Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник
Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.
Чем отличаются легирующие элементы от примесей
В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:
Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.
Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства
Как примеси влияют на свойства сталей
Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:
Как легирующие элементы влияют на свойства сталей
Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:
Виды легированных сталей
В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:
Заключение
Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.
кремний. Благодаря этому представляется возможным получить достаточно высокую вязкость отпущенного мартенсита при отсутствии в его составе никеля или меди. Хромокремнистые и хромомарганцевокремнистые стали описанных выше составов по своей вязкости и температурному запасу вязкости приближаются к хромоникельмолибденовым и хромомедистомолибденовым сталям со средним содержанием в них никеля или меди (1,5— 1,7%).
4. Влияние легирующих элементов на механические свойства стали в термически улучшенном состоянии
Влияние легирующих элементов на механические свойства улучшенной стали, имеющей структуру сорбита, проявляется в следующих направлениях:
1. Присутствующие в твердом растворе легирующие элементы изменяют механические свойства феррита. Между тем, феррит является основой сорбита и, следовательно, играет решающую роль в формировании свойств термически улучшенной стали.
2. Содержащиеся в стали карбидообразующие элементы определяют течение процессов карбидообразования при высоком отпуске как в отношении температурных границ их развития, степени дисперсности образующихся фаз, в связи с температурой отпуска, так и в отношении распределения легирующих элементов между карбидами и а-железом. В то же время степень дисперсности карбидной фазы, как и характер распределения элементов между отдельными составляющими сорбита, оказывает решающее влияние на механические свойства улучшенной стали.
3. Легирующие элементы замедляют процессы возврата и рекристаллизации а-фазы при высоком отпуске, смещая температурные границы их течения в сторону более высоких температур, и оказывают влияние на величину рекристаллизирующегося в процессе высокого отпуска зерна ферритной основы сорбита.
4. Большинство легирующих элементов заметно повышает восприимчивость стали к отпускной хрупкости. У сталей, сильно подверженных отпускной хрупкости, это свойство, вероятно, не устраняется полностью даже путем охлаждения изделий после высокого отпуска в воде. Очевидно, что это влечет за собой снижение запаса вязкости улучшенной стали.
Легирование определяет также возможность достижения высоких механических свойств у термически улучшаемой стали, в крупных сечениях изделий. Действительно, путем легирования можно обеспечивать получение при закалке структуры мартенсита или мартенсита с некоторым количеством игольчатого троостита в любых заданных сечениях. Достижение такой структу
ры в сколь-либо значительных сечениях в случае применения нелегированной стали практически исключено, поскольку обычная углеродистая сталь характеризуется высокими значениями критической скорости закалки. Между тем, получаемая в результате закалки структура оказывает громадное влияние на свойства стали после высокого отпуска; только при наличии исходной структуры мартенсита или мартенсита с небольшим количеством игольчатого троостита достигаются удовлетворительные механические свойства в высокоотпущенном состоянии (глава VI).
В зависимости от состава и условий термической обработки (в частности, температуры отпуска) механические свойства стали могут изменяться в широком диапазоне значений. В нашу задачу, однако, не входит описание всех возможных вариантов свойств улучшенной стали в связи с ее составом и температурами отпуска. Эти данные можно найти в справочниках. Мы ограничиваемся лишь рассмотрением особенностей влияния легирующих элементов на механические свойства термически улучшенных сталей первоначально при индивидуальном, а затем при комплексном их легировании. Действие легирующих элементов рационально наблюдать только в тех случаях, когда достигается удовлетворительная прокаливаемость стали в заданных сечениях и за счет быстрого охлаждения после высокого отпуска устраняется или резко ослабляется отпускная хрупкость. Все дальнейшие выводы будут относиться только к указанным случаям.
Кремний. Влияние кремния на механические свойства стали после закалки в воде и последующего высокого отпуска показано в табл. 67
Легирование стали кремнием сопровождается повышением показателей прочности при одновременном незначительном снижении относительного сжатия и сохранении относительного удлинения примерно на одном и том же уровне. Ударная вязкость при содержании в стали кремния 1,5% и более резко снижается.
Общий характер действия кремния на механические свойства улучшенной стали имеет некоторые черты сходства с влиянием его на свойства феррита. Действительно, и в том и другом случае под влиянием кремния возрастает прочность и снижается вязкость металла. Такое явление вполне закономерно, поскольку кремний, как элемент, не образующий карбидов, главным образом воздействует на ферритную основу сорбита улучшенной стали. К этому следует добавить, что кремний сильно замедляет процесс укрупнения карбидов при отпуске и потому увеличивает устойчивость стали против отпуска, способствуя достижению при одинаковой температуре отпуска более высоких показателей прочности. Совокупность действия кремния в указанных направлениях приводит к тому, что у отпущенной при одинаковой температуре нагрева стали с повышением содержания кремния возрастает прочность, но снижается вязкость.
