Роль элементов, входящих в состав стали

Все элементы, входящие в состав сталей, классифицируют как: постоянные примеси, случайные примеси и легирующие элементы.

Влияние постоянных примесей на свойства стали:

Постоянные примеси, независимо от нашего желания, всегда присутствуют в сталях в различных количествах. К ним относятся: C, Si, Mn, S, P и газы: O₂,, H₂. Эти элементы входят в состав всех сталей.

Углерод является главным элементом, определяющим структуру и механические свойства отливок из углеродистых сталей. Поэтому анализ структуры промышленных углеродистых сталей проводят, используя диаграмму состояния системы Fe-Fe₃C. С увеличением содержания углерода возрастают прочностные, но снижаются пластические характеристики сталей вследствие увеличения количества цементита в структуре. Одновременно с этим повышается температура перехода сталей от вязкого разрушения к хрупкому - порог хладноломкости (рис.1,1

Кремний входит в твердый раствор α-Fe, значительно повышая предел текучести. Его концентрация в конструкционных сталях не превышает 0,3-0,4%.

Марганец обычно вводят в сталь для раскисления и устранения нежелательного влияния серы. Марганец частично растворен в цементите, где он замещает атомы железа. Примесь марганца несколько повышает прочность стали т обычно его содержание не превышает 0,8%. Марганец и кремний могут входить в состав неметаллических включений - сложных оксидов типа шпинели FeO·MnO, силикатов 2FeO·SiO₂, 2MnO·SiO₂ и другие.

Сера практически не растворяется в γ- Fe. Она образует FeS, входящий в эвтектику γ+ FeS с температурой плавления 988ºС. Эвтектика в процессе кристаллизации стали располагается по границам зерен и при наличии небольших напряжений при усадке способствует межзеренному разрушению стали. Это явление называется красноломкостью. Если в стали соотношение Mn:S <(8-10), то сера связывается в тугоплавкий сульфид MnS и красноломкость устраняется.

Фосфор в тех количествах, в которых он присутствует в сталях, полностью растворяется в феррите, повышая его прочностные и снижая пластические характеристики (рис. 1,3), и, тем не менее, он является нежелательной (вредной) примесью, поскольку даже сотые доли процента повышают температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое. Обычно содержание фосфора в стали не должно превышать 0,04%.

Сера и фосфор — нежелательные примеси в углеродистых сталях, так как они снижают пластичность, хладноломкость при комнатной и пониженной температурах. Кроме того, сера и фосфор являются сильно ликвирующими элементами и это проявляется тем сильнее, чем массивнее и толстостеннее отливка. Поэтому в сталях, из которых изготавливают отливки ответственного и особо ответственного назначения, содержание серы и фосфора не должно превышать 0,025%, а по возможности и еще меньше.

Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и другие свойства стали, поэтому их количество в различных марках строго регламентируется.

Фосфор попадает в сталь из руды, топлива и флюсов, используемых в металлургическом производстве. В большинстве случаев фосфор, находящийся в стали, растворяется в кристаллической решетке феррита и за счет ликвации располагается по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности и существенно охрупчивает сталь, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. фосфор придает стали хладноломкость. Из-за этого количество фосфора в стали может находиться в пределах 0,01—0,07%. Сера присутствует в небольших количествах в железных рудах и металлургическом топливе и поэтому попадает в сталь во время металлургического процесса. Сера находится в стали в связанном состоянии в виде механических примесей (FeS и MnS), которые по-разному взаимодействуют с компонентами стали и соответственно влияют на ее свойства. Сульфид железа образует с железом легкоплавкую эвтектику, которая располагается по границам зерен, и существенно снижает прочность и пластичность стали. Это отрицательно сказывается при технологической обработке стали в горячем состоянии (800—1200 °С) и проявляется в виде явления красноломкости. Температура плавления MnS существенно выше 1620 °С и присутствует в стали в виде мелких включений, которые не оплавляются в процессе ее обработки. Количество серы вызывает охрупчивание стали, и поэтому содержание ее жестко отслеживается. Для ответственных деталей содержание серы может быть не более 0,03—0,04%, а в обычных сталях допускается 0,05%.

Из вышесказанного ясно, что постоянные примеси — марганец и кремний — оказывают в какой-то степени положительное влияние на механические свойства стали, а фосфор и сера ухудшают их и являются очень вредными примесями.

При выплавке и разливке стали в нее из окружающей атмосферы попадают кислород, азот, водород и другие газы.

Газовые примеси - водород, азот, кислород- присутствуют в сталях в незначительных количествах: не более 0,0007% H₂, 0,012%N_2, 0,008%O₂. Все они в той или иной мере растворимы в феррите. Кислород практически полностью связан в оксиды FeO, SiO₂, Al₂O₃, которые снижают механические свойства стали. Азот может быть связан в нитриды, например AlN (алюминий вводят в расплав стали для раскисления) или TiN. При повышении предела растворимости водорода и азота в сталях могут формироваться газовые дефекты.

Кислород в кристаллической решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа FeO, Fe₂O₃ и других элементов. Эти неметаллические включения снижают прочностные и пластические свойства стали.

Азот в очень малых количествах способен растворяться в феррите, упрочняя и одновременно охрупчивая его. Некоторое количество азота в стали образует с железом нитриды, которые располагаются в стали в виде включений и также охрупчивают ее.

При выплавке стали в нее попадает водород, растворяется в ней и, так как он не образует с железом гидридов, выходит из нее по мере снижения температуры. Некоторое количество оставшегося водорода в стали охрупчивает ее. Этот нерастворившийся водород в стали образует флокены (микроскопические трещины). В изломе эти флокены видны как хлопьеобразные серебристые пятна. Этот дефект снижает прочность и пластичность стали и исключает ее использование как конструкционного материала.

Включения оксидов MnO, SiO2 и А12О3, а также некоторых других элементов могут образовываться в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе выплавки, а также попасть в нее из футеровки печей.

Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее механические свойства.

Поиск по сайту: