Сталь – это железоуглеродистый сплав, содержащий менее 2% углерода и
ряд постоянных примесей: Mn = 0,3 – 0,6%; Si≤0,3%; S≤0,05%; Р≤0,04% –
которые влияют на ее свойства.
а) Влияние углерода.
Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз –
феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает с ростом
содержания углерода. Феррит имеет низкую прочность, но пластичен.
Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с
повышением содержания углерода в стали возрастает ее твердость, прочность и
уменьшается пластичность и вязкость (рис.13).
Рост прочности стали происходит до содержания углерода 0,8–1,0%. При
большем содержании углерода вокруг зерен перлита образуется сетка хрупкого
цементита, разрушающегося при нагружении.
Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства
стали: свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением.
С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость и
способность деформироваться. Повышенное содержание углерода облегчает
переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1% углерода повышает
порог хладноломкости в среднем на 20°С.
б) Влияние кремния и марганца.
Содержание кремния и марганца в углеродистой стали в качестве примесей
обычно не превышает 0,3% и 0,6% соответственно. Они переходят в сталь в
процессе раскисления при выплавке.
Кремний, растворяясь в стали, резко упрочняет ее, но одновременно
снижает пластичность. В связи с этим, в сталях, предназначенных для холодной
штамповки, содержание кремния должно быть снижено.
Марганец повышает прочность, практически не снижая пластичности, и
резко уменьшает красноломкость стали, т.е. хрупкость и потерю прочности при
высоких температурах, связанную с отрицательным влиянием серы.
в) Влияние серы и фосфора.
Сера и фосфор являются вредными примесями в стали. Основные их
источники – руды и кокс, из которых выплавляется чугун – исходное сырье для
получения стали. Сера с железом образует сульфид железа FeS, который
образует с железом легкоплавкую эвтектику (FeS+Fe) с температурой
плавления 988°С. При кристаллизации эта эвтектика располагается по границам
зерен. При нагревании стали до температуры 1000°С эвтектика плавится, что
приводит к нарушению связи между зернами и возникновению трещин. Это
явление называется красноломкостью. Присутствие в стали марганца,
обладающего большим сродством к сере, чем железо, и образующего с серой
тугоплавкое соединение MnS (tпл.=1620°С), практически исключает явление
красноломкости.
Сера ухудшает свариваемость, пластичность, предел выносливости и
коррозионную стойкость. Поэтому содержание серы в стали строго ограничено;
в зависимости от качества стали оно не должно превышать 0,035–0,05%.
Нв Фосфор в малых количествах растворяется в железе и образует твердый
раствор. Это искажает кристаллическую решетку феррита, что увеличивает
прочность, но резко уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости
тем значительнее, чем больше в стали углерода.
В среднем каждая 0,01% фосфора повышает порог хладноломкости сталей
на 20–25°С. В зависимости от качества стали в ней допускается от 0,025 до
0,045% фосфора.
Вредное влияние фосфора и серы усугубляется тем, что они обладают
большой склонностью к ликвации (неоднородному распределению по объему
металла). Срединные области слитков часто обогащаются этими примесями и
при прокатке они переходят в готовые профили, резко ухудшая их
свариваемость и механические свойства.
г) Влияние кислорода и азота.
Процесс выплавки углеродистой стали в настоящее время, в основном,
осуществляется в кислородных конвертерах и связан с частичным окислением
железа. Наличие кислорода в стали приводит к понижению предела прочности
и предела текучести, ударной вязкости и относительного удлинения.
Азот образует с железом нитриды, которые приводят к повышению
пределов прочности и текучести и резкому снижению ударной вязкости и
относительного удлинения. Происходит эффект «старения» стали.
