Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали кратко

Обновлено: 02.07.2024

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р, Ѕ), 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.

Влияние компонентов на свойства стали — stroyone

При атом 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 характеристик — таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др.

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 1.8.

Рис.1.8. Влияние углерода на свойства сталей

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы:

1. Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8%. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4%. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, σ_0.2. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045%. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость. Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01% повышает порог хладоломкости на 20…25 o С. Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость. Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Присутствие серы ведет к уменьшению пластичности, свариваемости и коррозионной стойкости. Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 o С. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах.

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси- газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃) нитридов (Fe₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180 о С , лучше в вакууме ~10 - 2 …10 - 3 мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 1.8.

Рис.1.8. Влияние углерода на свойства сталей

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы:

1. Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах.

2. Скрытые примеси- газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

При производстве сталии современная металлургия использует огромное количество примесей и добавок. Пропорции и количество легирующих элементов, как еще называют добавки, обычно составляют коммерческую тайну металлургической компании.

Углерод - неотъемлемая часть любой стали, так как сталь это сплав углерода с железом. Процентное содержание углерода определяет механические свойства стали. С увеличением содержания углерода в составе стали, твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается.

Кремний - незначительное его содержание в составе стали особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость к окислению при высоких температурах.

Марганец - в углеродистой стали содержится в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства не оказывает. Однако он образует с железом твердое соединение повышающее твердость и прочность стали, несколько уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. Сталь в состав которой входит большое количество марганца приобретает существенную твердость и сопротивление износу.

Сера - является вредной примесью в составе стали, где она находится преимущественно в виде FeS. Это соединение придает стали хрупкость при высоких температурах - красноломкость. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допустимое содержание серы - не более 0,07%.

Фосфор - также является вредной примесью в составе стали. Он образует с железом соединение Fe₃P. Кристаллы этого соединения очень хрупки, вследствие чего сталь приобретает высокую хрупкость в холодном состоянии - хладноломкость. Отрицательное влияние фосфора наибольшим образом сказывается при высоком содержании углерода.

Легирующие компоненты в составе стали и их влияние на свойства:

Алюминий - сталь, состав которой дополнен этим элементом, приобретает повышенную жаростойкость и окалиностойкость.

Кремний - увеличивает упругость, кислостойкость, окалиностойкость стали.

Марганец - увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок при этом не уменьшает пластичности.

Медь - улучшает коррозионностойкие свойства стали.

Хром - повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионностойкость. Содержание больших количеств хрома в составе стали придает ей нержавеющие свойства.

Никель - также как и хром придает стали коррозионную стойкость, а также увеличивает прочность и пластичность.

Вольфрам - входя в состав стали, образует очень твердые химические соединения - карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует расширению стали при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

Ванадий - повышает твердость и прочность стали, увеличивает плотность стали. Ванадий является хорошим раскислителем.

Кобальт - повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает стойкость против ударных нагрузок .

Молибден - увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, улучшает антикоррозионные свойства стали и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан - повышает прочность и плотность стали, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и увеличивает коррозионностойкость.

78. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей.

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

1) При повышении содержания углерода (С) в конструкционной стали повышается твердость, прочность, литейные свойства, снижается вязкость, обработка резаньем, пластичность, деформируемость, затрудняется свариваемость;

2) Марганец (Mn) - полезная примесь, вводится в сталь для раскисления, уменьшает влияние SiNO2 = 0,3..0,7%. Марганец увеличивает прокаливамость стали и уменьшает вредное влияние серы;

3) Кремний (Si - силициум) - полезная примесь, вводится в сталь для расширения. Кремний эффективно раскисляет сталь и способствует ее упрочнению;

4) Сера (S) - вредная примесь вызывает хрупкость при горячей обработке, располагается по границе зерен, но улучшает процесс резанья. (Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также придает стали красноломкость при прокатке и ковке. Повышенное содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления изделий неответственного назначения, т.к. сера улучшает обрабатываемость стали. Основной источник серы в стали - это исходное сырье, т.е. чугун.);

5) Фосфор (P) - вредная примесь, растворяется в феррите, вызывает хладноломкость. (Фосфор также снижает пластичность железа, т.к. резко отличается от него по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Основной источник фосфора в стали – это руда, из которой выплавлен исходный чугун.);

6) Кислород (О), водород (Н), азот (N) - вредные примеси, растворяются в феррите образуя оксиды, кислородные включения снижают прочность, повышенное содержание азота вызывает разрывы при штамповке металла, а водород приводит к снижению прочности. (Даже небольшую присутствие этих примесей оказывает резко отрицательное воздействие на свойства стали. Кислород и азот способствуют снижению вязкости и пластичности стали. Повышенное содержание водорода делает сталь хрупкой, а также приводит к образованию внутренних трещин – флокенов. Для выведения скрытых примесей используется метод вакуумирования.).

