Углерод и постоянные примести в стали. Их влияние на ее свойства. Легированные стали

Сталь легированная.

При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, V и др.) достигается значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).

Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область аустенита, снижая критические точки Ас₃, а другие, наоборот, сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинства легирующих элементов повышать прокаливаемость, стали на значительную толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренние напряжения, и снижается опасность появления закалочных трещин.

Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу и микроструктуре.

По назначению легированные стали разделяют на три класса: конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали с особыми физико-химическими свойствами.

Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначаются буквами: С – кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,3. % С, 1 % Сr, 3 % Ni, 1 % Mo.

По химическому составу легированные стали делят на три класса: низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %; среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные, содержащие более 10 % таких элементов, например нержавеющая сталь 1Х18Н9.

В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная, аустенитная, ферритная и карбидная (ледебуритная). Большинство конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов (не более 5...6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием.

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р, S), так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Сг и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Постоянные примеси могут присутствовать в виде твердых и газообразных фаз. Однако они не оказывают существенного влияния на положение критических точек диаграммы Fe - Fе₃С.

Характер влияния этих примесей на свойства сталей и сплавов определяется их возможностью образовывать самостоятельные фазы с основным компонентом, железом, а также местом возникновения этих фаз.

Углерод

Углерод в соответствии с диаграммой состояния "железо-цементит" может образовать с железом твердый раствор a-Fe и цементит Fе₃С. Содержание цементита в сплавах можно оценивать прямо по диаграмме состояния, используя дополнительную шкалу абсцисс по содержанию цементита (рис.1), так как количество цементита в сталях пропорционально содержанию углерода.

Влияние углерода на свойства сталей, в основном, определяется свойствами цементита (закон аддитивности) и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. Следовательно, при увеличении содержания углерода до 1,2% (рис. 3) возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20°С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических, таких как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне- и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью при его содержании, не превышающем 0,8%. Марганец присутствует в сталях и сплавах в виде твердого раствора a-Fe и как технологическая примесь и существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний присутствует в сталях и сплавах в твердом растворе a-Fe и как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035...0,06%. Сера практически нерастворима в аустените и присутствует в сталях и сплавах в виде хрупких сульфидов FeS и MnS, входящих в эвтектику с температурой плавления 985°С. Причем эта эвтектика, как правило, кристаллизуется по границам зерен.

Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости, проявляющейся появлением надрывов по включениям FeS. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025...0,045%. Фосфор в сталях и сплавах присутствует в твердом растворе a-Fe.

Фосфор, как и сера, относится к наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию и способствует росту зерен в металле. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая анизотропию механических свойств, повыше­ние хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% он вызывает старение стали, а более 0,1% -красноломкость. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250°С.

Водород

Водород содержится в твердом растворе a-Fe или скапливается в порах и на дислокациях. Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникать флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.