Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость.

Временное сопротивление _В достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

Сера попадает в сталь из чугуна при его переделе в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики FeFeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 С. При нагревании свыше 800 С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Красноломкость можно предотвратить повышением содержания в стали марганца.

При температуре горячей обработки (800…1200 С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Ce, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025…0,06 %.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии ее охрупчивает и способствует возникновению внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.

6.2. Легированные стали и сплавы

6.2.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводятся легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали, способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15…20 % придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре.

Молибден действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость.

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей  в сотых долях процента, для инструментальных и нержавеющих  десятых долях), затем ставится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует цифра, указывающая на среднее содержание этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А  азот, К  кобальт, Т  титан, Ю  алюминий, С  кремний, В  вольфрам, Ф  ванадий, Х  хром, Д  медь, Н  никель, Г  марганец, М  молибден, П  фосфор, Р  бор, Ц  цирконий, Ч  редкоземельные металлы, Б  ниобий. Например, сталь марки 12ХН3А содержит 0,12 % углерода, до 1,0 % хрома, 3 % никеля, буква А в конце обозначения указывает, что сталь высококачественная.

Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структуре после охлаждения на воздухе.

По назначению их делят на: конструкционные (машиностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе и строительных; инструментальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента и др.; стали и сплавы с особыми (специальными) свойствами (нержавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).

В зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевыми и т.п.

По структуре стали в равновесном состоянии делят на доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтектоидные (имеющие перлитную структуру), заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды) и ледебуритные (составной частью структуры являются первичные карбиды).

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали подразделяют на перлитные (малолегированные), мартенситные (среднелегированные) и аустенитные (высоколегированные).