Влияние углерода и примесей на свойства сталей: классификация и легирование

Стали являются наиболее распространенными конструкционными материалами благодаря хорошему сочетанию технологических свойств. Изделия из сталей получают преимущественно методами обработки давлением и резанием, что обеспечивает высокую производительность и точность. Ключевым достоинством сталей является возможность получения необходимого комплекса механических и физико-химических свойств путем изменения химического состава и применения различных видов термической обработки. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные.

Влияние углерода на свойства сталей. Углеродистые стали являются базовым классом промышленных сплавов, и их свойства определяются главным образом концентрацией углерода, а также содержанием постоянных примесей, взаимодействующих с железом. Углерод оказывает определяющее влияние на структуру и, следовательно, на комплекс эксплуатационных характеристик стали (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Влияние углерода на механические свойства сталей

С увеличением массовой доли углерода в структуре стали закономерно возрастает количество цементита (Fe₃C) при одновременном уменьшении доли феррита. Изменение соотношения этих структурных составляющих приводит к снижению пластических характеристик (относительного удлинения δ и относительного сужения ψ), а также к повышению прочности и твердости. Предел прочности при растяжении (σв) возрастает до содержания углерода около 1 %, после чего наблюдается его снижение, что обусловлено образованием грубой сетки вторичного цементита по границам зерен.

Углерод существенно влияет на вязкие свойства стали. Повышение концентрации углерода увеличивает порог хладоломкости (температуру перехода в хрупкое состояние) и резко снижает ударную вязкость (KCU) . Кроме того, с ростом содержания углерода повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, тогда как магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции снижаются.

Изменение содержания углерода оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение концентрации углерода ухудшает литейные свойства (поэтому для фасонного литья используют стали с содержанием углерода до 0,4 %), а также обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость. Следует учитывать, что низкоуглеродистые стали (с содержанием углерода менее 0,2 %) также характеризуются плохой обрабатываемостью резанием из-за высокой вязкости и налипания на инструмент.

Влияние постоянных примесей на свойства сталей. В сталях всегда присутствуют примеси, которые по происхождению и влиянию подразделяются на четыре основные группы. К первой группе относятся постоянные (технологические) примеси: марганец, кремний, сера и фосфор.

Марганец и кремний вводятся в сталь в процессе выплавки для раскисления, то есть удаления растворенного кислорода, и поэтому называются технологическими примесями. Содержание марганца в углеродистых сталях обычно не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность стали, практически не снижая пластичности, и эффективно устраняет красноломкость, вызванную вредным влиянием серы. Это происходит потому, что марганец, обладая большим химическим сродством к сере, чем железо, образует соединение сульфид марганца (MnS) , которое располагается в виде отдельных пластичных включений, вытягивающихся вдоль направления прокатки.

Содержание кремния в углеродистых сталях не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, способствует повышению плотности слитка. Растворяясь в феррите, кремний упрочняет его, особенно заметно повышая предел текучести (σт) , однако при этом наблюдается некоторое снижение пластичности, что ухудшает способность стали к глубокой вытяжке.

Содержание фосфора в сталях общего назначения составляет 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает его кристаллическую решетку, что приводит к увеличению пределов прочности (σв) и текучести (σт), но одновременно резко снижает пластичность и вязкость. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывая хладоломкость, и уменьшает работу распространения трещины. Установлено, что повышение содержания фосфора на каждые 0,01 % увеличивает порог хладоломкости на 20…25 °С. Фосфор обладает высокой склонностью к ликвации (неравномерному распределению), поэтому в центральных зонах слитка отдельные участки могут иметь резко пониженную вязкость. Для улучшения обрабатываемости резанием в некоторых сталях (автоматных) допускается повышенное содержание фосфора — до 0,10…0,15 %.

Содержание серы в качественных сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера является вредной примесью, попадающей в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом она образует химическое соединение — сульфид железа (FeS) , который, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 °С. При нагреве стали под прокатку или ковку (до температур 1000–1200 °С) эта эвтектика расплавляется, нарушая связь между зернами. В результате при деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, и заготовка разрушается — это явление называется красноломкостью. Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость (KCU) , пластичность (δ и ψ), а также предел выносливости. Она ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость стали.

