Свойства стали

Сталь - многокомпонентный сплав. Она содержит не только С, но и постоянные (технологические) примеси: трудноудалимые при плавке (P, S), вводимые при раскислении (Mn, Si), переходящие из шихты (Cr, Ni и др.)

Влияние углерода. В медленно охлажденной стали содержится 2 фазы – феррит и цементит, концентрация которого пропорциональна содержанию С. Твердые и хрупкие зерна цементита препятствуют движению дислокаций, т.е. повышает , твердость, но снижает пластичность и вязкость (рис.2.3). Значительное влияние оказывает также форма и размеры структурных составляющих. Чем тоньше и меньше зерна цементита, тем выше НВ и . Зернистая структура более пластична, чем пластинчатая. С снижает плотность, теплопроводность, НВ и , увеличивает и .

Рис.2.3. Влияние углерода на механические свойства сталей

Влияние Si u Mn. Содержание Si обычно , а Мп- 0,8%. Они переходят в сталь при ее раскислении и удалении вредных сернистых соединений:

Fe+Mn ;

Раскисление улучшает свойства сталей и повышает их плотность. Mn растворяется в цементите и феррите, заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности. Растет также прокаливаемость, стойкость к истиранию и твердость сталей, так как Mn способствует росту зерна аустенита при нагреве. Кремний полностью растворяется в феррите, сильно повышает , НВ, но снижает способность к пластической деформации.

Фосфор и сера – вредные примеси. Они попадают в сталь из руд и печных газов. Р растворяется в феррите и при концентрациях >0,1% резко снижает его пластичность, вязкость и увеличивает хладоломкость. Но может быть и полезным, т.к. повышает обрабатываемость резанием и коррозионностойкость. S не растворяется в Fe, а образует соединение FeS и эвтектику Fe - FeS, которая охрупляет сталь (красноломкость), располагаясь по границам зерен.

Газы ( ) присутствуют в следующих формах: свободном состоянии (газовые включения, поры); твердых растворах; соединениях (оксиды, нитриды и другие). Ухудшают свойства: охрупление, хладоломкость, снижение (особенно при циклических нагрузках) и повышенное старение.

В чугунах рассмотренные примеси аналогично влияют на свойства. Кроме того, они влияют на графитизацию (C, Si - увеличивают, Mn - уменьшает), а Р улучшает литейные свойства и износостойкость.

Элементы специально вводимые в сплав для изменения его строения и свойств, называют легирующими, а сплав легированным.

Эти элементы сильно влияют на свойства сталей, воздействуя на полиморфные превращения в Fe, температуры которых зависят от состава. Лиганды либо расширяют область существования (повышаются температуры и повышается ). Первую группу элементов (Ni, Mn и др.) называют аустенитными, расширяют - область от комнатной температуры до . Другие, ферритные элементы (V, Si, Mo и др.) делают феррит устойчивым до . В ферритных сплавах нет эвтектоидного превращения (рис.2.4).

Рис.2.4. Влияние ферритных (а) и аустенитных (б) элементов на полиморфизм Fe

Легирующие элементы могут находиться в сталях в свободном состоянии, в форме химических соединений с Fe или между собой, в виде оксидов, сульфидов и других не металлических соединений; но преимущественно растворяются в основных фазах системы Fe-C или образуют специальные карбиды. Так карбидообразующие элементы (V, W, Mo, Ti) конструктивную прочность термически обработанной стали. Но, в основном, влияние легирующих элементов проявляется в возрастании прочности и твердости феррита, в котором они растворяются. Особенно это проявляется при введении Si, Mn и Ni (рис.2.5).

Рис. 2.5. Влияние легирующих элементов на твердость и ударную вязкость

железа

Ni наиболее ценный лиганд. Остальные снижают вязкость феррита и повышают порог хладоломкости. Значительное влияние оказывают легирующие элементы на процессы термообработки, изменяя режимы фазовых превращений, прокаливаемость, рост зерна, дисперсность карбидной фазы и устойчивость мартенсита.

Влияние легирующих элементов на свойства чугунов проявляются в их графитизации. Придание специальных свойств обеспечивается с помощью добавок Cr, Ni, Cu, Al и Ti.