Оксид углерода (СО, угарный газ) - продукт неполного сгорания топлива, попадающий в атмосферный воздух с выбросами промышленных предприятий и выхлопными газами автотранспорта. В воздухе жилых помещений оксид углерода может появляться при печном отоплении в случае преждевременного закрытия дымовой трубы,в газифицированных помещениях при неисправных горелках и в результате утечки газа из сети. Около 0,5-1,0 %. оксида углерода содержит табачный дым. В производственных условиях оксид углерода может образовываться и накапливаться в рабочих помещениях в результате технологических процессов.
Оксид углерода является токсичным веществом. Проникая через легкие в кровь, он образует прочное химическое соединение с гемоглобином - карбоксигемоглобин , блокируя процессы транспорта кислорода к тканям, в результате чего в организме наступает кислородное голодание - аноксемия острого или хронического характера в зависимости от концентрации СО. Чаще встречаются хронические отравления, выражающиеся головной болью, снижением памяти, расстройством сна, повышенной утомляемостью и др.
Диоксид серы (SO 2, сернистый газ) поступает в атмосферу при сжигании топлива, богатого серой, например каменного угля и сернистых сортов нефти на тепловых электростанциях, нефтеперерабатывающих заводах, в котельных и других промышленных предприятиях.
Сернистый газ обладает резким запахом и оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей. При хроническом отравлении наблюдаются конъюнктивиты, бронхиты и прочие поражения. Этот газ оказывает вредное влияние на растительность, особенно на хвойные породы деревьев, а также на металлические поверхности, вызывая их коррозию, так как диоксид серы окисляется в триоксид серы, который с влагой воздуха образует аэрозоль серной кислоты, входящий в состав кислотных дождей.
Оксиды азота (NO, NO 2 , N 2 O)- содержатся в выхлопных газах автотранспорта и в выбросах промышленных предприятий, производящих азотную кислоту, азотные удобрения, взрывчатые вещества и др. Наиболее вредным веществом является диоксид азота (NO 2), который обладает раздражающим действием на слизистые оболочки верхних дыхательных путей. Попадая в организм человека, он взаимодействует с гемоглобином крови, вызывая образование метгемоглобина и гипоксические расстройства. Длительное вдыхание малых концентраций оксидов азота вызывает появление бронхитов, анемию, ухудшение течения сердечных заболеваний.
Канцерогенные углеводороды - это полициклические ароматические углеводороды, самым сильным из которых является 3-4-бенз(а)пирен, поступающие в атмосферу с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания, выбросами предприятий нефте- и коксохимической промышленности и других предприятий, использующих в качестве топлива нефть и каменный уголь. 3-4-бенз(а)пирен содержится также в табачном дыме.
Давно установлена зависимость между уровнем загрязнения атмосферного воздуха канцерогенами и частотой возникновения случаев заболеваний раком легкого.
Прочие вредные примеси. В результате сжигания топлива в воздух поступают также летучая зола, сажа, газообразные продукты сжигания. Летучая зола содержит кремний, кальций, магний, алюминий, железо, калий, титан, серу, многие радионуклиды.
Предприятия черной и цветной металлургии загрязняют атмосферу пылью меди, оксидами железа, свинца, разнообразными микроэлементами. С выбросами предприятий химической промышленности и нефтеперерабатывающих предприятий в воздух поступают хлор, сероуглерод, сероводород, меркаптан.
Выхлопные газы автотранспорта, кроме оксида углерода и оксидов азота, канцерогенов, выделяют озон, свинец и сажу, причем на их долю приходится более 70 % всей суммы загрязнителей воздуха городов.
В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси : кремний, марганец, сера, фосфор.
Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.
Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS , так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.
Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25 o С.
Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.
Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.
S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.
Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS , которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 o С. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости .
Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах
Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность
(δи ψ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.
2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.
Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO 2 , Al 2 O 3 )нитридов (Fe 2 N ), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).
Примеси внедрения (азот N , кислород О ) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.
Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.
Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.
Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.
Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180 , лучше в вакууме ~10 -2 …10 -3 мм рт. ст.
Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.
3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.
Нагартованная сталь
Широкое применение нашли в хозяйстве проволока, тонкие листы. Эти виды изделий получают в металлургии прокаткой, волочением в холодном состоянии. В результате такой обработки металл упрочняется за счет явления, которое называется наклеп. За счет комнатной температуры упрочнение не снимается. Такой вид обработки называется нагартовкой.
