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. Принято считать, что 1/3 всего количества СО, загрязняющего атмосферу, связана с деятельностью человека.

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.

Метан (СН 4 ) - образуется как естественным путем в результате жизнедеятельности микроорганизмов в застой­ных и почвенных водах, так и в результате деятельности человека: при разработке и эксплуатации газовых и нефтяных месторожде­ний, использовании природного газа, сжигании угля. В последние коды количество метана в атмосфере увеличивается на 1 % в год.

Диоксид серы (SO 2, сернистый газ) – относится к приоритетным загрязняющим веществам. 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.

Разложение диоксида азота в атмосферном воздухе под вли­янием ультрафиолетовых лучей на оксид азота и атомарный кислород приводит к образованию свободных радикалов озона. Оксиды азота и углеводороды соединяются с кислородом и об­разуют оксиданты, среди которых имеются очень токсичные вещества, участвующие в образовании фотохимического смога вместе с оксидами азота.

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. Твердые вещества, взвешенные в атмосферном воздухе, представляют собой пыль естественного и искусственного про­исхождения. Различают следующие виды естественной пыли: космическая, вулканическая, морская, лесных пожаров и на­земная, имеющая наибольшее гигиеническое значение. Она со­стоит из почвенной пыли и пыли растительной. Почвенная пыль населенных мест, расположенных в пустынных и полу­пустынных местностях, на 70-80 % состоит из минеральных соединений с высоким содержанием свободной двуокиси крем­ния, но опасность возникновения силикоза от нее невелика.

К растительной пыли относятся пыльца цветущих растений, споры грибов и бактерий.

Пыль искусственного происхождения поступает в воздух при сжигании твердого топлива (угля) в виде золы, недожога и са­жи. Зола представляет собой негорючие примеси к углю, недо­жог - несгоревшие частицы угля, сажа - продукт неполного сгорания угля, являющийся наиболее патогенным компонен­том, так как содержит канцерогенные вещества [бенз(а)пирен, метилхолантрен, антрацен].

Пыль может оказывать на человека косвенное и прямое не­благоприятное воздействие. Косвенное влияние пыли отме­чается в атмосфере и заключается в уменьшении интенсивнос­ти солнечной радиации, содействии образованию облачности и туманов, что ведет к снижению естественной освещенности помещений и как следствие близорукости и рахита у детей, остео­пороза у взрослых, способствует выживанию патогенных мик­робов в окружающей среде. Прямое же действие пыли: раздражающее, механическое, кан­церогенное, токсическое, эпидемиологическое, фиброгенное, кариесогенное, лучевое, аллергенное, эпидемиологическое - может наблюдаться в неблагоприятных производственных ус­ловиях.

Соединения хлора и фтора (СН 3 С1, НС1, фреоны и продукты их разрушения). В природных естественных условиях в океанической воде образуется хлористый метил (СН 3 С1), который поднимается в стратосферу и под действием солнечного излучения разлагается на атомы хлора. Затем из хлора образуется соляная кислота. Однако естественный хлор и его соединения оказывают незна­чительное воздействие на атмосферу. Большую опасность пред­ставляет антропогенное загрязнение атмосферы химическими со­единениями, содержащими хлор или фтор, или оба этих элемен­та. Это так называемые фреоны: хлорфторпроизводные метана, этана и циклобутана (CFC1 3 , CF 2 C1 2 и др.).

Фреоны широко применяются как растворители в баллончи­ках с аэрозолями различного назначения, как охлаждающие жид­кости в холодильниках и кондиционерах. Фреоны легко проника­ют в стратосферу, так как являются инертными газами. Однако на высотах 30 - 40 км под действием ультрафиолетовой части сол­нечного излучения (в диапазоне длин волн 180 - 225 нм) они разлагаются с выделением активных атомов хлора. Затем при взаимо­действии с кислородом образуется оксид хлора (С1 2 0), а в реакциях с HN0 3 , СН 4 и другими химическими соединениями обра­зуется хлористый водород (HCl). Хлористый водород хорошо растворяется в воде, поэтому эффективно вымывается осадками.

Значительное количество хлористого водорода (от сотен тысяч до 1,5 млн т) выбрасывается в стратосферу (до высоты 18 - 20 км) после крупных вулканических извержений. В среднем за 1 год за счет вулканической деятельности в стратосферу попадает около 0,3 млн т НС1.

