Что делает сталь прочной и долговечной? Секрет кроется в ее химическом составе. В этой статье мы рассмотрим влияние 19 различных элементов, таких как углерод, кремний и марганец, на свойства стали. От повышения прочности и вязкости до влияния на свариваемость и коррозионную стойкость - вы узнаете, как каждый элемент играет решающую роль. Погрузитесь в книгу, чтобы понять, как правильное сочетание элементов может адаптировать сталь для различных применений, и получить представление о материаловедении.
Роль углерода в стали - это хрупкий баланс. С одной стороны, как содержание углерода увеличивается, предел текучести и прочность на растяжение стали возрастают, но с другой стороны, снижается ее пластичность и ударная вязкость.
Таким образом, содержание углерода должно соответствовать назначению стали. Когда содержание углерода превышает 0,23%, сварочные характеристики значительно ухудшаются, поэтому содержание углерода в низколегированной конструкционной стали, используемой для сварки, не должно превышать 0,20%.
Кроме того, избыточное содержание углерода снижает устойчивость стали к атмосферной коррозии, что делает высокоуглеродистую сталь в условиях открытого воздуха уязвимой для коррозии.
Однако высокое содержание углерода не является полностью отрицательным фактором, поскольку оно также может повысить хладноломкость и чувствительность стали к старению.
Кремний добавляют в качестве восстановителя и раскислителя в процессе выплавки стали, в результате чего получается сталь, содержащая 0,15-0,30% кремния. Когда содержание кремния превышает 0,50-0,60%, он считается легирующим элементом.
Кремний может значительно увеличить предел упругости, предел текучести, и прочность на разрыв стали, и поэтому широко используется в пружинных сталях, таких как 65Mn и 82B, которые содержат 0,15-0,37% кремния.
Добавление кремния 1.0-1.2% к закалка и отпуск конструкционной стали может увеличить ее прочность на 15-20%.
Кроме того, в сочетании с такими элементами, как молибден, вольфрам и хром, кремний повышает устойчивость стали к коррозии и окислению, а также используется для производства жаропрочной стали.
Низкоуглеродистая сталь с содержанием кремния 1,0-4,0% обладает чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью и используется для изготовления листы кремнистой стали в электротехнической промышленности.
Однако у кремния есть недостаток - он снижает сварочные характеристики стали.
В процессе выплавки стали марганец действует как хороший раскислитель и десульфуратор, поэтому сталь обычно содержит 0,30-0,50% марганца.
Если в углеродистую сталь добавлено более 0,70% марганца, она считается "марганцевой сталью".
Этот тип стали обладает не только достаточной вязкостью, но и более высокой прочностью. прочность и твердость чем обычная сталь. Марганец улучшает прокаливаемость и способность стали к горячей обработке; например, предел текучести стали 16Mn на 40% выше, чем у стали A3.
Сталь с содержанием марганца 11-14% обладает чрезвычайно высокой износостойкостью и используется для изготовления ковшей экскаваторов и футеровки шаровых мельниц. Однако высокое содержание марганца имеет и недостатки.
При высоком содержании марганца сталь более склонна к отпускной хрупкости. Марганец способствует росту зерна, что необходимо учитывать при термообработке. Когда массовая доля марганца превышает 1%, сварочные характеристики стали снижаются.
Сера - вредный элемент в стали, который поступает из сталеплавильной руды и топливного кокса. В стали сера присутствует в виде FeS и образует соединения с Fe, которые имеют низкую температуру плавления (985°C), в то время как температура горячей обработки стали обычно составляет 1150-1200°C.
В результате во время горячей обработки соединение FeS преждевременно плавится, что приводит к растрескиванию заготовки - явление, известное как "горячая хрупкость". Чем выше содержание серы, тем сильнее проявляется горячая хрупкость, поэтому содержание серы необходимо контролировать.
Для высококачественной стали содержание серы составляет менее 0,02-0,03%; для качественной стали - менее 0,03-0,045%; а для обычной стали - менее 0,055-0,07%. В некоторых случаях в сталь добавляют серу.
Например, добавление в сталь 0,08-0,20% серы может улучшить ее обрабатываемость резанием, что приводит к так называемому свободному...режущая сталь.
Однако сера также негативно влияет на качество сварки и может снижать коррозионную стойкость.
Фосфор попадает в сталь через руду. Вообще говоря, фосфор - вредный элемент в стали. Хотя он может повышать прочность и твёрдость сталиЭто значительно снижает его пластичность и ударную вязкость.
При низких температурах фосфор делает сталь значительно более хрупкой, это явление известно как "холодная хрупкость", что ухудшает ее свойства при холодной обработке и свариваемость.
Чем выше содержание фосфора, тем сильнее хрупкость в холодном состоянии, поэтому контроль содержания фосфора в стали очень строгий.
Высококачественная сталь содержит фосфор менее 0,025%, качественная сталь - менее 0,04%, а обычная сталь - менее 0,085%.
Кислород - это вредный элемент в стали, который естественным образом попадает в нее в процессе выплавки. Несмотря на добавление марганца, кремния, железа и алюминия для раскисления в конце выплавки стали, удалить весь кислород не представляется возможным.