Нагартовка стали сильно зависит от степени наклепа и от содержания углерода (рис. 7).
Рекордные значения σв получены для обжатия до 90 % в стали 1,2 % С при ∅ проволоки 0,1 мм.
Нагартовка - неизбежный процесс любой пластической деформации. Нагартовка (наклеп) сопровождается увеличением прочности и твердости и существенным снижением пластичности.
Поэтому после прокатки или волочения в холодном состоянии листы, швеллеры, трубы нагартовываются.
Чаще всего это желательное изменение свойств. Бывает, что нежелательное. Например, чеканку на нагартованном медном листе не сделаешь - порвется. Приходится снимать наклеп термической обработкой (отжигом).
Марганец, кремний, алюминий, серу и фосфор относят к постоянным примесям . Алюминий вместе с марганцем и кремнием применяется в качестве раскислителя и поэтому в малых количествах они всегда есть в раскисленных сталях. Руды железа, а также топливо и флюсы всегда содержат определенное количество фосфора и серы, которые остаются в чугуне, а затем переходят и в сталь .
Азот называют скрытой примесью – он поступает в сталь в основном из воздуха.
К случайным примесям относят медь, мышьяк, олово, цинк, сурьму, свинец и другие элементы. Они попадают в сталь с шихтой – с рудами из различных месторождений, а также из железного лома.
Все примеси – постоянные, скрытые и случайные – в разной степени являются неизбежными из-за технологии производства стали. Так, спокойная сталь обычно содержит эти примеси в следующих пределах: 0,3-0,7 % марганца; 0,2-0,4 % кремния; 0,01-0,02 % алюминия; 0,01-0,05 % фосфора, 0,01-0,04 % серы, 0,-0,2 % меди. В этих количествах эти элементы рассматривают как примеси, а в бóльших количествах, которые вносят в стали намеренно, их уже считают легирующими элементами.
Влияние фосфора на свойства сталей
Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости.
Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в .
Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.
Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.
В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.
В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по .
Влияние серы на свойства сталей
Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.
Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красно ломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре красного каления стали.
Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).
Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.
Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.
Влияние алюминия на свойства сталей
Алюминий (Al) широко применяется для раскисления жидкой стали, а также для измельчения зерна стальных слитков. К вредному влиянию алюминия относят то, что он способствует графитизации сталей. Хотя алюминий часто считают примесью, его активно применяют и как легирующий элемент. Поскольку алюминий образует с азотом твердые нитриды, он обычно бывает легирующим элементом в азотируемых сталях. Алюминий повышает стойкость сталей к окалинообразованию, и поэтому его добавляют в теплостойкие стали и сплавы. В дисперсионно упрочняемых нержавеющих сталях алюминий применяют как легирующий элемент, ускоряющий реакцию дисперсионного выделения. Алюминий повышает коррозионную стойкость низкоуглеродистых сталей. Из всех легирующих элементов алюминий является наиболее эффективным для контроля роста зерна при нагреве сталей под закалку.
Влияние азота на свойства сталей
Вредное влияние азота (N) заключается в том, что образуемые им довольно крупные, хрупкие неметаллические включения – нитриды – ухудшают свойства стали. Положительным свойством азота считают то, что он способен расширять аустенитную область . Азот стабилизирует и частично заменяет никель в аустенитных сталях. В низколегированные стали добавляют нитридообразующие элементы ванадий, ниобий и титан. При контролируемой горячей обработке и охлаждении они образуют мелкие нитриды и карбонитриды, которые значительно повышают прочность стали.
Влияние меди на свойства сталей
Медь (Cu) имеет умеренную склонность к сегрегации. К вредному влиянию меди относят снижение хладноломкости стали. При повышенном содержании меди она отрицательно влияет качество поверхности стали при ее горячей обработке. Однако при содержании более 0,20 % медь повышает ее стойкость к атмосферной коррозии, а также прочностные свойства легированных и низколегированных сталей. Медь в количестве более 1 % повышает стойкость аустенитных нержавеющих сталей к воздействию серной и соляной кислот, а также их стойкость к коррозии под напряжением.
Влияние олова на свойства сталей
Олово (Sn) уже в относительно малых количествах является вредным для сталей. Оно имеет очень сильную склонность сегрегировать к границам зерен и вызывать отпускную хрупкость в легированных сталях. Олово оказывает вредное влияние на качество поверхности непрерывнолитых слитков, а также может снижать горячую пластичность сталей в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния.