В 1987 году в соответствии с Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) вступил в действие «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой», предусматривающий постепенное сокращение производства и потребления ряда хлорфторуглеродов. В частности в соответствии с этим протоколом фреон R-12 (как наиболее способствующий разрушению озонового слоя) и R-22, а также другие фреоны, разрушающие
озоновый слой, перестали применяться в бытовой технике.

Все сказанное выше о воздействии атмосферных загрязнений на людей, животный мир и растительность может быть подтверждено несколькими примерами. Как известно, отдельные нефтеперерабатывающие заводы и предприятия США используют в качестве топлива многосернистую нефть. В одном из штатов, где расположены такие заводы и предприятия, было проведено широкое медицинское обследование населения. Результаты обследования показали, что у лиц, которые жаловались на неприятные запахи, имеются различные болезненные явления общего характера: головные боли, бессонница, удушье, раздражение верхних дыхательных путей. Все эти явления периодически возникали в связи с поступлением в атмосферу вредных примесей. Все описанные явления нередко приводили к повышенной утомляемости, понижению работоспособности и функциональным нарушениям со стороны нервной системы. При обследовании состояния здоровья 1322 младших учащихся (Институт общей и коммунальной Гигиены АМН СССР), проживающих в районе выбросов мощной теплоэлектроцентрали, у многих практически здоровых детей были обнаружены начальные фиброзные изменения легких, а сами дети жаловались на частые головные боли, общую слабость, раздражение слизистых оболочек глаз, быструю утомляемость и др. Аналогичные жалобы были у населения, проживающего в районе вискозного завода в Белоруссии, где имело место загрязнение атмосферного воздуха сероуглеродом и сернистым ангидридом.

О неблагоприятном влиянии атмосферных загрязнений на рогатый скот можно судить по следующему факту, зарегистрированному вблизи одного из западногерманских заводов: большое стадо рогатого скота, принадлежавшее населению заводского поселка, было полностью уничтожено. Кроме того, население этого поселка отметило резкое уменьшение количества пчел, гибель отдельных видов диких животных и повреждение растительности даже на расстоянии 5 км от завода. Несомненную роль в этом сыграло загрязнение воздуха сернистым ангидридом и пылью, содержащей мышьяк, окись железа, сурьму и др. Имеются многочисленные сообщения о гибели крон и уничтожении листвы на деревьях вблизи химических комбинатов. К вредному влиянию атмосферных загрязнений следует отнести также ухудшение жилищно-бытовых условий населения: вследствие неприятных запахов многие лишены возможности открывать окна и проветривать помещения, имеет место загрязнение сажей и копотью внешней отделки зданий. Некоторые промышленные выбросы оказывают разрушающее действие на металлическую кровлю жилых и общественных зданий.

Особо следует обратить внимание на то, что в составе угольной смолы и пыли обнаруживаются некоторые канцерогенные продукты. Эти вещества конденсируются на частицах золы и сажи, поступающих в виде дымовых газов в атмосферный воздух. Об этом следует помнить, так как некоторые виды топлива, содержащие канцерогенные соединения, образуют при неправильном сжигании очень большое количество дымовых газов. Источниками подобного загрязнения атмосферного воздуха в городах могут быть также асфальтобетонные, толевые, рубероидные и сланцеперегонные предприятия. Сравнительные данные распространения рака легких среди жителей различных населенных мест показали, что это заболевание чаще поражает лиц, длительно проживающих в промышленных городах, воздушный бассейн которых характеризуется содержанием больших количеств атмосферных загрязнений.

Наконец, пыль и дым в воздушном бассейне населенных мест снижают прозрачность атмосферы, обусловливая уменьшение общей освещенности и, что особенно важно, вызывают значительное ослабление интенсивности ультрафиолетовой части солнечной радиации. Измерения освещенности рассеянным светом в промышленном районе Москвы и на расстоянии 8-10 км от центра установили, что в пределах города освещенность на 40-50% ниже. По сравнению с окрестностями напряженность солнечной радиации в Париже ниже на 25-30%, в Балтиморе - на 50%, а в Берлине - на 67%.

Согласно классификации Н. Т. Гудцова, примеси в стали подразделяют на постоянные (обыкновенные), случайные некрытые (вредные).

