Металлопрокат » Статьи » Химические элементы и их влияние на механические свойства стали

Химические элементы и их влияние на механические свойства стали

Сталь в целом представляет собой сплав углерода и железа, но в ее состав входит множество других элементов, некоторые из которых остаются в процессе производства стали, а другие добавляются для придания ей определенных свойств. Мы видим несколько наиболее распространенных химических элементов, оказывающих важное влияние на свойства стали.

21 химический элемент

1. Углерод (C)

Углерод является наиболее важным элементом в стали, он необходим в сталях, которые должны быть закалены закалкой, и степень содержания углерода контролирует твердость и прочность материала, а также реакцию на термообработку (прокаливаемость).

При увеличении количества углерода снижается пластичность, кузнечная способность и обрабатываемость, а также свариваемость стали.

2 .Марганец (Mn)

Марганец может быть вторым по важности элементом после углерода в стали. Mn обладает эффектами, схожими с углеродом, и производитель стали использует эти два элемента в комбинации, чтобы получить материал с желаемыми свойствами. Марганец необходим для процесса горячей прокатки стали благодаря его соединению с кислородом и серой.

Его присутствие имеет следующие основные эффекты:

  • Он является мягким раскислителем, действующим как очиститель, выводящий серу и кислород из расплава в шлак.
  • Он повышает способность к затвердеванию и прочность на разрыв, но снижает пластичность.
  • В сочетании с серой образует глобулярные сульфиды марганца, необходимые в сталях для свободного резания для хорошей обрабатываемости.

Стали обычно содержат не менее 0,30 % марганца, однако в некоторых углеродистых сталях его содержание может достигать 1,5 %.

Марганец также увеличивает скорость проникновения углерода при науглероживании и действует как мягкий раскислитель. Однако, когда слишком высокое содержание углерода и марганца сопровождают друг друга, наступает охрупчивание. Марганец способен образовывать с серой сульфид марганца (MnS), что благоприятно сказывается на механической обработке. В то же время он противодействует хрупкости, вызванной серой, и благоприятно влияет на качество обработки поверхности углеродистой стали.

Для целей сварки соотношение марганца и серы должно составлять не менее 10 к 1. Содержание марганца менее 0,30% может способствовать образованию внутренней пористости и трещин в сварном шве, а при содержании более 0,80% могут образовываться трещины. Сталь с низким соотношением марганца и сульфида может содержать серу в виде сульфида железа (FeS), что может привести к образованию трещин в сварном шве.

3. Фосфор (P)

Хотя он повышает прочность стали на растяжение и улучшает обрабатываемость, его обычно рассматривают как нежелательную примесь из-за его охрупчивающего эффекта.

В зависимости от концентрации фосфор оказывает различное влияние на сталь.

Максимальное количество фосфора в стали высшего сорта составляет от 0,03 до 0,05%, так как он является вредным. До 0,10 % фосфора в низколегированных высокопрочных сталях увеличивает прочность, а также повышает устойчивость стали к коррозии. При слишком высоком содержании фосфора в закаленной стали возрастает вероятность хрупкости. Несмотря на повышение прочности и твердости, пластичность и вязкость снижаются.

Обрабатываемость стали со свободной резкой улучшается, но при содержании фосфора более 0,04% может возникнуть хрупкость сварного шва и/или трещины при сварке. Фосфор также влияет на толщину слоя цинка при цинковании стали.

4. Сера (S)

Сера обычно рассматривается как примесь и оказывает негативное влияние на ударные свойства, когда в стали много серы и мало марганца. Сера улучшает обрабатываемость, но снижает поперечную пластичность и ударную вязкость при надрезе, а на продольные механические свойства оказывает незначительное влияние. Ее содержание в сталях ограничено 0,05%, но в стали для свободного резания ее добавляют в количестве до 0,35%, при этом содержание марганца увеличивают, чтобы нейтрализовать любое вредное воздействие, поскольку легирующие добавки серы в количестве от 0,10% до 0,30% улучшают обрабатываемость стали. Такие типы могут называться «повторно сернистыми» или «свободнообрабатываемыми». В стали для свободного резания добавляют серу для улучшения обрабатываемости, обычно до 0,35%.

Несмотря на то, что на определенных этапах влияние серы на сталь отрицательно, любое содержание серы менее 0,05 % положительно сказывается на марках стали.

5. Кремний (Si)

Кремний является одним из основных раскислителей для стали. Кремний помогает удалять пузырьки кислорода из расплавленной стали. Это элемент, который чаще всего используется для производства полу- и полностью убитых сталей, и обычно содержится в количестве менее 0,40 %, обычно только небольшое количество (0,20 %) присутствует в стальном прокате, когда он используется в качестве раскислителя. Однако в стальных отливках обычно присутствует от 0,35 до 1,00%.

