Влияние концентрации углерода на свойства железоуглеродистых сплавов

По мере повышения концентрации углерода в стали и чугуне изменяются структура и их механические свойства. Прочность горячекатаной стали в нормализованном состоянии с увеличением содержания углерода повышается, а пластичность снижается (рис. 4.4.2). Повышение прочности достигает предельного значения при содержании углерода около 0,9 %. При дальнейшем увеличении количества углерода наблюдается возрастание твердости, но снижение прочности. Это объясняется влиянием хрупкой цементитной сетки, которая окружает зерна перлита и уменьшает прочность связи между ними.

Кроме того, с увеличением содержания углерода снижаются технологические свойства стали, увеличивается усадка, ухудшается жидкотекучесть, ковкость и свариваемость, затрудняется механическая обработка. Поэтому для сварных конструкций используют стали с пониженным содержанием углерода (до 0,3 %), а штамповки изготовляют из стали с содержанием углерода до 0,5 %.

Рис. 4.4.2. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Следует остановиться на влиянии формы цементита на механические свойства перлита. Частички цементита в перлите могут быть не только в виде пластинок, но и в виде округлых зерен.

Изменение формы цементита существенно изменяет механические свойства стали и прежде всего пластич­ность. У стали со структурой зернистого перлита предел прочности и твердости ниже на 15−20 %, чем у стали со структурой пластинчатого перлита, а относительное удлинение выше в 2−4 раза. Например, сталь с содержанием 0,8 % С со структурой пластинчатого перлита имеет предел прочности σ_В = 800 МПа, относительное удлинение δ = 14 %, а со структурой зернистого перлита σ_В = 590 МПа,
δ =29 %. Повышенная пластичность зернистого перлита объяс­няется тем, что глобулярные частицы цементита оказывают меньшее сопротивление развитию пластической деформации по сравнению с пластинчатыми. Энергия, необходимая для разрушения металла при динамической нагрузке, в этом случае увеличивается, ударная вязкость возрастает.

Увеличение концентрации углерода у белых чугунов повышает их твердость от HRC 35 при 2,2 % С до HRC 48 при 4,3 % С и соответственно хрупкость. Динамическая прочность белых чугунов близка к нулю. С увеличением углерода в серых чугунах увеличивается количество и размер графитных включений, что также снижает прочность.

Углерод оказывает влияние и на свойства серых чугунов. Увеличение содержания углерода ведет к увеличению количества графитовых включению и снижению механических свойств, но значительно улучшают литейные свойства.

Также значительно влияние размеров и формы графитных включений на механические свойства у серых чугунов (рис. 4.4.3). Измельчая графитные включения, повышают в 2−3 раза предел прочности чугуна. У чугунов, имеющих крупные, пересекающиеся графитные включения, предел прочности при растяжении уменьшается до 120 МПа. Наиболее высокую прочность имеют высокопрочные чугуны с шаровидным графитом. Наибольшее относительное удлинение при достаточно высокой прочности (370 МПа) имеют ковкие ферритные чугуны (δ до 12 %).

Рис. 4.4.3. Зависимость механических свойств чугуна от формы и размеров графитовых включений (СЧ 12 – с грубопластинчатым графитом, СЧ 32 – с мелким завихрённым графитом)