Постоянными примесями в стали являются марганец и кремний, которые как примеси имеются практически во всех промышленных сталях. Содержание марганца в конструк­ционных сталях обычно находится в пределах 0,3-0,8 % (если марганец не является легирующим элементом), в ин­струментальных сталях его содержание несколько меньше /q 15 0,40 %). Введение марганца как технологической до­бавки в таких количествах необходимо для перевода серы из сульфида железа в сульфид марганца. Кремний в хоро­шо раскисленных (спокойных) сталях обычно содержится в пределах 0,17-0,37 >%. В неполной мере раскисленных низкоуглеродистых (^0,2 % С) сталях его содержится меньше: в полуспокойных 0,05-0,017 %, в кипящих <0,07 %. В нержавеющих и жаропрочных, нелегированных кремни­ем сталях его может содержаться до 0,8 %.

Случайными примесями в стали могут быть практичес­ки любые элементы, случайно попавшие в сталь из скрапа, природно-легированной руды или раскислителей. Чаще все­го это Cr, Ni, Cu, Mo, W, Al, Ti и др. в количествах, ограни­ченных для примесей.

Скрытыми примесями в стали являются сера, фосфор, мышьяк и газы водород, азот и кислород. Однако в послед­нее время азот, серу, фосфор иногда используют в качестве легирующих добавок для обеспечения ряда особых свойств сталей. N

По марочному химическому составу стали можно опре­делить, какие элементы являются легирующими добавка­ми, а какие - примесями. Если в марочном химическом составе стали устанавливают нижний (не менее) и верх­ний (не более) пределы содержания в стали данного эле­мента, то он будет легирующим. Как правило, для приме­сей устанавливается только верхний предел содержания. Исключение составляют лишь Марганец и кремний, коли­чество которых регламентируется нижним и верхним пре­делом как для примесей, так и для легирующих добавок.

Вредные примеси: сера, фосфор и газы присутствуют’ практически во всех сталях и в зависимости от типа стали они могут оказывать на свойства различное влияние. Рас­смотрим их роль в стали.

При комнатной температуре растворимость серы в а-желе — зе практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали свя­зана в сульфиды железа и марганца и частично в сульфи­ды легирующих элементов. С повышением температуры се­ра растворяется в а — и у-железе, хотя и незначительно, но До вполне определенных концентраций (0,02 % в а-железе при 913°С и 0,05 % S в v-дселезе при 1365°С). Поэтому сер­нистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.

Если сера связана в сульфид железа FeS при относи­тельно низких температурах горячей деформации стали вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988°С), наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической дефор­мации возможна горячеломкость стали, обусловлен­ная расплавлением находящегося по границам первичных зерен аустенита, собственно сульфида железа (1188 °С). Введение в сталь марганца в отношении Mn:S>8-10 приводит практически к полному связыванию серы в туго-

Рис. 9. Зависимость ударной вязкости нормализованной ста­ли типа 45 от содержания в ией серы (В. Кнорр)

O, iz о,/J 0,01 о, ог O1OJ

S, (по массе]

Рнс. 10. Зависимость ударной вязкости KCV (а) и температуры перехода Ту, (б) стали 08Г2МБ от содержания серы (Е. Н. Жукова) овМП а:

Эффекта или сульфидного парадокса (рис. 10). Оно объясняется тем, что повышение содержания се­ры снижает ударную вязкость на поперечных образцах с острым надрезом (KCV), т. е. сопротивление стали вязко­му разрушению (рис. 10,а). Увеличение прочности стали приводит к более существенному влиянию серы на сниже­ние вязкости. Наиболее интенсивно понижается сопротив­ление вязкому разрушению при содержаниях серы до 0,010%. В то же время влияние серы на температуру пе­рехода из вязкого в хрупкое состояние, определяемое по наличию 50 % вязкой составляющей в изломе ударных об­разцов- T5о, т. е. на сопротивление стали хрупкому разру­шению, имеет экстремальный характер. Как показывают данные, представленные на рис. 10,6, наиболее склонна к хрупкому разрушению сталь при концентрации серы ~0,010%. При меньших и больших концентрациях серы температура перехода T50 понижается. Экстремальное со­держание серы в различных сталях может быть разным. Таким образом, сульфидный эффект заключается в повы­шении сопротивления стали хрупкому разрушению при од­новременном уменьшении сопротивления вязкому разруше­нию с увеличением содержания серы выше определенного предела. Можно полагать, что сульфидный эффект обуслов­лен различным взаимодействием движущейся трещины с сульфидами в зависимости от вязкости матрицы.

