Влияние химического состава стали на свойства металла

Влияние азота на свойства сталей

Вредное влияние азота (N) заключается в том, что образуемые им довольно крупные, хрупкие неметаллические включения – нитриды – ухудшают свойства стали. Положительным свойством азота считают то, что он способен расширять аустенитную область диаграммы состояния сталей. Азот стабилизирует аустенитную структуру и частично заменяет никель в аустенитных сталях. В низколегированные стали добавляют нитридообразующие элементы ванадий, ниобий и титан. При контролируемой горячей обработке и охлаждении они образуют мелкие нитриды и карбонитриды, которые значительно повышают прочность стали.

Полезные примеси стали

Если говорить о веществах, которые улучшают характеристики металла, то к ним относится:

хром – увеличивает коррозионную устойчивость и твердость, при большом содержании хрома сталь становится нержавеющей;
никель – увеличивает прочность и пластичность сплава;
алюминий – способствует увеличению жаростойкости и устойчивость к образованию окалины;
вольфрам – увеличивает красностойкость и твердость металла за счет способности образовывать карбиды (сверхтвердые соединения);
кобальт – увеличивает жаростойкость и удароустойчивость;
титан – уменьшает содержание вредного кислорода, повышает коррозионноустойчивость и обрабатываемость;
ванадий – как и титан, считается эффективным раскислителем, увеличивает плотность и прочность металла.

Перечень отнюдь не исчерпывающий, существуют и другие элементы, улучшающие качества стали. Именно они используются при выплавке легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей. Узнать о составе металла можно из обозначения той или иной марки стали.

Влияние фосфора на свойства сталей

Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в альфа-железе.

Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.

Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.

В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.

В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по границам зерен.

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.

Вредные примеси в стали, которые ухудшают ее свойства

Давайте разберемся, какие вредные примеси содержатся в стали. Основными являются фосфор и сера.

Сера.

Сера (S) содержится в сталях высокого качества в количестве не более 0,02–0,03 %. Для металла общего назначения этот показатель повышается до 0,03–0,04 %. С помощью спецобработки количество серы уменьшается до 0,005 %.

Растворения серы в железе не происходит, а образуется FeS (сульфид железа). Он входит в эвтектику, образующуюся при температуре +988 °С.

При высоком содержании серы сталь становится красноломкой. Это происходит из-за появления на границах зерен сульфидных эвтектик, имеющих низкую способность к плавке. Красноломкость появляется при температуре красного каления стали – +800 °С.

Плохое влияние сера оказывает на свариваемость, пластичность, ударную вязкость, а также поверхность металла. Это особенно заметно, если марганец и углерод содержатся лишь в небольших количествах.

Склонность к сегрегации на границах зерен у серы значительна. По этой причине в ходе нагрева пластичность стали падает. Если металл предназначен для дальнейшей обработки автоматическим механическим способом, то в состав обязательно добавляют серу в количестве от 0,08 % до 0,33 %, так как она способствует возрастанию у подшипниковых сталей усталостной прочности.

Марганец же снижает вредное воздействие серы на сталь. При жидком состоянии сплава он вступает в реакцию с образованием сульфида марганца, температура плавления которого составляет +1620 °С. Она значительно превышает температуру горячей обработки металла (от +800 °С до +1200 °С). При таком нагреве сульфиды марганца достаточно пластичны и просто деформируются.

Фосфор.

Сегрегация фосфора (Р) в значительно меньшей, чем серы и углерода, степени происходит в ходе затвердевания сталей. Идет его растворение в феррите, из-за чего прочность металла увеличивается. Чем больший процент фосфора содержит сталь, тем выше ее хладноломкость и ниже ударная вязкость, пластичность.

Высокая температура среды позволяет достичь растворимости фосфора в пределах 1,2 %. Чем ниже становится температура, тем меньше растворимость фосфора. Она постепенно опускается до 0,02–0,03 %. Именно такое содержание данного химического элемента наблюдается в сталях. Это может говорить о том, что он, как правило, полностью растворяется в альфа-железе.

Отпускная хрупкость хромистых, хромоникелевых и хромомарганцевых, марганцевых и магниево-кремниевых легированных сталей во многом зависит от сегрегации фосфора по границам зерен. Элемент способствует замедлению распада мартенсита и повышает упрочняемость.

Примеси в сталях: вредные и полезные

Марганец, кремний, алюминий, серу и фосфор относят кпостоянным примесям . Алюминий вместе с марганцем и кремнием применяется в качестве раскислителя и поэтому в малых количествах они всегда есть в раскисленных сталях. Руды железа, а также топливо и флюсы всегда содержат определенное количество фосфора и серы, которые остаются в чугуне, а затем переходят и всталь .

Азот

называютскрытой примесью – он поступает в сталь в основном из воздуха.

К случайным

примесям относятмедь, мышьяк, олово, цинк, сурьму, свинец и другие элементы. Они попадают в сталь с шихтой – с рудами из различных месторождений, а также из железного лома.

