Влияние содержания углерода на механические свойства сталей.

При увеличении содержания углерода (рис. 5.5) в стали твердость возрастает по линейному закону. Прочность доэвтектоидных сталей также прямо пропорциональна содержанию углерода в стали, но в области заэвтектоидных сталей, в структуре которых присутствуют твердые кристаллы вторичного цементита, прочность заметно снижается при увеличении количества углерода. При увеличении содержания в стали углерода пластичность и ударная вязкость заметно уменьшаются.

Рис. 5.5. Влияние содержания углерода в стали на механические свойства. HB – твердость, KCU – ударная вязкость.

При увеличении содержания в стали углерода она хуже соединяется с помощью сварки, сложнее становится придать ей форму холодной и горячей пластической деформацией. Обрабатывать на металлорежущих станках проще стали с содержанием углерода 0,3 – 0,4%. Если содержание углерода меньше 0,3%, то из-за высокой пластичности стружка затрудняет обработку деталей. Если углерода больше 0,4%, то высокая твердость вызывает износ инструмента.

Критические точки в сталях.

Для изучения термической обработки сталей используют специальное обозначение трех критических точек на диаграмме Fe – C (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Критические точки в системе Fe – C.

Критическая точка А₁ обозначает линию PSK (рис. 5.6). Эта температура не зависит от содержания углерода. Линия PSK соответствует температуре эвтектоидного превращения. При нагреве на этой линии перлит превращается в аустенит. При охлаждении аустенит распадается на смесь феррита и цементита (перлит).

При изучении термической обработки будет показано, что при достаточно быстром охлаждении превращение аустенита в смесь феррита и цементита происходит при более низких температурах.

Критическая точка А₃ обозначает линию GS. Линия GS – это температура начала полиморфного превращения при данном содержании углерода в стали. При нагреве на этой линии заканчивается растворение феррита в аустените. При охлаждении на линии GS начинается выделение кристаллов феррита из аустенита.

Критическая точка А_cm обозначает предельную растворимость углерода в аустените в зависимости от содержания углерода в стали и соответствует линии ES. При нагреве на этой линии заканчивается растворение вторичного цементита в аустените. При охлаждении на линии ES начинается выделение кристаллов вторичного цементита из аустенита.

Хладноломкость стали.

ХЛАДНОЛОМКОСТЬ – это свойство металлов с решеткой ОЦК резко понижать ударную вязкость при снижении температуры металла.

Рис. 5.7. Слева – общий вид кривой хладноломкости, a – хрупкое состояние, в – вязкое состояние. Справа – влияние содержания углерода на хладноломкость.

Так как структура большинства сталей имеет в основе кристаллическую решетку ОЦК, ниже определенной температуры ударная вязкость стали понижается до нуля (ноль на графиках рис.5.7 не имеет отношения к оси температур, так как 0 по шкале Цельсия может смещаться по этой оси в широких пределах под воздействием ряда факторов).

При увеличении содержания углерода в стали на 0,1% (рис. 5.7.б) кривые хладноломкости смещаются в сторону более высоких температур (вправо) примерно на 20*. Одновременно снижается величина ударной вязкости в вязком состоянии.

Увеличение содержания серы в стали на 0,01% смещает кривую хладноломкости вправо примерно на 20С, увеличение содержания фосфора на 0,01% смещает эту кривую вправо примерно на 25С. Но ударная вязкость в вязком состоянии в этих случаях не снижается.

Кривая хладноломкости кипящей стали смещена вправо примерно на 50С по сравнению с кривой для спокойной стали такого же химического состава.

При увеличении содержания никеля в составе стали на 1%, кривая хладноломкости смещается влево примерно на 20С. Все остальные металлические элементы смещают кривые вправо.

Если в структуре стали достаточно мелкое зерно, ударная вязкость в вязком состоянии возрастает, температура перехода в хрупкое состояние не меняется.

Во всех машинах и механизмах, при работе или при транспортировке которых возможны ударные нагрузки, металл при наименьшей из возможных температур должен находиться в вязком состоянии. Явление хладноломкости должно учитываться не только при использовании сталей в зонах холодного климата с минимальными температурами до – 60С. Если отрицательно влияющие на хладноломкость факторы суммируются, сталь может перейти в хрупкое состояние при температурах 20С и выше. Стальные детали на танкерах, которые перевозят сжиженный природный газ работают при температуре ниже – 100С. Также работают при низких температурах детали промышленных холодильников, компрессоров для получения сжиженных газов и других механизмов.