Кремний растворяется в железе и, как правило, укрепляет его. Некоторые присадочные металлы могут содержать до 1 % для обеспечения усиленной очистки и раскисления при сварке загрязненных поверхностей. Когда эти присадочные металлы используются для сварки на чистых поверхностях, прочность металла шва в результате заметно снижается.

Для целей цинкования стали, содержащие более 0,04% кремния, могут сильно повлиять на толщину и внешний вид оцинкованного покрытия. В результате образуются толстые покрытия, состоящие в основном из сплавов цинка и железа, а поверхность получается темной и тусклой. Но оно обеспечивает такую же защиту от коррозии, как и блестящее оцинкованное покрытие, внешний слой которого состоит из чистого цинка.

6. Хром (Cr)

Хром является мощным легирующим элементом в стали. Хром присутствует в некоторых конструкционных сталях в небольших количествах. В основном он используется для повышения прокаливаемости стали и увеличения коррозионной стойкости, а также предела текучести стального материала. По этой причине часто встречается в сочетании с никелем и медью. Нержавеющие стали могут содержать более 12 % хрома. Известная нержавеющая сталь «18-8» содержит 8 % никеля и 18 % хрома.

Когда процент хрома в стали превышает 1,1%, образуется поверхностный слой, который помогает защитить сталь от окисления.

7. Ванадий (V)

Действие химического элемента ванадия аналогично действию Mn, Mo и Cb. При использовании с другими легирующими элементами он ограничивает рост зерна, уточняет его размер, повышает прокаливаемость, вязкость разрушения и устойчивость к ударным нагрузкам. Размягчение при высоких температурах, усталостные напряжения и износостойкость улучшаются. При содержании более 0,05% может наблюдаться тенденция к охрупчиванию стали при термической обработке для снятия напряжения.

Ванадий используется в азотированных, жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.

8.Вольфрам (W)

Используется вместе с хромом, ванадием, молибденом или марганцем для получения быстрорежущей стали, применяемой в режущих инструментах. Вольфрамовая сталь, как говорят, «красно-твердая» или достаточно твердая для резки после раскаления.

После термической обработки сталь сохраняет свою твердость при высокой температуре, что делает ее особенно подходящей для режущих инструментов.

Вольфрам в виде карбида вольфрама

  • Придает стали высокую твердость даже при высокой температуре.
  • Способствует образованию мелких зерен
  • Сопротивляется нагреву
  • Способствуют повышению прочности при повышенных температурах

9. Молибден (Mo)

Молибден действует аналогично марганцу и ванадию и часто используется в сочетании с тем или другим. Этот элемент является сильным карбидообразователем и обычно присутствует в легированных сталях в количестве менее 1 %. Он повышает прокаливаемость и прочность при повышенных температурах, а также улучшает коррозионную стойкость и увеличивает прочность при ползучести. Его добавляют в нержавеющие стали для повышения их коррозионной стойкости, а также используют в быстрорежущих инструментальных сталях.

10. Кобальт (Co)

Кобальт повышает прочность при высоких температурах и магнитную проницаемость.

Повышает твердость, а также позволяет использовать более высокие температуры закалки (в процессе термообработки). Усиливает индивидуальное влияние других элементов в более сложных сталях. Co не является карбидообразователем, однако добавление кобальта в сплав позволяет повысить достижимую твердость и твердость при раскаливании докрасна.

11. Никель (Ni)

Помимо благоприятного влияния на коррозионную стойкость стали, Ni добавляется в сталь для повышения прокаливаемости. Никель улучшает низкотемпературное поведение материала, повышая вязкость разрушения. Свариваемость стали не снижается из-за присутствия этого элемента. Никель резко повышает вязкость надреза стали.

Никель часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно с хромом и молибденом. Он является ключевым компонентом в нержавеющих сталях, но в низких концентрациях, характерных для углеродистых сталей. Нержавеющие стали содержат от 8 до 14 % никеля.

Еще одна причина добавления никеля в сплав - создание более ярких участков в дамасских сталях.

12. Медь (Cu)

Медь - еще один основной элемент, противостоящий коррозии. Она также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость. Обычно она содержится в количестве не менее 0,20 % и является основным антикоррозийным компонентом в таких марках стали, как A242 и A441.

Чаще всего медь встречается в сталях в качестве остаточного агента, но ее также добавляют для упрочнения осадка и повышения коррозионной стойкости.

