Розділ 7. СталІ. Класифікація і маркування сталей
7.1. Вплив вуглецю і домішок на властивості сталей
Сталі є найбільш поширеними матеріалами, оскільки володіють гарними механічними і технологічними властивостями. Вироби отримують у результаті обробки тиском і різанням.
Сталі поділяють на вуглецеві і леговані.
Вуглецеві сталі є основними. Їх властивості визначаються кількістю вуглецю і вмістом домішок, які взаємодіють із залізом і вуглецем.
Вплив вуглецю
Вплив вуглецю на властивості сталей показаний на рис. 7.1.
400 800 1200 σB,МПа 60 40 20 0 0 0,4 0,8 1,2 С,% 0 80 120 240 НВ Ψ,δ % Ψ НВ σB δ
Рис. 7.1. Вплив вуглецю на властивості сталей
Зі зростанням умісту вуглецю в структурі сталі збільшується кількість цементиту за одночасного зниження частки фериту. Зміна співвідношення між складовими призводить до зменшення пластичності, а також до підвищення міцності і твердості. Міцність підвищується до вмісту вуглецю близько 1 %, а потім вона зменшується, оскільки утворюється груба ґратка цементиту вторинного.
Вуглець впливає також і на в'язкі властивості. Збільшення вмісту вуглецю підвищує поріг холодокрихкості і знижує ударну в'язкість, підвищуються електроопір, знижуються магнітна проникність і щільність магнітної індукції.
Вуглець впливає і на технологічні властивості. Підвищення вмісту вуглецю погіршує ливарні властивості сталі (використовуються сталі із вмістом вуглецю до 0,4 %), оброблюваність тиском і різанням, зварюваність. Слід враховувати, що сталь із низьким умістом вуглецю також погано обробляється різанням.
Вплив домішок
У сталях завжди присутні домішки, що поділяються на чотири групи.
1. Постійні домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор.
Марганець і кремній вводяться в процесі виплавки сталі для розкислювання, вони є технологічними домішками.
Вміст марганцю не перевищує 0,5–0,8 %. Марганець підвищує міцність, не знижуючи пластичності, і різко знижує червоноламкість сталі, викликану впливом сірки. Він сприяє зменшенню вмісту сульфіду заліза FеS, оскільки утворює з сіркою з'єднання сульфід марганцю MnS. Частинки сульфіду марганцю розташовуються у вигляді окремих включень, які деформуються і виявляються витягнутими вздовж напряму стискання.
Вміст кремнію не перевищує 0,35–0,4 %. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність злитку. Кремній розчиняється у фериті й підвищує міцність сталі, особливо підвищується межа текучості. Але спостерігається деяке зниження пластичності, що знижує здатність сталі до витягування.
Вміст фосфору в сталі становить 0,025–0,045 %. Фосфор, розчиняючись у фериті, спотворює кристалічну решітку і збільшує межу міцності і межу текучості, але знижує пластичність і в'язкість.
Розташовуючись поблизу зерен, фосфор збільшує температуру переходу в крихкий стан, викликає холодокрихкість, зменшує розповсюдження тріщин, Підвищення вмісту на кожну 0,01 % підвищує поріг холодокрихкості на 20–25 oС.
Фосфор має схильність до ліквації, тому в центрі злитку окремі ділянки мають різко знижену в'язкість.
Для деяких сталей можливе збільшення вмісту фосфору до 0,10–0,15 % для поліпшення оброблюваності різанням.
Сірка (S) зменшує пластичність, зварюваність і корозійну стійкість. Р викривляє кристалічну решітку.
Вміст сірки в сталях складає 0,025–0,06 %. Сірка – шкідлива домішка, потрапляє в сталь із чавуну. У процесі взаємодії із залізом утворює хімічну сполуку – сульфід сірки FеS, який, у свою чергу, утворює із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988 oС. За нагріву під час обробки тиском евтектика плавиться, порушуються зв'язки між зернами. За деформації в місцях розташування евтектики виникають надриви і тріщини, заготівка руйнується. Це явище називається червоноламкістю.
Червоноламкість – підвищення крихкості за дії високих температур.
Сірка знижує механічні властивості, особливо ударну в'язкість, пластичність і межу витривалості. Вона погіршує зварюваність і корозійну стійкість.
2. Приховані домішки – гази (азот, кисень, водень) – потрапляють у сталь під час виплавки.
Азот і кисень знаходяться в сталі у вигляді крихких неметалічних включення: оксидів (FеO, SiO2, Al2O3), нітриду (Fe2N), у вигляді твердого розчину або у вільному стані, розташовуючись у дефектах (раковинах, тріщинах).
Домішки занурення (азот N, кисень О2) підвищують поріг холоднокрихкості і знижують опір крихкому руйнуванню. Неметалічні (оксиди, нітриди) включення, можуть значно знизити межу витривалості і в'язкість.
Флокени – тонкі тріщини овальної або округлої форми, що мають у зламі вид плям – пластівців сріблястого кольору.
Метал із флокенами не можна використовувати в промисловості, під час зварювання утворюються холодні тріщини в наплавленому й основному металі.
Якщо водень знаходиться в поверхневому шарі, то він виділяється в результаті нагрівання до 150–180 oС або у вакуумі.
Для видалення прихованих домішок використовують вакуумування.
3. Спеціальні домішки – спеціально вводяться в сталь для набуття заданих властивостей. Домішки називаються легуючими елементами, а сталі – легованими сталями.