В жаропрочных аустенитных сталях повышение содер­жания серы заметно уменьшает пределы ползучести и дли­тельной прочности, т. е. S снижает жаропрочные свойства.

Растворимость фосфора в а — и у-железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается посредством измене­ния свойств феррцта и аустенита. Вредное действие фосфо­ра на свойства может усугубляться из-за сильной склонно­сти его к ликвации (степень ликвации достигает 2-3).

Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и особенно в усилении хладно­ломкости стали, т. е. повышении температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 11). \

Фосфор относится к сильным упрочнителям (см. гл. IV, п — 4). Несмотря на то что содержание его в стали обычно

Не превышает 0,030-0,040 %, он увеличивает предел теку­чести феррита на 20-30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора В пределах сотых долей процента мо­жет вызывать повышение порога хладноломкости на не-

?,% (по массе)

Рис. 11. Влияние фосфора на Oa и ат (М. С. Михалев, М. И. Гольдштейи) и ударную вязкость KCU (А. П. Гуляев) низкоуглероднстой феррнто-перлнтной стали (0,2 % С, 1 % Mn)

Сколько десятков градусов (~ 20-25 cC на 0,01 % Р) бла­годаря сильному уменьшению работы распространения тре­щины.

В конструкционных улучшаемых сталях фосфор ответ­ственен за проявление обратимой отпускной хрупкости (см.

Гл. IX, п. 6). В этом случае’ влияние его на порог хладно­ломкости особенно сильно (0,010 % P повышает темпера­туру перехода на ~40°С).

Аналогично фосфор влияет на порог хладноломкости аус — тенитных марганцовистых ста­лей, при этом его вредное вли­яние проявляется менее, резко (рис. 12). Влияние фосфора в допустимых пределах на меха­нические и жаропрочные свой­ства хромоникелевых аустенит — ных нержавеющих и жаропроч­ных сталей заметно не прояв­ляется.

Рнс. 12. Влияние фосфора на порог хладноломкости Tso аусте — нитной марганцовистой стали г 110Г13 (А. П. Гуляев):

1 - литая; 2 - кованая

В сталях, выплавленных на базе керченских руд, содер­жится мышьяк. Его влияние на свойства стали аналогично фосфору, но вредное действие мышьяка значительно сла­бее, чем фосфора. Поэтому в качественной стали такого производства допускается до 0,08 % As.

Газы в стали

R сталях в определенных количествах обычно присутствуют водород, ислород, азот. Содержание их в сталях зависит прежде всего от спо­соба выплавки. Примерное содержание, %, газов в стали при разных способах выплавки по данным А. П. Гуляева:

Электропечной Мартеновский Кислородно-

Основной конверторный

Водород Кислород Азот. . .

0,0004-0,0006 0,002-0,004 0,007-0,010

0,0003-0,0007 0,005-0,008 0,004-0,006 0,0001-0,0008 0,005-0,003 0,002-0,005

Водород может входить в состав твердого раствора стали и выде­ляться в газообразном состоянии, скапливаясь в порах металла, при этом в стали образуются флокены. Кислород обычно связан в неметал­лические включения. Азот отрицательно влияет на свойства стали, если он находится в твердом растворе или образует нитриды железа, вызы­вая старение стали. Положительное влияние азота на свойства стали проявляется при связывании его в прочные нитриды AlN, VN1 NbN или карбонитриды V (С, N), Nb (С, N) и др., что используется в сталях с карбоннтридным упрочнением. Кроме того, азот широко используется в качестве аустеннтообразующего элемента в коррозионностойкнх и жаропрочных сталях.

В заключение необходимо отметить, что борьбу с вредными при­месями в стали в основном проводят при выплавке стали. Уменьшение содержания вредных примесей в стали требует зачастую немалых за­трат для осуществления определенных технологических приемов и при­менения специальных методов выплавки.

Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали.

При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные Стали).

Рассмотрим влияние примесей отдельно.

Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления.

т. е. для устранения вредных примесей закиси железа. Марганец устраняет также вредные сернистые соединения железа (см. ниже), растворяется в феррите и цементите.

Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства. Но так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается не ощутимым.

Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции:

Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Фосфор. Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь.

При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавленная в основной

мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02-0,04 %), а в электропечи менее 0,02 %. Уменьшить содержание до 0,01 % и меньше металлургическими приемами затруднительно и достигается это использованием исходной высокочистой шихты (например, железо ПВ). Диаграмма состояния железо-фосфор приведена на рис. 150, а.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %, но она резко снижается при понижении температуры (рис. 150, б) и согласно последним исследованиям при 200 °С и ниже она составляет всего лишь Однако это количество фосфора обычно присутствует в стали.

Рис. 160. Диаграмма состояния : а - общий вид; б - растворимость Р в а-жедезе

Отсюда можно заключить, что фосфор целиком растворяется в а-железе.

Тем не менее углерод и легирующие элементы уменьшают растворимость фосфора, однако, металлографически избыточные соединения не обнаруживаются. Поэтому и в этих случаях фосфор находится в а-растворе, но такой раствор является пересыщенным.

Современными методами исследования было показано, что находящийся в растворе фосфор неравномерно распределяется и обогащает (сегрегирует) границы зерен. Малая скорость диффузии фосфора в -железе практически исключает выделение фосфидных выделений из раствора.

Фосфидные включения в виде, так называемой, фосфидной эвтектики (стэдит) наблюдается в фосфористых чугунах, содержащих фосфора

Растворяясь в -железе, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние (рис. 151), иначе вызывает хладноломкость стали. Таким образом, фосфор является вредным элементом. Следует отметить, что в отдельных случаях фосфор желательный

элемент, так как он, создавая хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов - продукт горения топлива . В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электри ческой печи сера удаляется из стали.

Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005 %.

Рис. 151. Влияние фосфора на хладноломкость стали

Рис. 152. Диаграмма состояния

Сера нерастворима в железе (рис. 152) и любое ее количество образует с железом сернистое соединение - сульфид железа который входит в состав эвтектики, образующейся при

Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при и выше, т. е. в районе температур красного каления. Явление это носит название красноломкости.

Обычно сернистая эвтектика присутствующая в небольшом количестве, коалесцирует, т. е. феррит эвтектики объединяется с ферритом основной массы металла, а соединение располагается вокруг зерен (рис. 153, а).

Такая форма включений серы является особенно вредной, так как при горячей обработке давлением получаются надрывы и трещины.

Последнее связано с тем. что еще в процессе нагрева стали вокруг оторочек сернистого железа, начиная с температуры происходит оплавление (т. е. образование расплава в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 152). Отдельные обособленные округлые включения сульфидов уже менее вредны (рис. 153, б).

Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца:

Рис. 153. Сернистые включения в виде: а - оторочек по границам зерна; б - обособленных включений, в - сульфида марганца,

Сульфид марганца плавится при т. е. при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки 1.

При температурах горячей обработки сульфид марганца пластичен и под действием внешних сил вытягивается в продолговатые линзы (рис. 153, в; 154, а).

Сульфиды пластичны и деформируются при горячей обработке в отличие от оксидова, которые хрупки, под действием

механических сил крошатся и располагаются в виде цепочек (рис. 154, б).

Пластинчатая форма включений сульфида марганца не влияет на свойства стали в направлении вдоль прокатки, но существенно, примерно в 2 раза, снижает пластические и вязкие свойства поперек прокатки, т. е. увеличивает анизотропию свойств (отношение «поперечных» и «продольных» свойств).

Современный прием скругления сульфидных включений - это обработка («модифицирование») жидкой стали или силикокальцием или редкими землями (церием).

Рис. 154. Неметаллические включения: а - сульфиды (пластичные); б - оксиды (хрупкие)

Эти модификаторы в первую очередь соединяются с серой, образуя соответственно сульфиды кальция или сульфиды церия, которые при температурах прокатки прочнее сульфидов марганца и не деформируются в пластины, а сохраняют округлую форму (см. рис. 153, б), более или менее распределяются в металлической матрице, не образуя в отличие от оксидов цепочки.

Такая модификация сульфидных включений улучшает «поперечные» свойства и коэффициент анизотропии относительного сужения и ударной вязкости от 0,5 при пластинчатой форме сульфидов повышается до 0,8.

Явление анизотропии учитывается в ГОСТах и технических условиях на металлопродукцию, в которых оговаривается направление вырезки образца.

