Обыкновенные стали: механические свойства

Обыкновенными сталями называют углеродистые стали общего назначения. Эти стали считаются нелегированными углеродистыми сталями, несмотря на наличие определенного содержания таких легирующих элементов как марганец и кремний, которые попали в стали по технологическим причинам при ее выплавке.

Отожженное состояние стали и фазовая диаграмма

Метастабильное равновесное состояние обыкновенных углеродистых сталей максимально достигается в так называемом отожженном их состоянии. Для сталей в отожженном состоянии соблюдается строгая зависимость между микроструктурой стали и механическими свойствами стали (рисунок).

grafik1grafik2+Рисунок – Изменение механических свойств обыкновенных сталей в зависимости от содержания углерода и микроструктуры

Рисунок 1А показывает фазовую диаграмму железо-цементит. На рисунке 1Б представлены микроструктуры трех типов сталей – доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной. Рисунок 1В показывает содержание феррита, перлита и вторичного цементиа в стали в зависимости от содержания углерода. На рисунке 1Г показано изменение механических свойств сталей с изменением в них содержания углерода.

Влияние на прочность содержания перлита

Если сравнить рисунки 1В и 1Г, то можно видеть, что кривая предела прочности при растяжении ведет себя аналогично кривой содержания перлита в стали. Прочность при растяжении линейно возрастает от 300 МПа для чисто ферритной стали до 900 МПа для эвтектоидной стали со 100 % перлита. Прочность при растяжении доэвтектоидных сталей, содержащих феррит и перлит, прямо пропорциональна содержанию в стали перлита.

С другой стороны, относительно высокая прочность перлита происходит от высокой прочности карбида железа, который составляет восьмую часть перлита. Кроме того, высокая прочность обеспечивается еще и тем, что обе пластинчатые фазы – цементит и феррит – образовались из одной и той же исходной микроструктуры аустенита. Поэтому сильные атомные связи от аустенита во многом сохранились и между фазами, которые образовались при распаде аустенита.

Снижение прочности заэвтектодной стали

Прочность при растяжении заэвтектоидной стали линейно снижается в соответствии с содержанием в стали перлита. В этом интервале содержания углерода атомные силы связи между перлитными зернами снижаются пропорционально толщине сетки вторичного цементита, который сегрегирует вдоль границ зерен аустенита. На этих границах зерен атомы железа со случайной ориентацией образуют вместе с углеродом вторичный цементит. Ориентация ферритных пластин, составляющих семь восьмых перлитных зерен отличается от ориентации смежных перлитных зерен. Поэтому силы связи железа, которое находится во вторичном цементите по границам зерен, значительно слабее связей железа, который находится внутри цементитных частиц. В этом заключается причина снижения прочности заэвтектоидных сталей c увеличением содержания углерода.

Больше углерода – выше твердость стали

На рисунке 1Д показано также изменение твердости стали по Бринеллю с увеличением содержания углерода. Можно видеть, что твердость доэвтектоидной стали также возрастает линейно с увеличением в стали содержания перлита. Величина твердости по Бринеллю составляет примерно треть от величины прочности в мегапаскалях.

В то же время, твердость заэвтектоидных сталей продолжает возрастать и после достижения 100 % содержания перлита в стали. В этом интервале содержания углерода твердость возрастает почти линейно – хотя и в меньшей степени, чем у доэвтектоидных сталях. Этот рост твердости происходит за счет увеличения толщины цементитных частиц в перлите заэвтектоидных сталей.

Больше углерода — выше предел текучести

Предел текучести изменяется с увеличением углерода аналогично твердости. Причина этого заключается в том, что цементитные пластины перлитных зерен препятствуют проскальзыванию, которого требует пластическая деформация также как и сетка вторичного цементита. Относительное удлинение (А), которое характеризует пластичность стали и ее способность к формовке, а также относительное сужение (Z) уменьшаются с увеличением содержания углерода.

Источник: M. Tizca, Physical Metallurgical for Engineers, ASM International, 2002