Однако, поскольку при одинаковом отпуске с увеличением содержания в стали кремния прочность непрерывно возрастает, затруднительно по таким данным выявить истинное действие кремния на ударную вязкость, так как эффект влияния элемента «вуалируется» одновременным изменением прочности. Более показательным для оценки действия элементов на ударную вязкость следует считать испытания стали с эквивалентным содержанием углерода при одинаковой твердости образцов. На рис. 189 по данным автора показано влияние кремния на ударную вязкость образцов стали с 0,26—0,28% С, имеющих твердость 228—217 Н при различных температурах испытания. Одинаковая твердость образцов с различным содержанием кремния была достигнута за счет изменения температур отпуска. Нелегированная сталь отпускалась при 560°, сталь с 1,48% Si — при 590° и сталь с 2,93% Si —при 660°.
Из рисунка видно, что при одинаковой твердости присутствие в улучшенной стали кремния в количестве 1,48% вызывает небольшое повышение температурного запаса вязкости; увеличение количества кремния до 2,93% сопровождается резким понижением вязкости при всех температурах испытания.
Следовательно, влияние кремния на ударную вязкость и температурный запас вязкости не является однозначным; при среднем содержании этого элемента (примерно 1,5%) его действие может оцениваться скорее как положительное; при высоком содержании (3,0%) — как явно отрицательное.
На рис. 190 сравниваются свойства нелегированной стали с 0,41% С со свойствами стали, содержащей 0,41% С и 1,43% Si, при различных температурах отпуска. Образцы сечением 70 X 70 мм закаливались в масле, потому следует предположить, что в условиях опыта не была достигнута закалка на мартенсит. Последнее, впрочем, подтверждается также низкими показателями прочности стали в отпущенном при
300° состоянии. Тем не менее и в этом случае общий характер влияния кремния на свойства улучшенной стали сохраняется тот же, что был отмечен выше. После отпуска кремнистой и нелегированной стали при одинаковых температурах, расположенных выше 550°, нелегированная сталь обладает несколько более высокой ударной вязкостью и одновременно пониженной прочностью. Если сравнивать ударную вязкость стали при одной и той же ее прочности, то можно констатировать некоторые преимущества кремнистой стали и в этом случае. Действительно, сталь с 1,43% Si, отпущенная при 700°, имеет предел прочности, равный 75 кг/мм 2 ; углеродистая сталь такое значение предела
Влияние химические элементов на свойства стали и свариваемость
Свариваемость — это способность материала образовывать неразъёмные соединения, отвечающие требованиям изготовления и проектирования и работающие должным образом в течение срока службы. Свариваемость считается хорошей для низкоуглеродистой стали, С повышением содержания углерода требуется применять специальные меры, такие как предварительный нагрев, контроль подвода тепла и термическая обработка после сварки. Кроме углерода на свариваемость влияет содержание других легирующих элементов. Качественный подход к определению свариваемости стали заключается в расчете ее углеродного эквивалента.
где Сэ – углеродный эквивалент,
С, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – массовые доли углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля, и меди, %.
Классификация сталей по свариваемости
По технологической свариваемости легированные углеродистые стали условно можно разбить на четыре группы:
1) стали, свариваемые без ограничений (Сэ ≤ 0,25%);
2) стали с удовлетворительной свариваемостью (0,25 0,45 %), применение которых для изготовления сварных конструкций не желательно
Свариваемость
Эквивалент Сэ, %
Специальные меры
подогрев
предварительный
сопутствующий
термообработка после сварки
Хорошая
≤ 0,25
—
—
—
Удовлетворит.
0,25 — 0,35
необходим
—
необходим
Ограниченная
0,35 — 0,45
необходим
—
необходим
Плохая
> 0,45
необходим
необходим
необходим
Методы оценки свариваемости металлов
Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы.
Косвенные способы позволяют оценить склонность к образованию холодных трещин расчетным путем без непосредственного испытания материалов
Прямые способы предусматривают сварку технологических проб, проведение специализированных испытаний сварных соединений или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные
Влияние химических элементов на свариваемость
Углерод (C)
Углерод является самым важным элементом в стали, его содержание определяет твердость и прочность материала, а также реакцию на термическую обработку, способность стали к закалке. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твёрдость, а свариваемость пластичность, и обрабатываемость стали снижаются.
Кремний (Si)
Кремний является одним из основных раскислителей стали. Кремний помогает удалять пузырьки кислорода из расплавленной стали. Это элемент, обязательно используется в производстве сталей, и обычно содержится в количествах менее 0,40 процента. Кремний растворяется в железе и имеет свойство увеличивать прочность.
При сварке кремний улучшает очистку и раскисления металла при сварке на загрязненных поверхностях и способствует получения металла сварного шва повышенной прочности Кремний добавляется как раскисляющий элемент в сварочную проволоку. Он предотвращает соединение железа с кислородом и уменьшает количество FeO в сварочной ванне, однако при этом образуются оксиды SiO2 имеющие высокую температуру плавления (около 1710℃), и остающиеся в металле при застывании.