В настоящее время широко распространен такой метод выплавки стали, при котором шлак приготавливают в отдельной печи (так называемый синтетический шлак). В результате обработки металла таким шлаком происходит более полное удаление серы, а также улучшаются свойства главным образом при испытании поперек волокна.

Своеобразно влияние серы на вязкие свойства, поскольку сера присутствует в большинстве марок стали в виде сульфидов марганца,

это ее влияние получило название сульфидный эффект. В отличие от других «вредных» элементов сера не повышает, а даже понижает порог хладноломкости, хотя и понижает ударную вязкость при вязком изломе (рис. 155).

Другими словами снижение содержания серы полезно в том смысле, что при этом повышается сопротивление вязкому разрушению, но снижается сопротивление хрупкому.

Рис. 155. Влияние серы на вязкие свойства стали

Как и фосфор, сера (см. ниже п. 6) облегчает обрабатываемость резанием.

«Газы». Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства (табл. 15).

Водород, азот, кислород могут присутствовать в следующих формах: находиться в различных несплошностях (газообразном состоянии), находиться в -твердом растворе; образовывать различные

Таблица 15. (см. скан) Примерное содержание газов в стали, (по массе)

соединения, так называемые неметаллические включения (нитриды, оксиды).

Если водорода в металле много, то это может привести к чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле (флокенам, см. с. 354).

Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла.

Растворимость водорода, азота, кислорода и углерода в а-железе невелика, но так как с понижением температуры эта растворимость резко уменьшается (рис. 156), то в условиях обычного (неравновесного) охлаждения стали после прокатки или ковки образуется пересыщенный твердый раствор этих элементов в -железе.

Рис. 156. Растворимость примесей внедрения углерода, кислорода и азота в а-желеэе

Теоретически правильнее эти элементы, а также углерод называть примесями внедрения, тем более что влияние их на свойства специфично и похоже.

Пластическая деформация и последующий невысокий нагрев такого пересыщенного раствора приводят к сильному охрупчиванию вследствие процессов старения (так называемое «деформационное старение»). Это проявляется в первую очередь в уменьшении запаса вязкости и в повышении порога хладноломкости. Так как содержание указанных примесей невелико (см. табл. 15), то их влияние на многие другие свойства незаметно. Однако в отличие почти от всех механических свойств примеси внедрения сильно влияют на вязкие свойства, уменьшая ударную вязкость и резко повышая порог хладноломкости (рис. 157, а, б).

Водород не образует соединений с железом (гидридов), поэтому он может выделяться из металла. После выплавки сталь содержит некоторое количество водорода, которое с течением времени постепенно уменьшается. Продолжительность этого процесса может быть несколько дней, недель или месяцев (в зависимости от толщины изделия). При этом механические свойства улучшаются.

Из сказанного следует, что наличие водорода, азота и кислорода в металле ухудшает его свойства.

Радикальным средством уменьшения указанных элементов и неметаллических включений в металле является выплавка или разливка металла в вакууме. Вакуумированный металл обладает более высокими свойствами вследствие высокой чистоты по неметаллическим включениям и отсутствия (практически) растворенных атомов водорода, азота и кислорода.

Примеси цветных металлов. Переплавка бытового и машиностроительного лома приводит к загрязнению стали примесями цветных металлов ( и др.). Обычно содержание этих элементов невелико - сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди, содержание которой достигает

К вредным примесям в стали относятся сера, фосфор и кислород. "Сера и фосфор являются теми главными врагами, с которыми металлургам черных металлов приходится иметь дело" (А.А. Байков).

Вред, приносимый серой, зависит не только от количества ее в стали, которое не должно превышать 0,03-0,05%, но и от того, в каком виде она там находится и насколько равномерно она расположена в объеме стали. В соединении с железом сера образует сульфид железа FeS (36,4% S), практически нерастворимый в твердом железе при обыкновенной температуре. Эвтектика, состоящая из железа и FeS, отвечает концентрации 31,5% S (85% FeS и 15% Fe) и плавится при температуре 985° C.

