Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей.

Наиболее сильное влияние на структуру и свойства сталей оказывает углерод. Чем больше в сталях углерода, тем больше в их структуре твёрдого и хрупкого феррита. Поэтому с увеличением содержания углерода прочность сталей нарастает, достигает максимума при 0,8-1% и затем начинает снижаться. Таким образом, наибольшими прочностными характеристиками обладает сталь, по составу близкая к эвтектоидной, в структуре которой преобладает перлит. С повышением содержания углерода повышается порог хладоломкости стали, т.е. та температура, при охлаждении, до которой сталь становится хрупкой (сталь содержащая 0,4% углерода имеет порог хладоломкости 0 градусов). С повышением содержания углерода снижается способность сталей к свариванию и пластической деформации. Способность к обработке резанием оптимальное у среднеуглеродистых сталей. При более высоком содержании углерода сталь является слишком твёрдой и хрупкой, что ведёт к преждевременному износу режущего инструмента. При более низком содержании углерода, сталь становится слишком мягкой, что приводит к шероховатой поверхности резания.

Кремний специально вводят в сталь на заключительном этапе её выплавки, с целью раскисления, т.е. удаления из сталей избыточного кислорода, который присутствует в виде соединения FeO, существенно ухудшающего свойства готовой стали. Таким образом кремний является полезной примесью. Обычно кремний растворяется в феррите, образуя твёрдый раствор замещения и упрочняет феррит.

Фосфор попадает в сталь из руды. Он также как и кремний растворяется в феррите, но приводит к ухудшению его пластический свойств и увеличению хрупкости. Кроме того, фосфор может скапливаться в сталях в чистом виде, в виде так называемых сегрегаций. Эти сегрегации так же ведут к увеличению хрупкости стали, особенно при низких температурах. С увеличением содержания фосфора повышается порог хладноломкости стали. Таким образом, фосфор является вредной примесью, приводящей к хрупкости стали.

Сера является так же вредной примесью. Она попадает в сталь в основном из руды и золы топлива. Полностью избавится от серы не просто. В сталях сера не растворяется, она образует соединение FeS, которое совместно с чистым железом формирует легкоплавкую эвтектику, с температурой плавления , располагающейся по границам зёрен. При нагреве стали до горячего деформирования, эта эвтектика частично проплавляется или размягчается, что приводит к комкости стали. Такое явление называют красноломкостью. Таким образом, сера это вредная примесь, ведущая к красноломкости.

Марганец как и кремний, специально вводят в сталь для её раскисления. Он оказывается не только полезное раскисляющее действие, но так же препятствует вредному влиянию серы. Он более активно взаимодействует с серой, образуя соединение . Эта эвтектика уже не растворяется при температурах горячего деформирования, что препятствует развитию красноломкости. Таким образом марганец в сталях является полезной примесью.

Газы: кислород, водород и азот попадают в сталь на этапе выплавки. Эти газы либо растворяются в феррите, образуя твёрдые растворы внедрения, либо образуют различные химические соединения (окислы, нитриды), либо в чистом виде собирается в порах. Растворяясь в феррите эти газы повышают его хрупкость и снижают вязкость. Все химические соединения загрязняют сталь и снижают её прочностные характеристики. Газы скапливающиеся в порах в чистом виде, так же ухудшают механические свойства стали. Особенно вредное влияние оказывает водород, который скапливается под большим давлением, приводит к внутренним разрывам стали. Все газы в сталях являются вредными примесями. Чем меньше в сталях вредных примесей, тем сталь качественнее.

Основы теории легирования стали.

Легирующими элементами в стали являются элементы, спе­циально вводимые в сталь с целью изменения свойств. Сталь, в состав которой введены легирующие элементы, называется легированной. К числу наиболее часто используемых специаль­ных легирующих элементов относятся Cr, Ni, Mo, V, Ti, W_r а также Si и Мп, если количество этих элементов в стали пре­восходит содержание их в углеродистой стали. Свойства леги­рованных сталей в значительной степени определяются тем, какие фазы образуются при сплавлении легирующих элемен­тов с железом и углеродом.

Легирующие элементы изменяют температуру полиморфных превращений в железе, т.е. точки А3 и А4, тем самым влияя на вид диаграмм железо - элемент. По влиянию легирующих элементов на диаграмму состояния их можно разделить на две группы, каждая из которых в свою очередь делится на две подгруппы. На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая классификацию легирующих элементов по их влиянию на полиморфизм железа. К первой группе относятся легирующие элементы, расширяющие g-область (рис.1 а, б). Расширение g-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку А4 и понижает точку А3. При этом возможно существование g-фазы во всем интервале концентраций (открытая g-область) и ограничение области существования g-фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная g-область). Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора (рис. 1, а), к ним относятся никель, марганец, кобальт, палладий, платина, и на элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1, б). К таким элементам относятся: углерод, азот, медь, цинк. Ко второй группе относятся элементы, сужающие g-область (рис. 1 в, г). Сужение g-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А4 и повышает точку А3. При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание g-области. В этой группе различают также двойные системы с замкнутой g-областью и гомогенной a-областью (закрытая g-область, рис. 1, б) и системы, в которых g-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная - g-область, рис. 1, г). Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой g-областью и образованием гомогенной a-области (Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As, Sn, Sb), и элементы, образующие с железом сплав с суженной g-областью, ограниченной гетерогенной областью (Re).