Влияние постоянных примесей на структуру и свойства сталей

Влияние кремния и марганца. Эти элементы являются техноло­гическими примесями. В хорошо раскисленной стали содержание кремния в качестве примеси обычно не превышает 0,4 %, а со­держание марганца – 0,8 %. Эти элементы переходят в сталь в процессе ее раскисления. При более высоком содержании этих элементов стали относят к классу легированных.

Кремний хорошо растворяется в феррите и сильно повышает твёрдость и предел текучести стали, снижая ее способность к холодной плас­тической деформации.

Марганец заметно повышает прочность в горячекатаных изделиях, практически не сни­жает пластичность и резко уменьшает красноломкость стали, т. е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние серы. Сера является вредной примесью, попадая в сталь из руд и из печных газов. С железом сера образует химическое соединение FeS, которое практически нера­створимо в нём в твёрдом состоянии, но растворимо в жидком металле. Соединение FeS образует с железом легкоплавкую эвтек­тику с температурой плавления 988 °С. Кристаллизуясь из жидко­сти по окончании затвердевания, эвтектика преимущественно располагается по границам зерен твердого раствора. 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 (горячеломкости).

Присутствие в стали марганца, обладающего большим срод­ством к сере, чем железо, и образующего с серой тугоплавкое соединение МnS, практически исключает явление красноломкости. В затвердевшей стали частицы МnS располагаются в виде от­дельных включений. В деформированной стали эти включения ока­зываются вытянутыми в направлении действия растягивающих сил.

Сернистые включения снижают ударную вязкость и пластич­ность в поперечном направлении вытяжки при прокатке и ковке, а также предел выносливости. В низкоуглеродистых сталях при содержании серы более 0,01 % снижается порог хладноломкости («сульфидный парадокс»). Сера ухудшает свариваемость и корро­зионную стойкость. Содержание серы в стали строго ограничивается; в зависимости от качества углеродистой стали оно не должно превышать
0,04¸0,06 %.

Влияние фосфора. Фосфор является вредной примесью,  и  со­держание его в

зависимости от качества углеродистой стали до­пускается не более
0,04¸0,07 %.

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. Каждая 0,01 % содержания фосфора повышает порог хладноломкости стали на 20¸25 °С.

Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Вследствие этого отдельные участки слитка сильно обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость. Современные методы получения стали не обеспечивают глубокой очистки металла от фосфора.

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присут­ствуют в стали в виде неметаллических включений в твёрдом ра­створе или, находясь в свободном виде, располагаются в дефект­ных участках металла (раковинах, трещинах и т.д.). Азот и кисло­род, концентрируясь в зернограничных объёмах и образуя выде­ления нитридов и оксидов по границам зёрен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разруше­нию. Неметаллические включения могут быть причиной специфического, так называемого шифер­ного (древовидного), излома, являющегося результатом хрупкого разрушения.

Очень вредным является растворённый в стали водород, кото­рый 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 серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали, поэтому сталь с флокенами нельзя использовать. Влияние водорода при сварке проявляется в образо­вании холодных трещин в наплавленном и основном металле.

Нанесение на поверхность стальных изделий гальванических покрытий или травление стали в кислотах для её очистки связано с опасностью насыщения поверхности водородом, что также вы­зывает охрупчивание. Уменьшение содержания водорода в стали обеспечивают вып­лавкой или разливкой стали в вакууме. Более подробно взаимосвязь химического состава, технологии термической обработки, формирующейся структуры, определяющей комплекс свойств, и принципы выбора сталей различных классов для деталей и узлов в машиностроении рассмотрены в следующих разделах.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: