Какое влияние оказывают легирующие элементы на свойства стали
Влияние отдельных компонентов на свойства стали
Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.
Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15…20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.
Влияние примесей
Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты — легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).
К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.
Углерод
При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.
Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик — таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.
Марганец
Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.
Кремний
Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.
Сера
Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.
Фосфор
Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.
Кислород и азот
Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% — красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.
Водород
Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.
Влияние легирующих элементов
Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.
Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.
Классификация
По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.
- Mn,Si,Cr,B;
- Ni,Mo;
- V, Ti, Nb, W, Zr и др.
Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:
- влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
- образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)7С3; (Сг,Ре)23С6; Мо2С и др.;
- образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом — Fе7Мо6; Fe3Nb и др.
По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:
- элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
- элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.
Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe — Mn — Cr — Mo — W — Nb — V — Zr — Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe3Nb2 и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.
В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.
Легирующий элемент | Ni | Cr | Mn | Si | W | Сu |
Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его | + | + | + | + | — | + |
Увеличивает ударную вязкость | + | — | + | + | — | — |
Расширяет область аустенита | + | — | + | — | — | — |
Сужает область аустенита | — | + | — | + | — | — |
Увеличивает прокаливаемость | + | — | + | — | — | — |
Способствует раскислению | — | — | + | + | — | — |
Образует устойчивые карбиды | — | + | + | — | + | — |
Повышает сопротивление коррозии | + | + | + | — | — | + |
Влияние отдельных компонентов на свойства стали (для малоуглеродистой и низколегированной стали)
Элемент | Обозначение в марке стали | Механические свойства | Технологические свойства | ||||||||
σ0 | σт | δ5 | HB | KCU | σ-1 | СВ | КорС | ХЛ | КС | ||
Углерод | У | ++ | + | = | ++ | — | — | — | |||
Марганец | Г | + | + | — | + | — | + | + | |||
Кремний | С | + | + | — | + | = | — | — | |||
Никель | Н | + | + | + | + | + | ++ | ||||
Хром | Х | + | + | — | ++ | — | ++ | ||||
Медь | Д | ++ | |||||||||
Ниобий | Б | ++ | ++ | — | + | + | + | ||||
Ванадий | Ф | + | + | — | + | ++ | + | + | |||
Нитрид ванадия | АФ | ++ | ++ | — | + | + | |||||
Молибден | М | + | + | — | + | ++ | + | + | |||
Бор | Р | ++ | ++ | — | + | — | + | + | |||
Титан | Т | + | + | + | — | + | |||||
Алюминий | Ю | — | |||||||||
Сера | нет | — | — | — | — | — | = | ++ | |||
Фосфор | П | + | + | = | + | = | = | — | = | ||
Мышьяк | нет | — | — | — | — | — | — | ||||
Азот | А | ++ | ++ | = | ++ | = | — | — | |||
Кислород | нет | = | = | = | + | = | = | = | — | — | + |
Примечания: σ0-предел прочности σт- предел текучести δ5- относительное удлинение HB — твёрдость KCU — ударная вязкость σ-1 — усталостная прочность СВ — свариваемость КоррС — коррозионная стойкость ХЛ — хладноломкость КС — красностойкость Последняя таблица показывает примерное влияние отдельных компонентов стали в количествах, содержащихся в малоуглеродистой и низколегированной стали без учета совместного действия нескольких компонентов. Знаки обозначают: (+) — повышает; (++) — значительно повышает; (-) — снижает; (=) — значительно снижает; (0) — не оказывает заметного влияния.
Влияние легирующих элементов на свойства стали
Легированными сталями называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, улучшающие ее механические, физические и химические свойства.
В качестве легирующих химических элементов используют:
- • хром;
- • никель;
- • марганец;
- • кремний;
- • вольфрам;
- • молибден;
- • ванадий;
- • кобальт;
- • титан;
- • алюминий;
- • медь и др.
Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения, повышает ее прокаливае-мость.
Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладоломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, повышает прокали-ваемость. В результате повышается сопротивление стали хрупкому разрушению. Так, при введении 1 % никеля снижается порог хладоломкости стали на 60—80 °С, а при введении 3 % никеля обеспечивается ее глубокая прокаливаемость.
Марганец, подобно хрому и никелю, увеличивает прокаливаемость стали, но кроме этого уменьшает и вязкость феррита. Марганец используют для частичной замены никеля с целью получения необходимого сочетания механических свойств стали и ее стоимости, с учетом меньшей стоимости марганца.
Кремний широко используют при выплавке стали как рас-кислитель. Легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Так, сталь, в состав которой входит 5 % хрома и 1 % кремния, в среде печных газов по жаростойкости аналогична стали с 12 % хрома. Содержание кремния в стали ограничивают, так как он повышает склонность к тепловой хрупкости.
Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие химические элементы вводят в сталь вместе с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения ее свойств
Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению отпускной хрупкости. Легирование стали молибденом приводит к значительному улучшению ее механических свойств после цементации.
При введении в сталь ванадия, титана, ниобия и циркония образуются труднорастворимые в аустените карбиды, что вызывает измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений. Однако этот эффект проявляется лишь при малом содержании этих легирующих химических элементов в стали (до 0,15 %). При большем количестве они вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению.