Влияние скрытых примесей (газов). Вторую группу составляют скрытые примеси — газы (азот, кислород, водород), которые попадают в сталь в процессе выплавки и разливки. Азот и кислород могут находиться в стали в виде хрупких неметаллических включений: оксидов (FeO, SiO₂, Al₂O₃) и нитридов (Fe₄N, Fe₂N), в виде твердого раствора внедрения или в свободном состоянии, скапливаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород O) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (оксиды, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и ударную вязкость стали. Особенно вредным является растворенный в стали водород, который вызывает охрупчивание. Водород приводит к образованию в катаных заготовках и поковках флокенов — тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе вид пятен-хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами не пригоден к использованию, так как при сварке в наплавленном и основном металле образуются холодные трещины. Если водород сконцентрирован в поверхностном слое, он может быть удален нагревом при 150…180 °С, желательно в вакууме порядка 10⁻¹…10⁻³ мм рт. ст. Для эффективного удаления скрытых примесей из расплава применяют вакуумирование стали.

Назначение и распределение легирующих элементов. Третью группу составляют специальные примеси — элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях для получения заданных свойств. Такие примеси называются легирующими элементами, а стали — легированными.

Основным легирующим элементом многих конструкционных сталей является хром в количестве 0,8…1,2 %. Он повышает прокаливаемость, способствуя получению высокой и равномерной твердости в сечении изделия. Порог хладоломкости хромистых сталей находится в интервале 0…-100 °С. К числу дополнительных легирующих элементов относятся:

- Бор (около 0,003 %) — значительно увеличивает прокаливаемость, но при этом повышает порог хладоломкости до +20…-60 °С.
- Марганец (до 1,5…2 %) — увеличивает прокаливаемость, однако способствует росту зерна и повышает порог хладоломкости до +40…-60 °С.
- Титан (около 0,1 %) — вводится для измельчения зерна, например, в хромомарганцевых сталях.

- Молибден (0,15…0,45 %) — в хромистых сталях увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости до -20…-120 °С, повышает статическую, динамическую и усталостную прочность, устраняет склонность к внутреннему окислению и снижает чувствительность к отпускной хрупкости.
- Ванадий (0,1…0,3 %) — в хромистых сталях измельчает зерно, повышает прочность и вязкость.
- Никель (1…5 %) — значительно повышает прочность и прокаливаемость, резко понижает порог хладоломкости (до -120 °С и ниже), но повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением молибдена). Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом механических свойств, однако никель является дефицитным элементом. Значительную часть никеля можно заменить медью без снижения вязкости.

При одновременном легировании хромом, марганцем и кремнием получают группу сталей, называемых хромансиль (например, 20ХГС, 30ХГСА). Эти стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Добавка свинца (Pb) или кальция (Ca) улучшает обрабатываемость резанием (автоматные стали).

Легирующие элементы распределяются в стали между основными фазами — ферритом, аустенитом и цементитом — или образуют самостоятельные специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в феррите происходит по типу замещения атомов железа, что создает напряжения в кристаллической решетке и изменяет ее период. Это приводит к упрочнению феррита, однако пластичность при этом снижается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют феррит слабее, чем никель, кремний и марганец. Молибден, вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах могут снижать вязкость.

Карбиды в стали образуют элементы, расположенные в периодической системе левее железа (хром, ванадий, титан, молибден, вольфрам), которые имеют незаполненную d-электронную подоболочку. В зависимости от соотношения атомных радиусов металла и углерода различают:

- Карбиды типа химических соединений (Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C) со сложной кристаллической решеткой, которые способны растворяться в аустените при нагреве.
-Карбиды типа фаз внедрения (Mo₂C, WC, VC, TiC, TaC) с простой кристаллической решеткой, характеризующиеся высокой твердостью, тугоплавкостью и трудно растворяющиеся в аустените.

Четвертую группу составляют случайные примеси, попадающие в сталь из шихты или футеровки печи (например, медь, цинк, сурьма, олово и др.), содержание которых строго контролируется или ограничивается.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.