13. Алюминий (Al)

Алюминий является одним из наиболее важных раскислителей в очень малых количествах в материале, а также

помогает сформировать более мелкозернистую кристаллическую микроструктуру и повысить вязкость стали. Обычно его используют в сочетании с кремнием для получения полу- или полностью убитой стали.

14. Титан (Ti)

Титан используется для контроля роста размера зерна, что повышает вязкость. Кроме того, сульфидные включения превращаются из вытянутых в шаровидные, что повышает прочность и коррозионную стойкость, а также вязкость и пластичность.

Ti - очень прочный и очень легкий металл, который может использоваться самостоятельно или легироваться сталями. Его добавляют в сталь, чтобы придать ей высокую прочность при высоких температурах. В современных реактивных двигателях используются титановые стали.

- Предотвращает локальное истощение хрома в нержавеющих сталях при длительном нагреве.

- Предотвращает образование аустенита в высокохромистых сталях

- Снижает мартенситную твердость и прокаливаемость в среднехромистых сталях.

15. Ниобий (Nb, ранее известный как колумбий - Columbium, Cb )

Ниобий является ключевым элементом рафинирования зерна, а также элементом, повышающим прочность при производстве стали. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень мелкие, простые карбиды. Повышает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. Кроме того, улучшает структуру зерна. Ранее был известен как колумбий.

16. Бор (B)

Наиболее важным эффектом и назначением бора в стали является резкое улучшение прокаливаемости.

Самое большое преимущество бора заключается в том, что при добавлении небольшого его количества можно получить тот же результат, что и при использовании других элементов в больших количествах с точки зрения повышения прокаливаемости. Типичный диапазон для стальных сплавов составляет от 0,0005 до 0,003%.

В процессе термообработки бор, заменяющий другие элементы, добавляется для повышения прокаливаемости среднеуглеродистой стали. Производительность резания для быстрорежущих сталей повышается, но за счет качества ковки. Также возможно слишком высокое содержание бора, что снижает прокаливаемость, вязкость, а также вызывает охрупчивание. Процентное содержание углерода в стали также играет роль в влиянии бора на прокаливаемость. По мере увеличения влияния бора на прокаливаемость количество углерода должно пропорционально уменьшаться.

При добавлении бора в сталь необходимо следить за тем, чтобы он не вступал в реакцию с кислородом или азотом, так как соединение бора с одним из них сделает его бесполезным.

17. Свинец (Pb)

Добавление свинца в очень малых количествах для улучшения обрабатываемости, до 0,30 %, улучшает обрабатываемость. При условии однородного распределения он оказывает незначительное влияние на физические свойства стали и, вопреки распространенному мнению, не влияет на способность к сварке.

18. Цирконий (Zr)

Цирконий добавляется в сталь для изменения формы включений. Обычно добавляется в низколегированные и низкоуглеродистые стали. В результате вязкость и пластичность улучшаются, когда форма превращается из вытянутой в шаровидную, что повышает вязкость и пластичность.

19. Тантал (Ta)

Химически очень похож на ниобий (Nb), поэтому оказывает аналогичное воздействие на сплав - образует очень твердые, очень мелкие, простые карбиды. Повышает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. Также улучшает зернистость.

20. Азот (N)

Азот действует в сплаве аналогично углероду. Азот заменяет углерод в небольших количествах (или даже в больших, при современных технологиях) для повышения твердости. Очевидно, что азот образует нитриды, а не карбиды. В INFI есть N, и еще несколько, а чемпионом является Sandvik, у которой 3% N в сплаве, полностью заменяя C. К сожалению, для производителей ножей он недоступен. Поскольку азот менее склонен к образованию нитридов хрома, чем углерод к образованию карбидов хрома, его присутствие улучшает коррозионную стойкость, оставляя больше свободного хрома в сплаве. Поскольку азот менее реактивен при образовании нитридов, его можно использовать для повышения твердости без увеличения размера и объема карбидов, например, в стали Sandvik 14C28N.

21. Селен (Se)

Обычно нежелателен в столовой стали. Добавляется для улучшения обрабатываемости. Как и сера, относится к той же группе халькогенов.

Все химические элементы и эффекты, показанные выше, связаны между собой в стальных материалах. Поэтому, если вы работаете в сталелитейной промышленности, вы должны знать об этом.

Есть еще несколько небольших редких металлических элементов, которые мы не перечислили выше. Вы можете оставить комментарий ниже с подробной информацией.

Оформить заявку
Оформление заказа
Оставьте заявку и наши специалисты свяжутся с Вами в ближайше время
Форма заказа обратного звонка!
Оставьте заявку и наши специалисты свяжутся с Вами в ближайше время