Основы термической и химико-термической обработки стали

Влияние углерода и примесей на свойства сталей

Сталь промышленного производства является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных примесей Mn, Si, S, P, O, N, H, которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si), трудностью удаления при выплавке (S, P).

Влияние углерода. Структура стали после медленного охлаждения состоит из феррита и цементита. Количество цементита возрастает пропорционально содержанию углерода. Частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшают пластичность и вязкость. Поэтому с увеличением в стали углерода возрастает твердость, временное сопротивление, предел текучести, уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость. При содержании углерода > 1,1% твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается, что объясняется особенностью строения – выделение по границам бывших зерен аустенита цементита вторичного, образующего в сталях указанного состава сплошную сетку. При испытании на растяжение в этой сетке возникают высокие напряжения, и цементит, будучи хрупким, разрушается. Это приводит преждевременному разрушению образца и, соответственно, к снижению временного сопротивления.

Влияние кремния и марганца. Марганец и кремний вводят в сталь при плавке для раскисления (т.е. удаления из стали кислорода). Их содержание в качестве примеси 0,5-0,8% Mn и 0,35-0,4% Si. Марганец повышает прочность, но так как его количество примерно одинаково, то его влияние на стали разного состава остается не ощутимым. Кремний полностью растворяется в феррите и сильно повышает предел текучести, затрудняя холодную деформацию стали.

Влияние фосфора и серы. Фосфор и сера являются вредными примесями, их содержание в стали 0,025-0,045 и 0,035-0,06% соответственно. Фосфор растворяется в феррите, повышая временное сопротивление и предел текучести, но сильно снижает пластичность и вязкость. Сера сильно снижает пластичность, вязкость, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присутствуют в стали в основном в виде хрупких включений.: оксидов FeO, SiO₂, Al₂O₃ и нитридов F₄N и др., которые снижают сопротивление хрупкому разрушению. Водород является очень вредной примесью, он растворяется в стали и сильно охрупчивает ее.

Газы содержатся в сталях в небольших количествах, зависящих от способа производства, содержание азота 0,002-0,010%, кислорода 0,002-0,008%, водорода 0,0003-0,0007%.

Термическая обработка – это совокупность операций нагрева до определенной температуры, выдержки во времени при температуре нагрева, достаточной для завершения протекающих процессов и последующего охлаждения со скоростью, обеспечивающей получение необходимых свойств и строения. Рациональное использование металлов и сплавов возможно при правильно выбранной и проведенной термической обработке.

Режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах температура – время (рис.2.1). Термическую обработку характеризуют следующие основные параметры: температура нагрева, время выдержки при температуре нагрева, скорости нагрева и охлаждения.

Рис. 2.1. График термической обработки стали

Термическую обработку стали подразделяют на предварительную и окончательную. Предварительная термическая обработка (отжиг, нормализация) применяется для подготовки структуры и свойств материала для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием и т.д.

Окончательная термическая обработка формирует свойства готового изделия.

Основными видами термической обработки сталей являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, химико-термическая обработка (ХТО), термомеханическая обработка (ТМО).