19.4. Углеродистые стали

Углеродистые стали имеют сложный химический состав. Кроме основных компонентов — железа (97—99,5%) и углерода — они со­держат примеси никеля, хрома, кремния, марганца, серы, фосфора, кислорода, азота, водорода или других элементов. Углеродистыми являются стали, которые содержат мало примесей, но достаточно — углерода. Углерод и примеси оказывают непосредственное влияние на структуру и свойства стали.

Как уже отмечалось, доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита, эвтектоидные — из перлита и вторичного цементита. По­сле медленного охлаждения сталь при обычной температуре состоит из двух фаз — феррита и цементита, причем количество феррита уменьшается, а количество цементита повышается пропорциональ­но содержанию углерода. Присутствие этих фаз влияет на твердость стали, так как твердость цементита (по Бриннелю) составляет 8000—8500 МПа, у феррита 800—900 МПа. Твердые частицы цемен­тита затрудняют движение дислокации и тем препятствуют дефор­мациям, понижают пластичность и вязкость стали. С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость (НВ), предел прочности при растяжении (σ_в) и предел текучести (σ_0,2), уменьша­ются пластичность (относительные удлинение δ, сужениеα) и ударная вязкостьψ(рис. 19.8), понижаются плотность, теплопро­водность и магнитная проницаемость, но возрастает ее электросоп­ротивление.

Рис. 19.8. Изменение свойств стали с увеличением содержания углерода

На качество стали влияют примеси — марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы (азот, кислород и др.).

Марганец содержится в каче­стве примеси во всех углероди­стых сталях примерно в одина­ковом количестве, но не более 0,8% по массе. Его вводят в ста­ли в виде ферромарганца, т. е. сплава железа с марганцем, для раскисления при плавке с целью устранения вредных примесей закиси железаFeO, ухудшаю­щих, качество стали.

Раскисление состоит в том, что марганец соединяется с кис­лородом закиси железа, образу­ет оксид марганца МnО, основ­ная часть которого, выделяясь из стали, переходит в отделяющийся от стали шлак:FeO+Mn→Fe+ МnО. Но некоторая доля оксида марганца остается в стали, а часть марганца растворяется в феррите и цементите, также оставаясь в стали. Марганец способствует устра­нению вредных примесей сернистых соединений железа. В результа­те раскисления улучшаются свойства, в частности повышается проч­ность стальных горячекатаных изделий.

Кремния в углеродистой стали содержится обычно не более 0,35—0,5%. Его вводят как примесь в сталь в виде ферросилиция, т. е. сплава железа с кремнием, с той же целью, что и марганец, — для раскисления при плавке: 2FeO+Si→ 2Fe+SiO₂. Основная частьSiO₂удаляется в виде шлака, но часть оксида кремния, не успевшая всплыть со шлаком, остается в стали. Остается и часть кремния, растворившаяся в феррите. Раскисление стали кремнием улучшает ее свойства, повышает плотность слитка, так как кремний дегазирует сталь.

Сера попадает в чугуны и стали из руд и печных газов (газSO₂— продукт горения топлива). Она является вредной примесью и ее допускается в стали не более 0,035—0,06%. Сера образует с желе­зом сульфид железаFeSс появлением легкоплавкой и хрупкой эв­тектики (эвтектической смесиFe+FeS). Последняя придает стали хрупкость при нагревании ее до 800°С и выше, т. е. до температуры красного каления. Такое явление называют красноломкостью. Сталь, содержащая повышенное количество серы, не поддается го­рячей обработке давлением вследствие красноломкости. При обра­ботке же стали прокатом или ковкой с нагреванием до 1000—2000°С эвтектика расплавляется, вследствие чего нарушается связь между зернами стали. Возникают трещины и надрывы в местах расположе­ния эвтектик. При введении в сталь марганца вредное влияние серы, красноломкость практически исключаются, так как марганец имеет брлее сильное химическое сродство с серой, чем железо, и образует с ней тугоплавкий сульфид марганцаMnS.

Сернистые включения значительно понижают механические свойства стали, улучшают ее коррозионную стойкость и сваривае­мость, облегчают обработку стали резанием.

Фосфор содержится в железной руде, флюсах, топливе и является вредной примесью в стали. Его содержание ограничивается не более чем 0,025—0,045%. Он растворяется в феррите, искажая его кристал­лические решетки, вследствие чего резко повышает температуру пе­рехода стали в хрупкое состояние, т. е. вызывает так называемую хладноломкость стали.

Фосфор повышает прочность и уменьшает пластичность и вяз­кость стали. Он неоднородно распределяется в стальном слитке (ликвация), вследствие чего некоторые средние участки стального слитка содержат повышенное количество фосфора, обладают значи­тельно пониженной вязкостью.

В стали содержится небольшое количество газов (азота, кисло­рода и др.), ухудшающих ее свойства.

Содержание неметаллических включений и газов в стали значи­тельно уменьшается при выплавке или разливе ее в вакууме.