Влияние сурьмы на свойства сталей
Сурьма (Sb) имеет сильную склонность сегрегировать при затвердевании стали и поэтому вредно влияет на качество поверхности непрерывнолитых стальных слитков. В твердом состоянии стали сурьма охотно сегрегирует к границам зерен и вызывает отпускную хрупкость легированных сталей.
Источники:
Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006.
Гуляев А. П. Металловедение, 1986.
Влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода. При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость
Изменение прочности стали в зависимости от содержания углерода.
Феррит (твердый раствор углерода в железе) - очень пластичен и вязок, но непрочен.
Перлит , механическая смесь тонкодисперсных пластинок феррита и цементита, придает прочность. Цементит очень тверд, хрупок и статически прочен. При повышении в стали содержания углерода (в пределах до 0,8%) увеличивается содержание перлита и повышается прочность стали. Однако вместе с этим снижаются ее пластичность и ударная вязкость. При содержании 0,8% С (100% перлита) прочность стали достигает максимума.
Марганец вводят в любую сталь для раскисления (т. е. для устранения вредных включений закиси железа). Марганец растворяется в феррите и цементите, поэтому его обнаружение металлографическими методами невозможно. Он повышает прочность стали и сильно увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца в углеродистой стали отдельных марок может достигать 0,8%.
Кремний , подобно марганцу, является раскислителем, но действует более эффективно. В кипящей стали содержание кремния не должно превышать 0,07%. Если кремния будет больше, то раскисление кремнием произойдет настолько полно, что не получится «кипения» жидкого металла за счет раскисления углеродом. В спокойной углеродистой стали содержится от 0,12 до 0,37% кремния. Весь кремний растворяется в феррите. Он сильно повышает прочность и твердость стали.
Сера - вредная примесь. В процессе выплавки стали содержание серы снижают, но полностью ее удалить не удается. В мартеновской стали обыкновенного качества содержание серы допускается до 0,055%.
Присутствие серы в большом количестве приводит к образованию трещин при ковке, штамповке и прокатке в горячем состоянии, это явление называется красноломкостью . В углеродистой стали сера взаимодействует с железом, в результате чего получается сернистое железо FeS. В процессе горячей пластической деформации по границам зерен, образуются горячие трещины.
Если в сталь ввести достаточное количество марганца, то вредное влияние серы будет устранено, так как она будет связана в тугоплавкий сульфид марганца. Включения MnS располагаются в середине зерен, а не по их границам. При горячей обработке давлением включения MnS легко деформируются без образования трещин.
Фосфор , подобно сере, является вредной примесью. Растворяясь в феррите, фосфор резко снижает его пластичность, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, или иначе - вызывает хладноломкость стали. Это явление наблюдается при содержании фосфора свыше 0,1 %.
Области слитка с повышенным содержанием фосфора становятся хладноломкими. В мартеновской стали обыкновенного качества допускается не более 0,045% Р.
Сера и фосфор , вызывая ломкость стали и одновременно понижая механические свойства, улучшают обрабатываемость резанием: повышается чистота обрабатываемой поверхности, увеличивается время между переточками резцов, фрез и т. д. Поэтому для ряда неответственных деталей, подвергаемых механической обработке, применяют так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (до 0,30%) и фосфора (до 0,15%).
Кислород - вредная примесь. Закись железа, подобно сере, вызывает красноломкость стали. Очень твердые окислы алюминия, кремния и марганца резко ухудшают обрабатываемость стали резанием, быстро затупляя режущий инструмент.
В процессе выплавки углеродистой стали из металлического лома в нее могут попасть никель, хром, медь и другие элементы. Эти примеси ухудшают технологические свойства углеродистой стали (в частности, свариваемость), поэтому их содержание стараются свести к минимуму.
Маркировка сталей
В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязнённость неметаллическими включениями. И в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А- поставляется с гарантированными механическими показателями, Б- поставляется с гарантированными химическими показателями, В- поставляется с гарантированными химическими и механическими показателями.
Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.
Стали группы Б применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких деталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.
В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси : кремний, марганец, сера, фосфор.
Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.
Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS , так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.
Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25 o С.
Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.
Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.
S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.
Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS , которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 o С. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости .
Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах
Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а н и пластичность (d и y), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.
2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.
Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO 2 , Al 2 O 3) нитридов (Fe 2 N ), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).
Примеси внедрения (азот N , кислород О ) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.
Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.
Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.