Углерод - основной легирующий элемент, оказывающий определяющее влияние на свойства и структуру стали. Увеличение содержания углерода в стали до 0,8% приводит к повышению прочностных свойств, твердости и снижению пластичности (рис.3.8) за счет замены мягкого феррита на более прочный перлит. Снижение прочности при содержании углерода свыше 0,8% в сталях, не подвергнутых термической обработке, связано с появлением хрупкой цементитной сетки по границам перлитных зерен.

Постоянными примесями в сталях считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород).

Марганец вводится в сталь для раскисления (удаления кислорода) и устранения вредного влияния сернистых соединений железа. Марганец повышает прочность горячекатанной стали. Содержание марганца в стали 0,3 - 0,8%.

Кремний раскисляет сталь и сохраняется в ней до 0,4%.

Фосфор - вредная примесь, содержащаяся в рудах железа и топливе. Растворяясь в феррите, фосфор вызывает хладоломкость стали, т.е. хрупкость при низких температурах.

Сера - вредная примесь, попадающая в металл из руды и топлива и вызывающая

красноломкость - хрупкость при 800°С и выше, что препятствует горячей обработкедавлением.

Водород, азот, кислород могут растворяться в металле или образовывать

неметаллические включения (нитриды, оксиды). И в том, и в другом случае стали охрупчиваются.

Структура сталей в равновесном состоянии при различном содержании углерода показана на рис.3.9.

а - доэвтектоидная сталь (0,1%С); б - доэвтектоидная сталь (0,6%С); в – эвтектоидная сталь (0,8%С); г - заэвтектоидная сталь (1,2%С)

Влияние углерода на механические свойства сталей Рис. 3.8.

σb – временное сопротивление разрыву; HB – твердость по Бринелю; KCV – ударная вязкость (характеристика надежности); δ – относительное удлинение; ψ - относительное сужение.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируются:

- по химическому составу,

-структуре и назначению.

По химическому составу выделяют низкоуглеродистые (≤ 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С) и высокоуглеродистые (> 0,7%С) стали.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества и качественные. Под качеством стали имеют ввидусовокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества содержат вредных примесей до 0,055%S и 0,045 %Р, качественные - не более 0,04%S и 0,035 %Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие (соответственно в конце марки стали ставится индекс сп, пс и кп).

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода, затвердевают спокойно, без газовыделения и образуют сосредоточенную усадочную раковину.

Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при затвердевании жидкого металла частично взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа СО.

Выделение СОсоздает впечатление кипения стали. Кипящие стали более дешевые, низкоуглеродистые, практически без кремния, но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисленности занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификация по структуре учитывают структуру в отожженном (равновесном) состоянии.

Углеродистые стали разделяют на три класса:

- доэвтектоидные (имеющие перлито-ферритную структуру),

- эвтектоидные (структура - перлит),

- заэвтектоидные (имеющие перлито-цементитную структуру).

По назначению углеродистые стали делятся:

- на конструкционные, используемые для изготовления деталей машин,

Пример обозначения: Ст5 сп.

предназначена для изделий, изготавливаемых с применением горячей деформации или термической обработки. Высокотемпературная обработка приводит к изменению первоначальных механических свойств, а для выбора режимов нагрева необходимо знание содержания углерода. Содержание углерода в стали повышается при увеличении номера стали. Первая буква марки указывают способ получения стали (М – мартеновская, К –конверторная) и степень раскисленности.

Пример обозначения: МСт5 пс.

В соответствии с ГОСТ 380-94 стали углеродистые обыкновенного качества на группы не подразделяются и маркируются только в соответствии с содержанием углерода.

Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и

Например, сталь 20кп.

Низкоуглеродистые стали типа 05, 08, 10 - малопрочные, высокопластичные,

применяются для холодной штамповки различных изделий.

Стали 10, 20, 25 - пластичны, хорошо штампуются и свариваются, применяются для изготовления крепежных деталей, втулок, осей, кулачков и др. Низкоуглеродистые стали могут насыщаться с поверхности углеродом (цементация).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 45, 50 имеют повышенную прочность, но меньшую вязкость и пластичность. Применяют эти стали для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и др. Изделия после механической обработке подвергают закалке и высокому отпуску (термическому улучшению).

Стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 применяют для изготовления рессорно-пружинных

Читайте также: