Примеси в стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа (основа) с углеродом (до 2%) и другими элементами (сплавы). Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.

Структура сталей в равновесном состоянии

Вид окончательно сформировавшейся микроструктуры сталей и сплавов зависит от содержания в них углерода и может быть определен по структурной диаграмме состояния Fe - Fе3С в соответствии с процессами, которые происходят для соответствующего состава сплава.

Микроструктура сталей, содержащих до 0,006% углерода, имеет зернистое (полиэдрическое) строение и представляет собой чистый феррит. Такие стали при небольшой прочности обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью.

Схемы микроструктур стали в равновесном состоянии: а - ферритная; б - ферритно-цементитная; в-ферритно-перлитная: г - перлитная; д - перлитно-цементитная; 1 - феррит; 2 - цементит: 3 - перлит

При содержании в сталях углерода от 0,006 до 0,025% (техническое железо) их микроструктура представляет собой зерна феррита и расположенный по границам этих зерен третичный цементит. Хрупкая цементитная сетка снижает пластичность и вязкость сталей.

Микроструктура сталей с содержанием углерода 0,025…0,8% состоит из зерен феррита и перлита. При этом в сталях с содержанием углерода до 0,1…0,15% еще сохраняются включения третичного цементита. В структуре таких сталей при увеличении содержания углерода увеличивается количество перлита с соответствующим уменьшением феррита, что ведет к повышению прочности и твердости стали с одновременным снижением ударной вязкости и относительного удлинения.

При содержании углерода 0,8% микроструктура представляет собой зерна чистого перлита. При рассмотрении под микроскопом перлит имеет вид темных включений неоднородного строения. Вследствие значительной дисперсности структуру перлита можно отчетливо различать только при увеличениях более чем в 500 раз. Перлит может иметь пластинчатую или зернистую структуру, что определяют условия охлаждения. При этом сталь с зернистой структурой перлита отличается лучшей пластичностью и обрабатываемостью резанием.

В микроструктуре стали, содержащей свыше 0,8% углерода, по границам зерен перлита располагается вторичный цементит, выделяющийся из аустенита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода. При содержании в стали 1% углерода цементит образует хрупкую сетку, которая разобщает между собой зерна перлита (рис. 2, д). Прочность стали при этом снижается.

Цементит третичный в сталях и чугунах, а также цементит вторичный в эвтектических и заэвтектических чугунах как самостоятельные структурные составляющие при микроструктурном анализе обычно не обнаруживаются.

Рассмотренные равновесные структуры обратимы, то есть они многократно реализуются при нагреве и охлаждении сплавов. Это справедливо только в случае, если нагревы и охлаждения протекают с достаточно малыми скоростями, то есть все фазовые превращения завершены и можно не учитывать необходимые для этого перегревы и переохлаждения.

Для количественной оценки компонент структурного состава используют правило отрезков.

Влияние углерода и постоянных (технологических) примесей на свойства сталей и сплавов.

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 -Fe и цементит Fе₃С. Содержание цементита в сплавах можно оценивать прямо по диаграмме состояния, используя дополнительную шкалу абсцисс по содержанию цементита, 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% 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.

Влияние углерода на механические свойства стали и сплавов

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 -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 -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 -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 -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.

Влияние легирующих элементов на свойства стали и сплавов

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мп и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15…20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов:

1) Mn, Si, Cr, B;

2) Ni, Mo;

3) V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

В табл. показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

1) влияние на полиморфные (-Fe -> -Fe) превращения;

2) образование с углеродом карбидов (Сг, Fе)₇С₃; (Сг, Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;

3) образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом - Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

* элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);

* элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение ->, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.

Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести. Легированный аустенит является основной составляющей (матрицей) многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение. Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз) - при малом их содержании растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Состав карбида в этом случае может быть выражен формулой (Fe, M)_mC_n, где М - символ суммы легирующих элементов, a m, n - коэффициенты, определяемые химической формулой карбида. При повышении содержания карбидообразующих элементов могут образовываться самостоятельные карбиды.

Выделение из твердого раствора карбидов МС, M₂C нередко вызывает повышение твердости - дисперсионное упрочнение. Карбидообразующие элементы (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве, а также замедляют процесс коагуляции дисперсных частиц, поэтому сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.

Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

сталь углерод цементит интерметаллид

Размещено на Allbest.ru