Марганец (Mn)
Действие марганца аналогично действию кремния, но его способность к раскислению несколько хуже, чем у кремния. Марганец добавляемый в сварочную проволоку соединяться с серой и образовывает сульфида марганца (MnS). Оксиды и сульфиды марганца имеет температуру плавления (около 1270 ℃) и низкую плотность благодаря чему они могут агломерироваться в крупный шлак и всплывают в сварочной ванне, обеспечиваю хороший эффект очищения от кислорода и серы. Марганец также является важным легирующим элементом, оказывающим влияние на повышение прочности но снижется вязкость металла сварного шва.
Марганец (Mn)
Марганец может быть вторым по важности элементом после углерода в стали. Mn обладает эффектами, аналогичными эффектам углерода, и производитель стали использует эти два элемента в сочетании для получения материала с желаемыми свойствами. Марганец необходим для процесса горячей прокатки стали путем его сочетания с кислородом и серой.
Стали обычно содержат не менее 0,30% марганца, однако в некоторых углеродистых сталях может содержаться до 1,5%.
Сталь с низким содержанием марганца может содержать серу в виде сульфида железа (FeS), что может привести к образованию трещин в сварном шве.
Сера (S)
Сера улучшает обрабатываемость, но снижает пластичность и ударную вязкость. При сварке сера является вредной примесью, оказывающей неблагоприятное влияние на свариваемость и механические свойства стали. Содержание серы в сталях ограничено до 0,05%.
Сера обычно присутствует в стали в виде сульфида железа и распределяется по границе зерен в виде сетки. По содержанию серы и фосфора стали классифицирую по качеству. Стали с содержанием серы и фосфора менее 0,025% относят к высококачественным.
Фосфор (Р)
Фосфор может быть полностью растворен в феррите в стали. Фосфор хотя и увеличивает прочность и коррозионную стойкость стали, также является вредной примесью, так как приводит к охрупчиванию, особенно при низкой температуре. Поэтому он крайне не благоприятен для сварки и его содержания ограничивается так же как и серы.
Хром (Cr)
Хром один из основных легирующим элементом в стали. Хром повышает прокаливаемость стали, коррозионную стойкость, а также предела текучести но при этом ударная вязкость и пластичность незначительно снижаются. Стали с содержанием хрома боле 12% относят к нержавеющим.
Хром также обладает сильной антиоксидантной способностью и термостойкостью. Поэтому хром широко используется в жаропрочных сталях.
Алюминий (Al)
Алюминий является одним из сильнейших раскисляющих элементов, поэтому использование алюминия в качестве раскислителя приводит к снижению оксидов в сварочной ванне, азота и снижает пористость. способность противостоять пористости CO. В то же время высокое содержание в сварочной проволоке алюминий приводит к сильному разбрызгиванию. При оптимальном содержания алюминия в сварочной проволоке, формируется мелкозернистая структура, незначительно повышается твердость, предел текучести и прочность на растяжение металла сварного шва.
Титан (Ti)
Титан очень прочный и легкий металл, который можно использовать отдельно или легировать сталями. Он добавляется в сталь для придания ей высокой прочности при высоких температурах.
Титан является сильным раскисляющим элементом, и также может связывать азот и кислород, что приводит к снижению пористости сварного шва. Содержание титана в металле препятствует росту зерна и улучшает структуру.
Молибден (Мо)
Молибден в сталях повышает прочность и твердость, придает структуре мелко зернистость, уменьшает склонность к образованию трещин и повышает ударную вязкость. Молибденом используется для придания стали жаропрочности, в нержавеющих сталях добавляется для повышения их коррозионной стойкости, а также используется в быстрорежущих инструментальных сталях.
Ванадий (V)
Ванадий повышает прочность стали, способствует уменьшению роста зерна и улучшить прокаливаемость. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, увеличивает склонность стали к закалке. Карбид ванадия обладает высокой температурной стабильностью, поэтому он может улучшить высокотемпературную твердость стали. Ванадий образует тугоплавкие оксиды, что увеличивает сложность газовой сварки и резки.
Ванадий используется в жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.
Вольфрам (W)
Используется с хромом, ванадием, молибденом или марганцем для производства быстрорежущей и инструментальной стали. Вольфрам в виде карбида вольфрама придает стали высокую твердость, которая сохраняется даже при сильном нагреве, что делает ее особенно подходящей для режущего инструмента.
Кобальт (Co)
Кобальт повышает прочность и твердость при высоких температурах. Усиливает действие других элементов в высоко легированных сталяз индивидуальные эффекты других элементов в более сложных сталях.
Никель (Ni)
Никель улучшает коррозионную стойкость, низкотемпературные характеристики стали и свариваемость. Часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно хромом и молибденом. Это ключевой компонент в нержавеющих сталях, в низких концентрациях, обнаруживаемых в углеродистых сталях.
Медь (Cu)
Медь является еще одним основным элементом коррозионной стойкости. Она также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость стали. Наиболее часто медь встречающаяся в качестве остаточного металла в сталях и содержится в количестве не менее 0,20 процента.
Ниобий (Nb)
Ниобий улучшает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость и улучшает структуру зерна. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень мелкие карбиды.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Карданный велосипед своими руками