Влияние примесей на структуру и свойства стали: углерод, сера, фосфор

Введение в состав стали. Помимо основного компонента — железа, и целенаправленно добавляемого углерода, в состав любой стали входят постоянные примеси. Эти элементы, такие как сера, фосфор, марганец и кремний, оказывают комплексное влияние на структуру и, как следствие, на ключевые свойства материала. Даже незначительное их количество способно кардинально изменить механические и технологические характеристики сплава. Понимание природы и воздействия каждой примеси является фундаментальным для металловедения и производства качественных сталей. Контроль их содержания строго регламентируется стандартами в зависимости от назначения готовой продукции.

Влияние углерода на механические свойства. Основное влияние на свойства стали оказывает углерод, который определяет тип и соотношение структурных составляющих. С увеличением его концентрации закономерно возрастают такие характеристики, как твердость и предел прочности, однако при этом снижаются пластичность и ударная вязкость. На графике (рис. 6.1) наглядно показано, что наибольший предел прочности (σ_в) достигается при содержании углерода приблизительно 0,9%. Дальнейшее увеличение количества углерода приводит к образованию в структуре вторичного цементита. Этот хрупкий компонент, располагаясь по границам зерен перлита в виде сетки, вызывает рост твердости, но снижает общую прочность и сопротивление ударным нагрузкам.

Рис. 6.1. Влияние содержания углерода на механические свойства стали

Вредное влияние серы и явление красноломкости. Сера попадает в сталь из исходного сырья — чугуна, руды и кокса, и считается одной из наиболее вредных примесей. В структуре стали она образует химические соединения — сульфиды, такие как сернистое железо (FeS) и сернистый марганец (MnS), которые классифицируются как неметаллические включения. Особую опасность представляет сульфид железа (FeS), образующий легкоплавкую эвтектику с температурой плавления около 985 °C. При горячей обработке давлением, когда температура превышает 1000 °C, эта эвтектика расплавляется, ослабляя связи между зернами и приводя к образованию трещин. Это негативное явление известно в металлургии как красноломкость.

Методы борьбы с серой и ее двойственная роль. Для нейтрализации вредного влияния серы в сталь намеренно вводят марганец, который обладает большим сродством к сере, чем железо. В результате образуется более тугоплавкий сульфид марганца (MnS), плавящийся при 1620 °C. Это соединение является пластичным и при деформации вытягивается, не вызывая разрушения. Однако даже в такой форме неметаллические включения MnS остаются нежелательными, так как они служат концентраторами напряжений, снижая динамическую, усталостную прочность и износостойкость. Из-за склонности серы к зональной ликвации ее содержание строго нормируется в пределах 0,025–0,06%. При этом сера может оказывать положительное влияние на обрабатываемость резанием, улучшая стружкообразование на станках-автоматах.

Влияние фосфора и явление хладноломкости. Фосфор, как и сера, переходит в сталь из шихтовых материалов и является нежелательной примесью. Растворяясь в феррите, атомы фосфора существенно искажают его кристаллическую решетку, что приводит к заметному повышению твердости и прочности, но резкому снижению пластичности и вязкости. Наиболее опасно то, что фосфор придает стали склонность к хладноломкости — хрупкому разрушению при пониженных температурах. Подобно сере, фосфор склонен к ликвации, создавая зоны с его повышенной концентрацией, что ухудшает однородность свойств по сечению изделия. Его содержание в качественных сталях ограничивается диапазоном 0,025–0,07%, хотя в малых дозах он, как и сера, может улучшать обрабатываемость резанием.

Роль кремния и марганца в углеродистых сталях. Кремний и марганец являются постоянными спутниками сталей, попадая в них в процессе раскисления и легирования. Однако в тех количествах, в которых они типично присутствуют в обычных углеродистых сталях (кремний до 0,4%, марганец до 0,8%), они не оказывают решающего влияния на механические свойства. Марганец частично нейтрализует вред серы, а кремний укрепляет феррит, но это влияние не столь значительно по сравнению с воздействием углерода. Их основная роль на данном этапе — обеспечение технологического процесса выплавки и раскисления расплава. При целенаправленном увеличении их содержания они переходят в разряд легирующих элементов, кардинально меняя свойства сплава.

Влияние газов и других неметаллических включений. Значительное воздействие на свойства стали оказывают растворенные газы, такие как кислород, азот и водород. Они присутствуют в металле частично в растворенном состоянии, а частично — в виде неметаллических включений, к которым относятся оксиды (соединения металлов с кислородом) и нитриды (соединения металлов с азотом). Эти включения, видимые под металлографическим микроскопом, нарушают сплошность металлической матрицы, выступая концентраторами напряжений. Они снижают пластичность, вязкость и особенно сопротивление усталости, а водород может вызывать флокенообразование — внутренние трещины. Современные металлургические процессы, такие как вакуумирование и внепечная обработка, направлены на максимальное удаление газов и вредных включений для повышения чистоты и надежности стали.