Низкая температура плавления этой эвтектики и легкая окисляемость ее при нагреве, в результате чего образуется сложная эвтектика с закисью железа FeO, имеющая температуру плавления 940°, вызывает в стали красноломкость. Во время ковки, прокатки и прессования такой стали при температурах красного каления в ней образуются трещины, так как сульфидная сетка располагается по границам зерен. Если эту сетку разрушить в мелкие зерна осторожной ковкой при очень высоких температурах, облегчающих деформацию и сваривание зерен металла, то такую сталь можно ковать даже при температуре краснолома. При одновременном присутствии в стали серы и марганца, имеющего большее химическое сродство с серой, чем железо, сера вступает в соединение с марганцем, образуя сернистый марганец MnS, который имеет высокую температуру плавления (1620°) и не вызывает красноломкости.

Сера может присутствовать в стали также в виде твердого раствора MnS и FeS с содержанием до 60% FeS, что соответствует температуре плавления 1365°. FeS может образовать эвтектику с 7% MnS и 93% FeS с температурой плавления 1181°.

Таким образом, марганец ослабляет вредное влияние серы при горячей обработке стали. В то же время MnS, являясь неметаллическим включением, вытягивается в прослойки или нити в направлении вытягивания металла при горячей обработке прокаткой. Вытянутые включения MnS ослабляют прочность изделия в отношении напряжений, направленных перпендикулярно к волокнам.

Чем мельче распылены включения MnS, тем они меньше снижают механические качества стали.
Кроме хрупкости, сера увеличивает истираемость и разрушение железа и стали от коррозии. Известна высокая стойкость железа, полученного из древесноугольного чугуна, свободного от сернистых включений.

Высокосортные стали должны содержать не более 0,02% S низкосортные – не свыше 0,08%.
Фосфор в стали находится в виде твердого раствора в феррите или выделений фосфида железа FeaP и благодаря этому увеличивает твердость железа, прочность и упругость, но одновременно снижает вязкость и особенно ударную вязкость. Влияние фосфора особенно резко обнаруживается в появлении у стали хладноломкости. Фосфор обусловливает склонность к образованию трещин при ударной деформации, при обыкновенной температуре и крупнозернистый излом. Такая сталь становится особенно хрупкой на морозе.

Рис. 11 Шлаковые включения x200

Влияние фосфора на сталь тем сильнее, чем больше в стали углерода. Входя в твердый раствор, фосфор способствует ликвации вследствие большого интервала затвердевания. Поэтому сталь, содержащая фосфор, дает весьма резко выраженную дендритную ликвацию, которая усиливается под влиянием углерода. Фосфор весьма медленно диффундирует в железе (гораздо медленнее, чем углерод). Во избежание местного скопления фосфора вследствие ликвации содержание фосфора в различных сортах стали в зависимости от ее назначения допускается лишь не более 0,02-0,07%. В виде исключения содержание фосфора умышленно увеличивается до 0,2% в стали, идущей для производства болтов и гаек. Благодаря присутствию фосфора достигается более высокая хрупкость, обеспечивающая хорошую обрабатываемость и получение чистой резьбы без задиров.

Кислород в железоуглеродистые сплавы может проникнуть либо во время плавки и разливки, либо путем диффузии в затвердевшее уже железо. В жидком металле кислород находится в виде раствора и кислородных включений FeO 3 Fe 3 O 4 MnO, а при раскислении стали различными элементами - в виде включений SiО 2 , А1 2 О 3 , ТiО 2 и т. д., которые почему-либо не успели вcплыть и перейти в шлак.

Наличие неметаллических включений, даже в небольших количествах, вредно влияет на качество стали; поэтому необходимо уметь выявлять их с помощью микроскопа. Включения MnS в стали легко заметить на отполированном шлифе без травления. Они, не обладая металлическим блеском, резко выделяются на светлом полированном поле металла и отличаются от него цветом, обычно серым или голубоватым. В прокатанных или кованых образцах стали неметаллические включения бывают вытянуты в направлении прокатки и ковки. Перпендикулярно направлению прокатки они имеют вид округленных зерен.

Рис. 12 Различная величина включений графита в чугуне х75

Включения FeS в сплавах железа встречаются очень редко и отличаются от MnS желтым или коричневым оттенком.
Окислы железа в виде FeO в железных сплавах (плохо заметны под микроскопом и лишь при значительном содержании в сплаве обнаруживаются в виде круглых серых или зеленоватых пятнышек, похожих на MnS.
Шлаковые включения на неправленом шлифе показаны на рис. 10 .