Положительное влияние бора на повышение прокаливаемо-сти и прочности стали проявляется лишь при микролегировании бором (0,001—0,005 %). При повышенном содержании бора сталь становится хрупкой.
Все легирующие элементы уменьшают рост зерна аустенита. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна. Остальные химические элементы, измельчающие зерно, оказывают различное влияние. Так, никель, кобальт, кремний, медь относительно слабо влияют на рост зерна; хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).
При отпуске стали легирующие химические элементы замедляют процесс распада мартенсита.
Некоторые элементы, такие как никель или марганец, оказывают незначительное влияние, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) — весьма заметное.
Легированные стали классифицируют:
- • по равновесной структуре:
- — доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный перлит;
- — эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру;
- • структуре после охлаждения на воздухе:
- — перлитные;
- — мартенситные;
- — аустенитные;
- • составу:
- — никелевые;
- — хромистые;
- — хромоникелевые;
- — хромомолибденовые и т. п.; • назначению:
- — конструкционные;
- — инструментальные;
- — коррозионностойкие;
- — жаростойкие;
- — жаропрочные;
- — электротехнические и др.
Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни. Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.
Общая информация
Сегодня многие марки стали широко применяются практически в любой сфере жизнедеятельности человека. Это во многом объясняется тем, что в этом сплаве оптимально сочетается целый комплекс механических, физико-химических и технологических свойств, которые не имеют какие-либо другие материалы. Процесс выплавки стали непрерывно совершенствуется и потому ее свойства и качество позволяют получить требуемые показатели работы получаемых в итоге механизмов, деталей и машин.
Классификация по назначению
Каждая сталь в зависимости от того, для чего она создана, в обязательном порядке может быть причислена в одну из следующих категорий:
- Конструкционная.
- Инструментальная.
- Специального назначения с особыми свойствами.
Самый многочисленный класс – это конструкционные стали, разработанные для создания разнообразных строительных конструкций, приборов, машин. Конструкционные марки разделяются на улучшаемые, цементуемые, пружинно-рессорные, высокопрочные.
Инструментальные стали дифференцируют в зависимости от того, для какого инструмента они производятся: режущего, измерительного и т. д. Само собой, что влияние легирующих элементов на свойства стали этой группы также велико.
Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:
- Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
- Жаропрочные.
- Жаростойкие.
- Электротехнические.
Группы сталей по химическому составу
Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:
- Углеродистые марки стали.
- Легированные.
При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:
- Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
- Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
- Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).
Что такое легированная сталь?
Под этим определением следует понимать стали, в которых содержатся, параллельно с постоянными примесями, еще и добавки, внедряемые в структуру сплава, с целью увеличения механических свойств полученного в конечном счете материла.
Несколько слов о качестве стали
Этот параметр данного сплава подразумевает под собой совокупность свойств, которые, в свою очередь, обуславливаются непосредственно процессом его производства. К подобным характеристикам, которым подчиняются и легированные инструментальные стали, относятся:
- Химический состав.
- Однородность структуры.
- Технологичность.
- Механические свойства.
Качество любой стали напрямую зависит от того, сколько содержится в ней кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Также не последнюю роль играет и метод получения стали. Самым точным с точки зрения попадния в требуемый диапазон примесей является сопособ выплавки стали в электропечах.
Легированная сталь и изменение ее свойств
Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.
Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:
- Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
- Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.
Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.
Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.
Расшифровка
Содержание легирующих элементов в стали можно определить по ее маркировке. Каждая из таких вводимых в сплав составляющих имеет своё буквенное обозначение. Например:
- Хром – Cr.
- Ванадий –V.
- Марганец –Mn.
- Ниобий – Nb.
- Вольфрам –W.
- Титан – Ti.
Иногда в начале индекса марки стали стоят буквы. Каждая из них несет особый смысл. В частности, буква «Р» означает, что сталь является быстрорежущей, «Ш» сигнализирует, что сталь шарикоподшипниковая, «А» – автоматная, «Э» – электротехническая и т. д. Высококачественные стали имеют в своем цифро-буквенном обозначении в конце литеру «А», а особо качественные содержат в самом конце маркировки букву «Ш».
Воздействие легирующих элементов
В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.
Содержание хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.
Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе легирования стали для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.
Ванадий – это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.
Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.
Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %.
Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.
Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.
Углеродистые марки стали, выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.
Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.
Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости.
Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.
Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.
Введение в стальной сплав циркония дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.
Случайные примеси
Крайне нежелательными элементами, которые очень негативно сказываются на качестве стали, являются мышьяк, олово, сурьма. Их появление в сплаве всегда приводит к тому, сталь становится очень хрупкой по границам своих зерен, что особенно заметно при смотке стальных лент и в процессе отжига низкоуглеродистых марок сталей.
Заключение
В наше время влияние легирующих элементов на свойства стали довольно хорошо изучено. Специалисты тщательно провели анализ воздействия каждой добавки в сплаве. Полученные теоретические знания позволяют металлургам уже на этапе оформления заказа сформировать принципиальную схему выплавки стали, определиться с технологией и количеством требуемых расходных материалов (руды, концентрата, окатышей, присадок и прочего). Наиболее часто сталеплавильщики использую хром, ванадий, кобальт и другие легирующие элементы, которые являются достаточно дорогостоящими.