20. Влияние постоянных примесей на свойства сталей.

В сталях промышленного производства, кроме основных элементов (железо, углерод и легирующие элементы в легированных сталях), содержатся различные примеси — постоянные и случайные, они попадают в сталь из вторичного сырья или руд.

Постоянные примеси подразделяются:

• на вредные — сера, фосфор и газы (кислород, азот и водород);

• полезные — марганец и кремний;

• случайные — хром, никель, медь, олово, мышьяк и др., количество которых невелико; они мало влияют на свойства и в дальнейшем не рассматриваются.

Сера образует с железом химическое соединение сульфид железа FeS. Сульфиды значительно снижают ударную вязкость и пластичность. Кроме того, наличие серы в стали может привести к разрушению слитка при пластической деформации (ковка, прокат). Это явление получило название красноломкость. В системе Fe — FeS образуется эвтектика, имеющая низкую температуру плавления. При нагреве слитка до температур горячей деформации — 900… 1150 °С (температуры красного каления) в участках, граничащих с сульфидами, сталь плавится, образуется жидкость. Из-за этого при деформировании слиток разрушается ( «ломается») или в нем возникают надрывы и трещины. Красноломкость отсутствует при содержании серы в стали 0,025 % и менее, так как в этих количествах она растворяется в железе, не образуя сульфидов. Красноломкость устраняют введением в сталь марганца.Марганец восстанавливает железо из его сульфида, образуя собственный тугоплавкий сульфид (температура плавления 1620 °С) в соответствии со следующей реакцией: FeS + Mn -> Fe + MnS.

Фосфор существенно снижает пластичность и ударную вязкость стали, особенно при низких температурах. Фосфор повышает порог хладноломкости, это плохо, потому что сталь хрупко разрушается при более высоких температурах. Так, если порог хладноломкости повысился до 20 °С и выше, сталь становится хрупкой уже при комнатной температуре. Газы даже в незначительных количествах заметно ухудшают свойства стали. Кислород, азот образуют хрупкие соединения (оксиды и нитриды), что приводит к повышению порога хладноломкости и снижению ударной вязкости. Присутствие водорода вызывает образование флокенов (тонкие трещины овальной или округлой формы) в катаных заготовках и крупных поковках, это сильно охрупчивает сталь.

Марганец и кремний являются полезными примесями — раскислителями. Раскисление — это процесс восстановления железа из его оксидов: FeO + Mn -> Fe + МпО, а также 2FeO + Si -> 2Fe + Si02. Образующиеся оксиды марганца и кремния всплывают в шлаке, их удаляют вместе с ним перед разливкой металла. Кроме того, марганец устраняет вредное влияние серы, предупреждая появление красноломкости, как это рассмотрено выше; кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка.

22. Нагартованная сталь.

Наклёп — упрочнение поверхности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака (эффект Баушингера).

Различают два вида наклёпа: фазовый и деформационный. Деформационный наклёп является результатом действия внешних деформационных сил. При фазовом наклёпе источником деформаций служат фазовые превращения, в результате которых образуются новые фазы с отличным от исходной (-ых) удельными объёмами.

Деформационный наклёп:

- Дробеструйный наклёп — упрочнение, которое достигается за счёт кинетической энергии потока круглой чугунной или стальной дроби, а также других круглых дробей, например керамической, направляемым скоростным потоком воздуха, или роторным дробомётом.

- Центробежно-шариковый наклёп (нагартовка) — создаётся за счёт кинетической энергии шариков (роликов), расположенных на периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются вглубь гнезда.

Перенаклёп.

При значительных деформациях вследствие перенаклепа в материале возникают поры, субмикротрещины и другие дефекты. Такое состояние металла (сплава) называется перенаклёпом. Перенаклёп — одна из причин хрупкости, а также снижения конструкционной прочности сплавов.

Разупрочнение.

При нагреве, например во время отжига, подвергнутого наклёпу металла, происходит его разупрочнение, вследствие развития процессов отдыха, полигонизации, рекристаллизации.

Упрочнение деталей наклёпом.

В машиностроении наклёп используется для поверхностного упрочнения деталей. Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации (ППД), выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Для получения упрочненного наклёпом поверхностного слоя заготовку подвергают обработке различными видами ППД, например, обкатка роликами, дробеструйная обработка, поверхностное дорнование и др.