СТАЛІ

У сталях промислового виробництва, крім основних компонентів (залізо, вуглець і легуючі елементи в легованих сталях), містяться різні домішки - постійні і випадкові. Вони потрапляють в сталь із вторинної сировини, руд, навколишнього середовища та ін.

Постійні домішки поділяються:

  • - На шкідливі домішки, наявність яких зумовлена неможливістю їх повного видалення з металу в процесі його виплавки; до них відносяться сірка, фосфор і гази (кисень, азот і водень);
  • - Корисні домішки, їхня присутність пов'язана з технологічними особливостями виробництва сталей; до них відносяться марганець і кремній.

Випадкові домішки - хром, нікель, мідь, олово, миш'як і ін. Їх кількість невелика, вони мало впливають на процеси перетворень і властивості і в подальшому не розглядаються.

Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості стали

Вплив вуглецю

Стали, як це видно з діаграми стану системи "Fe - Fe3C" (див. Рис. 4.4), після повільного охолодження мають різну структуру. Однак у всіх випадках вона складається з двох фаз - фериту і цементиту (Ф + Ц). Кількість цементиту зростає в структурі стали приблизно пропорційно вмісту вуглецю. Так, при вмісті вуглецю 0,37% кількість цементиту становить 5%, при 0,7% - 10%, а при вмісті вуглецю порядку 2% досягає 30%. Цементит в структурі присутній як самостійна фаза або в складі перліту. твердість

Вплив вуглецю на механічні властивості стали

Мал. 6.1. Вплив вуглецю на механічні властивості стали

цементиту (800 ... 850 HV) на порядок більше, ніж фериту (80 HV). Тому зі збільшенням в сталі змісту вуглецю зростають її твердість, межі міцності і текучості, а характеристики пластичності - відносне подовження і відносне звуження, а також і ударна в'язкість - знижуються (рис. 6.1).

При підвищенні вмісту вуглецю понад 1,0 ... 1,1% межа міцності стали знижується. Це відбувається, якщо в структурі по межах зерен перліту утворюється цементітная сітка. При жорстких випробуваннях на розтягнення (див. 2.1.1 та рис. 2.6) сітка крихкого цементиту стає концентратором напружень, що призводить до руйнування при менших напругах.

C збільшенням вмісту вуглецю в стали змінюються і фізичні властивості: знижується щільність, підвищуються питомий електроопір і коерцитивної сила, знижуються теплопровідність і магнітна проникність.

Вплив домішок

Вплив сірки. Вона повністю розчиняється в рідкому металі, а розчинність в залозі в твердому стані - низька. Максимальна розчинність досягається при 988 ° С в аустените і становить 0,025 ... 0,03% (рис. 6.2). У твердому стані сірка присутня в структурі у вигляді хімічної сполуки - сульфіду заліза FeS.

При температурі 988 ° С в сплаві утворюється тендітна сульфидная евтектика, що представляє собою суміш аустеніту (або фериту після охолодження) і сульфіду: А (Ф) + FeS. Евтектика при кристалізації розташовується по межах зерен. Чим більше в сталі сірки, тим більше евтектики в се структурі.

Температура початку гарячої пластичної деформації сталей (кування, прокат) - 1150 ° С, при цій температурі сульфидная евтектика плавиться. У металі виникають ділянки рідини, але яким при деформації злиток руйнується ( "ламається") або виникають надриви і тріщини. Нагрівання викликає світіння стали різного кольору в залежності від температури (гартування). При нагріванні злитка до температур гарячого пластичного деформування 900 ... 1150 ° С стали набувають світло-червоний колір. Тому руйнування при цих температурах в результаті деформації називають красноломкостью. Червоноламкість не виявляється при вмісті в сталі сірки менше 0,025%. У таких кількостях вона розчиняється в залозі в твердому

Діаграма стану "залізо - сірка"

Мал. 6.2. Діаграма стану "залізо - сірка"

стані, і евтектика не утворюється. Червоноламкість усувається також введенням в сталь марганцю. Марганець, що володіє більшою спорідненістю до сірки, ніж залізо, відновлює залізо з його сульфіду, утворюючи власний тугоплавкий сульфід за такою реакції:

FeS + Μn → Fe + MnS

Температура плавлення сульфіду марганцю 1620 ° С, тому він не розчиняється в залозі не тільки в твердому, але і в рідкому стані (температура плавлення заліза - 1539 ° С, а сталей нижче, див. Рис. 4.4). З цієї причини в стали не утворюється евтектики, що містить сульфід марганцю. Він розташовується у вигляді окремих включень, які в деформованої стали витягуються в напрямку пластичної деформації (наприклад, прокатки). Сульфіди (FeS, MnS) значно знижують ударну в'язкість і пластичність в поперечному напрямку, викликаючи анизотропию властивостей, а також зменшують межа витривалості.

