Влияние примесей на свойства сталей

Сплавы на основе железа являются основными материалами для из­готовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машино­строении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механиче­ских, физических, химических и других свойств. Свойства сталей за­висят не только от их состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.

Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02...2,14 %), посто­янными примесями которого являются марганец до 0,8 %, кремний до 0,5 %, фосфор до 0,05 %, сера до 0,05 %. Такую сталь называют уг­леродистой. Если в процессе выплавки добавляют легирующие эле­менты (Сг, Si, Ni, Mn, V, W, Mo и др.), причем некоторые из них сверх их обычного содержания, то получают легированную сталь.

Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и легирую­щих элементов на механические свойства сталей.

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличе­нием его содержания повышаются твердость и прочность стали, сни­жаются пластичность и вязкость (рис. 5.1).

Временное сопротивление ав достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Структура углеро­дистых сталей может быть ферритно-перлитной (до 0,8 %), перлит­ной (0,8 %) и перлитоцементитной (свыше 0,8 % углерода). 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 растворяются в феррите и структурно не обна­руживаются, но 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. Рис. 5.1. Влияние углерода на механические свойства стали

Сера попадает в чугун, а затем и 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. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние се­ры, так как соединяясь с серой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Mn -> MnS + Fe), температура плавления которого 1620 °С.

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 стрдчечность) 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 (Се, 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. Его растворимость в железе при высокой температуре достигает 1,2 %, од­нако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02...0,03 % при 200 °С и ниже. 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 не только ее охрупчивает, но и способствует возникно­вению очень опасного дефекта - внутренних надрывов в металле, на­зываемых флокенами.

Легирующие элементы в стали оказывают различное влияние на аллотропические превращения железа и фазовые превращения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.

Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказы­вают хром, вольфрам, ванадий, молибден, ниобий, марганец, никель, медь и другие металлы. Они расширяют или сужают область сущест­вования у-железа. Например,, введение в сталь никеля, марганца и меди понижает температуру точки Аъ и повышает температуру точ­ки Д,, что (при определенном их содержании) расширяет область у-же­леза от температуры плавления до комнатной (рис. 5.2, а). Такие спла­вы представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-же-лезе и относятся к сталям аустенитного класса.

Вторая группа элементов, таких как хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, понижает температуру точки А4 и по­вышает температуру точки А3, сужая область у-железа на диаграмме (рис. 5.2, б). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до тем­пературы плавления представляют собой твердый раствор легирую­щего элемента в а-железе и называются сталями ферритного класса.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся мар­ганец, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. При небольшом содержании некоторые карбидообразующие элементы растворяются в цементите. Состав легированного цементита отвечает общей фор­муле (Fe, М)3С, где М-легирующий элемент. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента типа Сг7С3, Сг23С6, Мо2С, W2C, VC, TiC и др. Ряд элементов, например вольфрам и молибден, совместно с же­лезом образуют карбиды Fe3W3C и Fe3Mo3C. Все эти карбиды отлича­ются высокой твердостью и высокой температурой плавления.

Рис. 5.2. Диаграммы состояния железо - легирующий элемент: а - Fe-Mn, Ni, Pt, Ru, Os, Си; б- Fe-Si, W, Mo, V, Ti, Та, Nb, 2г(ж -жидкость)

Элементы, не образующие карбидов (Ni, Cu, Si, Co), находятся в стали главным образом в виде твердого раствора.

Легирующие элементы также изменяют кинетику распада аусте-нита (кобальт ускоряет превращение, никель, марганец, кремний, хром, молибден и др. - замедляют), влияют на положение темпера­турного интервала мартенситного превращения (кобаль и алюминий повышают точки Мн и Мк, остальные - понижают) и замедляют про­цесс распада мартенсита при отпуске.

Легирующие элементы, оказывая влияние на полиморфизм желе­за и превращения в стали при термической обработке, а также вызы­вая изменения фазового состава и структуры, оказывают существен­ное влияние на механические и эксплуатационные свойства сталей.