Структура и основные свойства сталей

Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода до 2,14 %, называют сталями. Они после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. e. являются ковкими сплавами.

Сталь – основной металлический конструкционный материал, широко применяемый для инженерных сооружений, изготовления оборудования, машин, приборов и инструментов. Ее обширное использование обусловлено удачным сочетанием ценного комплекса механических, физико-химических и технологических свойств. Кроме того, она сравнительно недорогая и может производиться в любом количестве.

Механические свойства углеродистой стали зависят от концентрации в ней углерода. С увеличением количества углерода повышается концентрация цементита и уменьшается скопление феррита. Это вызывает усиление прочности и твердости и снижение пластичности сплава.

Кроме углерода в сталях обязательно присутствуют различные примеси.

Примесями называют химические вещества, перешедшие в состав сталей в процессе их производства как технологические добавки или как сопутствующие составляющие шихтовых материалов. Примеси бывают постоянными, скрытыми, случайными и специальными.

К постоянным примесям относятся марганец, кремний, фосфор и сера.

Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления. Марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа в сплаве. Оба элемента растворяются в феррите, повышая его прочность. Марганец также растворяется и в цементите. Концентрация этих примесей составляет обычно до 0,7 - 0,8 % марганца и до 0,5 % кремния.

Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным сырьем. Она повышает хрупкость материала. Данное явление получило название красноломкости. Сера содержится в виде сульфидов железа и марганца, не растворимых в a-железе при комнатной температуре. Красноломкость наступает при горячей деформации стали вследствие расплавления сульфида железа в g-железе (988 °С), расположенного по границам зерен. От этого сплав предохраняет марганец, который связывает серу в соответствующий тугоплавкий сульфид (Т_пл = 1620 °С). Однако одновременно сульфид марганца нарушает однородность в структуре сплава, снижает его пластичность и вязкость, усталостную прочность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Все это связывается с усилением полосчатости ферритно-перлитного строения из-за вытянутости сульфидов. В жаропрочных сталях повышение концентрации серы заметно уменьшает пределы ползучести и длительной прочности. Содержание серы допускается не более 0,06 %.

Фосфор также поступает в сталь с белым чугуном. Он как и сера является нежелательной добавкой, так как снижает пластичность сплава. Хрупкость стали, вызванная фосфором, тем выше, чем больше в ней содержится углерода. Поэтому количество фосфора в сплавах не должно превышать 0,05 %.

Скрытые примеси составляют присутствующие в сталях газы. Это азот, кислород и водород. Свое название они получили из-за сложности определения их количества в сплавах. Данные вещества заносятся в сталь при ее выплавке. Они очень сильно снижают ее пластичность. Содержание их допускается лишь до 10^-2 - 10^-4 %. Кислород вызывает красно- и хладноломкость и снижает прочность. Азот в виде нитридов железа, вызывающих деформационное старение. В холоднодеформированном сплаве атомы азота накапливаются на дислокациях и блокируют их. Сталь теряет свою пластичность. Положительное влияние азота – связывание его в прочные нитриды легирующих металлов, таких как AlN, VN, NbN и т. д. Он также используется в качестве аустенитообразуещего компонента в коррозионно-стойких и жаропрочных сплавах. Водород как примесь скапливается в порах и на дислокациях, вызывая увеличение хрупкости. Она тем резче, чем выше прочность металла. Наиболее сильно охрупчиваются закаленные мартенситные стали, меньше – аустенитные. Также большая концентрация водорода в сплаве может привести к флокенам – внутренним надрывам.

Случайными примесями могут быть любые химические элементы периодической системы, попавшие в шихту вместе с металлоломом или чугуном при производстве стали. Количество их в сплавах должно быть ниже тех пределов, когда эти же вещества или элементы вводят специально.

Специальные добавки. Это вещества или металлы, специально внедряемые в сплавы для получения каких-то определенных их свойств. Данные элементы именуют легирующими, а стали - легированными. Содержание их может быть различно и зависит от свойств того или иного элемента. Например, концентрация хрома или никеля в легированных сталях должна составлять от 1 % и более, а таких металлов, как ванадия, молибдена, титана и ниобия выше 0,1 - 0,5 %.