Влияние химического состава и структуры на свойства сталей и чугунов.

Структура и свойства сталей зависят от содержания в стали углерода и неизбежных примесей: марганца, серы, фосфора, кремния, кислорода, азота, водорода. Основное влияние на структуру и свойства сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода в структуре сталей возрастает количество перлита и цементита (рис.13).

а) 300	б) 1000	в) 300
Рис.13.	Структура стали при комнатной температуре: а – доэвтектоидная; б – эвтектоидная; в – заэвтектоидная.

Увеличение количества перлита и цементита в структуре сталей обусловливает возрастание их твердости и прочности одновременно со снижением пластичности и вязкости. В результате снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. С увеличением содержания углерода также ухудшается свариваемость стали.

Марганец и кремний – полезные примеси, вводятся в сталь для раскисления и сохраняются в ее составе в количестве соответственно 0,8 и 0,4%. Марганец предохраняет сталь от красноломкости (хрупкости при горячей обработке давлением). Красноломкость вызывается серой, а хладноломкость (снижение вязкости при понижении температуры) – фосфором. Поэтому сера и фосфор считаются вредными примесями и их содержание в стали строго регламентируют. Кислород, азот и водород также вредные примеси, они снижают пластичность стали и повышают ее склонность к хрупкому разрушению, их содержание в стали также строго ограничивают.

Структура и свойства чугунов зависят главным образом от содержания углерода, кремния и скорости охлаждения отливок. Увеличение содержания углерода (больше 2,4%) и кремния (больше 1%), а также уменьшение скорости охлаждения отливок способствует процессу графитизации и получению серых (по цвету излома) чугунов с пластинчатым графитом. При данном содержании углерода и кремния графитизация тем полней, чем меньше скорость охлаждения (больше сечение отливок). Чем полней графитизация, тем больше в структуре чугуна свободного углерода (графита), и тем меньше связанного углерода, входящего в состав металлической основы. В зависимости от количества связанного углерода различают ферритную (С _связ.≤0,03%), феррито-перлитную (0,03<С_связ.<0,8%), перлитную (С _связ.=0,8%) структуру металлической основы чугунов.

По химическому составу различают обычные и легированные серые чугуны. Обычные серые чугуны содержат 2,4…3,7%С, до 3%Si, до 1,1%Mn, 0,2…0,3%Р, до 0,15%S. Последние три элемента являются неизбежными примесями. Марганец затрудняет графитизацию, фосфор улучшает жидкотекучесть, сера ее ухудшает и увеличивает усадку, и по этой причине сера считается вредной примесью.

Серые чугуны малопрочны и хрупки, что объясняется отрицательным влиянием пластинчатого графита. Наименее прочными(σ_в≈150…180МПа) являются ферритные серые чугуны, а наиболее прочными – серые чугуны с перлитной матрицей (σ_в≈300…350МПа). Разновидностью серых чугунов являются чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ).

Прочность чугунов можно повысить, изменив форму графита путем модифицирования магнием или его лигатурами (сплавами Mg с Ni и другими металлами). Модификаторы вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08%, и под их воздействием графит принимает не пластинчатую, а гораздо более компактную шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом называют высокопрочными(σ_в=350…1000МПа); дисперсия прочности обусловлена различием в структуре металлической основы.

При содержании кремния не более 1…1,5% и уменьшении толщины отливок (увеличении скорости охлаждения при кристаллизации) образуется структура белого чугуна, в котором весь углерод находится в связанном состоянии и входит в состав цементита и ледебурита. Большое количества цементита в структуре белых чугунов обусловливает их высокую твердость и хрупкость, что исключает возможность их обработки резанием или давлением.

Поэтому белые чугуны применяют в основном как передельные материалы. В частности, из доэвтектических белых чугунов изготавливают тонкостенные отливки сечением не более 50мм, в которых при последующем отжиге формируется структура ковкого чугуна с хлопьевидным графитом. Отжиг ведут в одну или две стадии. В первом случае получают перлитный ковкий чугун, а во втором – ковкий чугун с ферритной металлической основой. Ковкие чугуны (название «ковкий» является условным) в отличие от серых чугунов обладают более высокой пластичностью (δ≈6…12%) и прочностью (σ_в=300…800МПа). Это объясняется тем, что хлопьевидный графит меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с пластинчатым графитом, а также отсутствием литейных напряжений, которые снимаются при отжиге.

.