Вміст сірки в стали строго обмежується; воно не повинно перевищувати в різних сталях 0,025 ... 0,06%.

Вплив фосфору. На відміну від сірки фосфор розчиняється в фериті в великих кількостях (до 1,2%). При цьому фосфор сильно спотворює кристалічну решітку, збільшуючи межа міцності і межа плинності, але істотно знижує пластичність і ударну в'язкість, особливо сильно при низьких температурах.

Фосфор, таким чином, викликає хладноломкость; він зрушує порігхладноломкості в сторону більш високих температур (див. 2.4.2). Збільшення вмісту фосфору на 0,01% підвищує порігхладноломкості на 7 ... 20 ° С.

Фосфор, як і сірка, схильний до підвищеної ліквації. В результаті центральні зони зливка збагачуються фосфором і мають різко знижену в'язкість. Зміст фосфору в сталі також строго регламентується і не має перевищувати в різних сталях 0,025 ... 0,07%.

Вплив газів (кисень, азот, водень). Кисень, азот і водень присутні в сталях в незначних кількостях, але помітно погіршують їх властивості.

Кисень і азот утворюють тендітні неметалеві включення (оксиди FeO, SiО2, А12O3 і нітриди Fe4N і ін.), А також можуть існувати в газоподібному стані, перебуваючи в несплошностях металу (в раковинах, тріщинах злитків). Дрібні частинки оксидів і нітридів розташовуються по межах зерен і є концентраторами напружень, викликаючи підвищення порога хладноломкости і зниження ударної в'язкості.

Водень не утворює сполук із залізом. Розчиняючись в стали при виплавці, він викликає поява флокенов (це тонкі тріщини овальної або округлої форми) в катаних заготовках і великих поковках. Наявність флокенов значно збільшує крихкість стали.

Вплив марганцю і кремнію. Ці елементи є корисними домішками, оскільки в якості технологічних добавок спеціально вводяться в розплавлену стати для розкислення. Як раскислители вони необхідні для відновлення заліза з його оксидів і видалення кисню. Це відбувається за таких реакцій:

FcO + Μn → Fe + MnO

2FeO + Si → 2Fe + SiO2

Утворені в результаті розкислення оксиди марганцю і кремнію спливають в шлак, який видаляється перед розливанням металу. Крім того:

  • - Марганець усуває шкідливий вплив сірки, попереджаючи появу красноломкості, як це розглянуто вище;
  • - Кремній, дегазіруя метал, підвищує щільність злитка.

Після розкислення в стали зберігається 0,5 ... 0,8% марганцю і 0,35 ... 0,4% кремнію. Останній повністю розчиняється в фериті і помітно підвищує межа плинності, знижуючи пластичність стали. У зв'язку з цим в сталях, призначених для холодного штампування і холодної висадки, вміст кремнію зменшують (див. 11.3.2). Раскислители вводяться в рідку сталь у вигляді феросплавів. Як раскислители використовується також алюміній. Залежно від умов розкислення стали підрозділяють на киплячі (кп), напівспокійну (пс) і спокійні (с).

Киплячу сталь раскисляют тільки ферромарганцем; кремній до складу раскислителя не входить. У рідкому металі в цьому випадку зберігається підвищена кількість оксиду заліза - FeO. В результаті реакції оксиду заліза і вуглецю утворюється газ СО, бульбашки якого, виходячи на поверхню, створюють враження кипіння.

Спокійні стали раскисляют ферромарганцем, феросиліцію і алюмінієм. У цьому випадку досягається повне розкислення; в результаті реакцій обміну кисень оксиду заліза зв'язується кремнієм і алюмінієм і газ СО не утворюється.

Напівспокійну стали (раскисляют ферромарганцем і невеликою кількістю феросиліцію) за властивостями займають проміжне положення.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >