оксидов).

Большое количество водорода в стали опасно, так как это может привести к внутренним надрывам (флокенам). С течением времени количество водорода в стали уменьшается за счет выделения его из металла, которое происходит вследствие того, что водород не образует соединений с железом. Выделение водорода сопровождается улучшением механических свойств стали, особенно пластичности.

Азот и кислород образуют хрупкие неметаллические включения, ухудшающие свойства металла (уменьшение вязкости и повышение порога хладоломкости).

Случайные примеси

Случайные примеси – это химические элементы, попадающие в сталь из руд различных месторождений или из скрапа, а также вследствие разновидностей технологического процесса.

Наиболее часто случайными примесями являются никель (до 0,3 %), хром (до 0,2 %), медь (до 0,1 %). Содержание случайных примесей не допускается выше определенного предела, установленного техническими условиями для стали каждой марки, так как очень часто одни и те же элементы, полезные в стали одного состава, в другой оказываются вредными.

Специальные примеси

Специальные примеси (легирующие элементы) вводятся в сталь в определенных количествах с целью изменения ее строения и свойств (повышение прочности, получение особых физико–химических свойств и т.д.). Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррите, аустените, цементите) или образуют специальные карбиды.