Влияние примесей на свойства стали

Постоянно находящиеся в углеродистых сталях примеси это сера, марганец, фосфор, кремний. Скрытыми примесями называют газы: кислород, водород, азот. Марганец и кремний считаются полезными примесями, они вводятся в сталь при выплавке с целью раскисления:
FеО + Мn -> МnО + Fе; 2FeО + Si -> SiO2 + 2Fе.

В углеродистых сталях содержится менее 0,8 % Мn. Марганец, не считая раскисления, в таких количествах растворяется в феррите полностью, делая его прочнее. Он увеличивает прокаливаемость стали и снижает вредное влияние серы, связывая ее: FеS + Мn-> МnS + Fе.

В полностью раскисленной углеродистой стали может содержатся до 0,4 % Si. Такая примесь как кремний считается полезной, потому что хорошо раскисляет сталь. Кремний полностью растворяется в феррите, упрочняя его.

Вредными примесями считаются сера и фосфор. В качестве основного источника серы в стали выступает ее исходное сырье - чугун. Сера уменьшает пластичность и вязкость стали. Сера добавляет стали эффект красноломкости во время прокатки и ковки. Сера не растворяется в стали. Она создает с железом соединение FeS. Это соединение - сульфид железа, оно отлично растворяется в металле. При низком содержании марганца и благодаря высокой ликвации серы в стали может появляться легкоплавкая эвтектика Fe - FeS (tпл = 988 °С). Эвтектика располагается в районе границ зерен. При нагревании стальных изделий до температур горячей деформации находящиеся в ней включения эвтектики сообщают стали хрупкость. В определенных условиях могут даже плавиться и во время деформирования появятся надрывы и трещины. Примесь марганца устраняет эффект красноломкости. Сульфиды марганца не образуют сетку в районе границ зерен. Сульфиды марганца имеют температуру плавления в районе 1620 °С, - это выше чем температура горячей деформации. В тоже время сульфиды марганца, точно также как и остальные неметаллические включения понижают вязкость и пластичность, тем самым уменьшая усталостную прочность стали. Именно поэтому процент содержания серы в стали должен быть как можно ниже.

Высокое (до 0,2 %) содержание серы допустимо только в автоматных сталях, используемых для изготовления крепежных деталей не ответственного назначения. Сера облегчает обрабатываемость стали.

Основным источником фосфора является руда, из которой выплавляется исходный чугун. Сам по себе фосфор это вредная примесь, способная в количестве менее 1,2 % раствориться в феррите. Фосфор, растворенный в феррите, снижает пластичность. Он сильно отличается от железа типом кристаллической решетки, отличается по диаметру атомов и по их строению. Именно поэтому фосфор расположен около границ зерен и вызывает их повышенное охрупчивание. Фосфор также повышает температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси, такие как кислород, водород и азот присутствуют в стали либо в форме твердого раствора в феррите, либо в составе химических соединений (нитриды, оксиды), либо в свободном состоянии в порах металла. Такие примеси как кислород и азот слаборастворимы в феррите. Эти примеси хрупкими неметаллическими включениями сильно загрязняют сталь, и это снижает вязкость и пластичность стали. Находясь в твердом растворе водород очень сильно охрупчивает сталь. Высокое содержание водорода, в особенности в хромистых и хромоникелевых сталях, может привести к образованию внутренних трещин, так называемых флокенов.

Даже малые концентрации газов создают резко отрицательное влияние на характеристики, они ухудшают пластические и вязкие свойства стали. Именно поэтому вакуумирование это важная операция, улучшающая свойства стали.

Помимо этого, в углеродистых сталях встречаются случайные примеси, такие как Сг, Ni, Сu. Их наличие обусловлено загрязнением шихты.

 Clinton Portis Jersey