Кислород появляется в стали в виде FeO, MnO, SiO2, Al2O3 и других включений, которые снижают прочность и пластичность стали. В частности, он оказывает значительное влияние на усталостная прочность и ударной вязкости.
Феррит обладает низкой способностью растворять азот. Когда азот перенасыщен в стали, он выпадает в осадок в виде нитридов после длительного периода времени или после нагрева при 200-300°C, повышая твердость и прочность стали, но снижая ее пластичность и вызывая старение.
Чтобы устранить тенденцию к старению, в расплавленную сталь можно добавить Al, Ti или V для обработки азотом, который фиксирует азот в форме AlN, TiN или VN.
Хром значительно повышает прочность, твердость и износостойкость конструкционной и инструментальной стали, а также придает ей хорошую устойчивость к окислению и коррозии.
Таким образом, хром является важным легирующим элементом для нержавеющей и жаропрочной стали. Хром также улучшает прокаливаемость стали и является важнейшим легирующим элементом.
Однако хром также повышает температуру хрупкого перехода стали, увеличивает ее отпускную хрупкость и может вызвать трудности в процессе обработки.
Никель повышает прочность стали, сохраняя при этом хорошую пластичность и вязкость. Он обладает высокой устойчивостью к коррозии под воздействием кислот и щелочей, а также ржавчиной и жаростойкостью при высоких температурах. Однако, поскольку никель является дефицитным ресурсом, вместо никель-хромовой стали часто используются другие легирующие элементы.
Молибден улучшает зернистую структуру стали, повышает прокаливаемость и прочность в горячем состоянии, а также сохраняет достаточную прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах (когда деформация происходит под действием длительных напряжений при высоких температурах).
При добавлении в конструкционную сталь молибден улучшает ее механические свойства, а также снижает хрупкость. легированная сталь под воздействием огня. Кроме того, при добавлении в инструментальную сталь молибден повышает ее красную твердость.
Титан является сильным раскислителем стали. Он делает внутреннюю структуру стали более плотной, улучшает ее зернистую структуру, снижает чувствительность к старению и хладноломкость, а также улучшает сварочные характеристики. Добавление соответствующего количества титана в аустенитную нержавеющую сталь Cr18Ni9 может предотвратить межкристаллитная коррозия.
Ванадий является отличным раскислителем стали. При добавлении в сталь 0,5% ванадия улучшается зерновая структура, повышается прочность и вязкость. Карбиды, образующиеся в результате сочетания ванадия и углерода, повышают устойчивость к водородной коррозии при высоких температурах и давлении.
Вольфрам имеет высокую температуру плавления и высокую плотность, что делает его важнейшим легирующим элементом. Карбиды, образованные из вольфрама и углерода, обладают высокой твердостью и износостойкостью. Добавление вольфрама в инструментальную сталь значительно повышает ее красную твердость и жаропрочность, что делает ее пригодной для использования в качестве режущего инструмента и ковочные штампы.
Ниобий улучшает зернистую структуру стали и снижает ее чувствительность к перегреву и отпускную хрупкость, а также повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость.
Добавление ниобия в обычную низколегированную сталь повышает ее устойчивость к атмосферной коррозии, а также к коррозии водородом, азотом и аммиаком при высоких температурах. Ниобий также улучшает сварочные характеристики. При добавлении в аустенитную нержавеющую сталь ниобий предотвращает межкристаллитную коррозию.
Кобальт - редкий и ценный металл, который в основном используется в специальных сталях и сплавах, таких как жаропрочная сталь и магнитные материалы.
Сталь WISCO, произведенная из руды Дайе, часто содержит медь. Медь повышает прочность и вязкость, особенно в отношении атмосферной коррозии. Недостатком является повышенная вероятность возникновения хрупкости при горячей обработке. Когда содержание меди превышает 0,5%, пластичность значительно снижается, но когда содержание меди менее 0,50%, она не влияет на свариваемость.
Алюминий является распространенным раскислителем в стали. При добавлении небольшого количества алюминия в сталь улучшается зерновая структура и повышается ударная вязкость, как это видно на примере стали 08Al, используемой для глубокой вытяжки листов. Алюминий также обладает устойчивостью к окислению и коррозии.
В сочетании с хромом и кремнием алюминий значительно улучшает показатели термостойкости и устойчивости к высокотемпературной коррозии. Однако алюминий негативно влияет на способность стали к горячей обработке, сварке и резке.
Добавление небольшого количества бора в сталь улучшает ее компактность и свойства при горячей прокатке, а также повышает ее прочность.
Редкоземельные элементы относятся к 15 лантаноидам с атомными номерами 57-71 в периодической таблице. Все эти элементы являются металлами, но их оксиды похожи на "землю", поэтому их принято называть редкоземельными. Добавление редкоземельных элементов в сталь изменяет состав, форму, распределение и свойства включений в стали, улучшая различные свойства, такие как вязкость, свариваемость и способность к холодной обработке. Добавление редкоземельных элементов в лемешное железо повышает износостойкость.
См. также:
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO