6.6 Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей

С увеличением содержания углерода в сталях становится больше цементита – твердой и хрупкой фазы, поэтому твердость и прочностные свойства возрастают, а пластичность и вязкость становятся меньшими. Но изменение прочности связано еще и с характером получающейся микроструктуры. С увеличением содержания углерода до 0.8% в структуре стали возрастает содержание перлита до 100%, а затем в заэвтектоидных сталях все в большем количестве появляется вторичный цементит в виде сетки по границам бывших аустенитных зерен. Поэтому прочность растет до содержания углерод 0.9 – 1%, а затем снижается из-за увеличения хрупкости.

Постоянные примеси – это элементы, которые неизбежно попадают в сталь при ее производстве. Это – марганец, кремний, сера, фосфор, допустимое количество которых в любой стали указывается в соответствующих нормативных документах, а так же кислород, азот, водород.

Марганец - попадает в сталь при раскислении. Поддерживают в составе стали на уровне 0.5 – 0.8% для снижения отрицательного влияния серы (снижение красноломкости). Повышает прочность стали без особого снижения пластичности.

Кремний - попадает в сталь также при раскислении. Его содержание не должно превышать 0.4%. Кремний сильно упрочняет феррит, но заметно снижает пластичность, а значит и штампуемость в холодном состоянии. Это особенно важно для сталей предназначенных для холодной штамповки, поэтому в таких сталях содержание кремния ограничивают на уровне 0.1%.

Сера – обычно вредная примесь в сталях, образует с железом сульфид железа FeS почти нерастворимый в твердом состоянии и располагающийся по границам зерен. Образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe – FeS) с температурой плавления около 988°С. Из-за этого при нагреве под горячую пластическую деформацию происходит оплавление границ зерен и разрушение во время пластической деформации (красноломкость). В присутствии марганца образуется не FeS, а MnS и образования эвтектики и горячеломкости не возникает. Сернистые включения в стали заметно снижают пластичность и вязкость, поэтому содержание серы строго регламентируется – на уровне 0.035 – 0.06%.

Фосфор – также вредная примесь в сталях. Обычно его допускают не более 0.024 – 0.045%. Растворяясь в феррите повышает прочность, но снижает пластичность тем сильнее, чем больше в стали углерода. Отрицательное влияние фосфора усугубляется его склонностью к ликвации. В центре слитка его заметно больше и из-за этого заметно понижена вязкость.

Кислород – находится в неметаллических включениях (оксидах) и снижает пластичность сталей.

Водород – очень вреден в растворенном состоянии. Атомы водорода, накапливаясь в дефектах структуры, молизуются и образующийся газообразный водород оказывает такое давление, которое приводит к разрывам сплошности металлов – образованию специфических неисправимых дефектов, называющихся флокенами.

Азот – его влияние на сталь неоднозначно. В твердом растворе повышает порог хладноломкости, снижает сопротивление хрупкому разрушению, повышает склонность сталей к деформационному старению. При образовании нитридов может снижаться склонность сталей к перегреву, за счет образования большого количества очень твердых нитридов легирующих элементов при азотировании существенно повышается твердость и износостойкость поверхностного слоя.