Влияние углерода на свойства стали

Общая характеристика состава углеродистых сталей

Углеродистые стали являются основной продукцией чёрной металлургии (90%).

Стали (углеродистые) являются многокомпонентными сплавами. Кроме основы – железа (от 97,0 до 99,5% Fe) и углерода (до 2,14%), имеются ряд примесей: Mn, Si, S, P, O, N, H и др.

Наличие Mn, Si обусловлено технологическими особенностями производства (попадают в сталь в процессе раскисления).

Наличие P, S, O, N, H обусловлено невозможностью полного удаления их из металла при выплавке.

Случайные примеси Ni, Cr, Cu и др. – попадают из легированного металлического лома.

Углерод вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания.

Т.о., углерод является основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава на основе железа.

Влияние углерода на свойства стали

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. В зависимости от содержания углерода она может иметь следующий вид:

< 0,8% C – Ф+П

0,81% C – П (100%)

> 0,81% C – П + Ц_II.

Имея различную структуру, все стали состоят только из двух фаз: Ф и Ц.

Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода.

Феррит (Ф) – мягкая, пластичная фаза, твёрдость по Бринеллю – 80–90 НВ.

Цементит (Ц) – твёрдая и хрупкая фаза 1000–1100 НV (>800 НВ), (НВ и НV – близки по значению).

Технически чистое железо – мягкое, не содержит Ц или имеет Ц_III (его максимальное содержание в технически чистом железе может достигать – 0,29%).

В доэвтектоидных сталях появляется цементит входящий в перлит (Ф+Ц), следовательно твёрдость будет возрастать.

В эвтектоидной стили – цементита в перлите содержится 12%, остальное феррит.

В заэвтектоидной стали появляется Ц_II – 20,4%, а также цементит входящий в перлит ~ 10%, т.о.всего его около 30%.

Следовательно, чем больше % С в стали, тем количество феррита уменьшается, а количество цементита увеличивается.

С увеличением в стали углерода возрастает твёрдость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Твёрдость линейно повышается с увеличением углерода (рис. 1).

Предел прочности (σ_В) до 0,8 – 0,9% С растёт линейно, при дальнейшем увеличении углерода, т.е.у заэвтектоидных сталей, происходит выделение избыточного цементита (Ц_II) по границам бывшего зерна аустенита, образующего сплошную сетку (скорлупу) – очень твёрдую и очень хрупкую, что и приводит к снижению предела прочности (при растяжении в сетке возникают напряжения, приводящие к разрушению).

Относительное удлинение (δ, %), относительное сужение (ψ, %) по мере увеличения углерода непрерывно снижаются (рис. 1).

Существенное влияние углерода на вязкие свойства. Ударная вязкость (KCU) характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению (распространению трещин).

Ударная вязкость (KCU) по мере увеличения содержания углерода до 0,6% резко снижается.

Рисунок 1.

Отступление:

Рисунок 2.

Чем больше ударная вязкость (KCU), тем более вязкий образец (металл).

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Влияние углерода на хладноломкость железа приведено на (рис. 3).

Каждая 0,1% С повышает температуру порога хладноломкости Т_п.х. в среднем на 20˚С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

Рисунок 3. Влияние углерода на хладноломкость железа

Температура перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 4):

Рисунок 4. Переход из вязкого в хрупкое состояние

Т_п.х. – температура перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Порог хладноломкости – температурный интервал изменения характера разрушения от вязкого к хрупкому.