Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов

В состав обычных углеродистых сталей кроме железа и углерода входят в небольшом количестве примеси кремния, марганца, фосфора, серы, кислорода, азота. Их присутствие вызывается условиями получения стали. В обычных углеродистых сталях содержание кремния не превышает 0,35 % и марганца 0,9 %. В таких количествах они не оказывают существенного влияния на механические свойства сталей.

Фосфор относится к числу вредных примесей. Образуя с α-железом твердый раствор замещения, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку феррита, в связи с чем повышаются его твердость и хрупкость. Наличие фосфора в количестве более 0,045 % делает сталь хрупкой при низких температурах. Фосфор является сильно ликвирующим эле-ментом, поэтому содержание его в сталях не должно превышать 0,07 %. Фосфор способствует росту зерен, что ухудшает механические свойства стали. В присутствии меди добавки фосфора могут улучшать обрабатываемость и повышать коррозионную стойкость сплава.

Сера, так же как и фосфор, - вредная примесь. Сера находится в стали в виде химического соединения FеS, образуя с железом легкоплавкую эвтектику с температурой затвердевания около 985 °С. Затвердевая в последнюю очередь, она располагается по границам зерен, разобщая их хрупкой и непрочной оболочкой. При нагреве стали до красного каления эти оболочки частично расплавляются, и прочная связь между зернами нарушается. Поэтому сталь с повышенным содержанием серы становится хрупкой при горячей механической обработке. Кроме того, сера понижает коррозионную стойкость и ухудшает свариваемость стали. Содержание серы в стали не должно превышать 0,06 %.

Повышенным содержанием кислорода характеризуются плохо раскисленные стали. Кислород находится в стали преимущественно в виде хрупких оксидов: FеО, SiO₂, Al₂O₃. FеО растворяется в железе, но при охлаждении растворимость его снижаетсяи закись железа выделяется в виде хрупких шлаковых прослоек на поверхности зерен металла, способствуя повышению хрупкости и понижению ударной вязкости. В спокойной стали 0,002…0,001 % кислорода, в кипящей — 0,03…0,08 %.

Азот присутствует в стали в виде нитрида Fe₄N или в свободном виде, располагаясь в дефектах кристаллов, трещинах, повышая хрупкость. Повышенное содержание азота снижает пластичность стали.

Существенное влияние на свойства чугуна оказывает форма углеродной составляющей. При медленном охлаждении чугуна цементит распадается с образованием графита. Кремний способствует графитизации чугуна. Марганец в количестве 0,5…1,4 % препятствует графитизации. Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитизации. Сера, являясь вредной примесью, ухудшает литейные свойства чугуна, увеличивает его усадку, повышает склонность к трещинообразованию, снижает температуру хрупкости. Чтобы устранить вредное влияние серы, в состав чугуна вводят марганец. Марганец образует с серой тугоплавкое соединение MnS – пластичный сульфид марганца, с температурой плавления 1620 °С.