Все примеси – постоянные, скрытые и случайные – в разной степени являются неизбежными из-за технологии производства стали.

Так, спокойная сталь обычно содержит эти примеси в следующих пределах: 0,3-0,7 % марганца; 0,2-0,4 % кремния; 0,01-0,02 % алюминия; 0,01-0,05 % фосфора, 0,01-0,04 % серы, 0,-0,2 % меди.

В этих количествах эти элементы рассматривают как примеси, а в бóльших количествах, которые вносят в стали намеренно, их уже считают легирующими элементами.

Влияние фосфора на свойства сталей

Влияние серы на свойства сталей

серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.

Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красно

ломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температурекрасного каления стали.

Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.

Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.

Влияние алюминия на свойства сталей

Алюминий (Al) широко применяется для раскисления жидкой стали, а также для измельчения зерна стальных слитков. К вредному влиянию алюминия относят то, что он способствует графитизации сталей. Хотя алюминий часто считают примесью, его активно применяют и как легирующий элемент. Поскольку алюминий образует с азотом твердые нитриды, он обычно бывает легирующим элементом в азотируемых сталях. Алюминий повышает стойкость сталей к окалинообразованию, и поэтому его добавляют в теплостойкие стали и сплавы. В дисперсионно упрочняемых нержавеющих сталях алюминий применяют как легирующий элемент, ускоряющий реакцию дисперсионного выделения. Алюминий повышает коррозионную стойкость низкоуглеродистых сталей. Из всех легирующих элементов алюминий является наиболее эффективным для контроля роста зерна при нагреве сталей под закалку.

Cера в стали — красноломкость

Сера в жидкой стали обладает неограниченной растворимостью и очень малой растворимостью в твердом состоянии. Как видно из рисунка, где приведен «железный» угол диаграммы состояния Fe—S для малых концентраций серы, предельная растворимость S в железе при 1365° С составляет 0,05%, а при 1000° С 0,013%. В альфа-железе растворимость серы ничтожна.

Вследствие понижения растворимости во время кристаллизации стали и ее охлаждения сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов FeS или оксисульфидов FeS-FeO. Выделение включений в конце затвердевания, когда имеются уже сформировавшиеся кристаллы, приводит к тому, что они располагаются по границам зерен, ослабляя их связь и ухудшая свойства металла.

При комнатной и близких к ней температурах включения сульфидов понижают механические свойства стали, характеризующие пластичность (относительные сужение и удлинение) и ударную вязкость. В литом металле это влияние может проявляться во всех направлениях. В катаных или кованых стальных изделиях, где сульфидные включения вытянуты в виде строчек в направлении горячей пластической деформации, отрицательное влияние серы в стали проявляется лишь в направлении,поперечном к линии вытяжки в процессе этой деформации.

Рисунок 1. Железный угол диаграммы Fe-S

При температуре горячей обработки металла давлением (850—1200° С) сера в стали вызывает понижение технологической пластичности стали, называемое «красноломкостью» (потеря пластичности при температуре красного каления). Красноломкость проявляется в образовании рванин и трещин во время обработки давлением.

Причиной возникновения красноломкости является оплавление оксисульфидов и сульфидов по границам зерен, вызывающее разрушение металла в процессе обработки давлением. Как видно из диаграммы, приведенной на рисунке, это может происходить при содержании серы в стали более 0,01%, т. е. тогда, когда оно выше предела растворимости в гама-железе.

Степень влияния серы на свойства стали зависит от характера сульфидных включений и их расположения в металле, что определяется воздействием некоторых сульфидообразующих элементов, вводимых в сталь для раскисления.

Раскисление будет подробно рассмотрено в следующем подразделе. Здесь же следует отметить лишь, что применяется оно для понижения содержания кислорода в металле.

Рисунок 2. Типы сульфидов в литой стали, X 400

а — глобули окиси сульфидов, б — цепочки FeS и MnS, в — Al2S3 При раскислении стали марганцем и кремнием без алюминия или с небольшим количеством алюминия (до 0,006—0,02%) образуются сульфиды и преимущественно оксисульфиды в виде обособленных, беспорядочно разбросанных обычно крупных глобулей — I тип включений .

При более полном раскислении (удалении кислорода) алюминием сульфидные включения выпадают в виде цепочек мелких глобулей или пленок — II тип включений. Критическое содержание алюминия, при котором образуются включения второго типа, составляет примерно 0,01—0,10% в малоуглеродистой стали и 0,005—0,020% в средне- и высокоуглеродистой.

Дальнейшее увеличение количества вводимого в сталь алюминия приводит к образованию включений III типа, относительно крупных, обычно неправильной формы, беспорядочно расположенных в металле. Эти включения состоят из сульфидов алюминия, марганца и железа.

Наиболее вредное влияние на механические свойства стали и склонность к красноломкости сера оказывает при образовании включений II типа. Влияние это меньше при образовании включений III типа и еще меньше при образовании включений I типа.

Особое влияние на склонность к возникновению красноломкости оказывает марганец. В стали, не содержащей марганца, красноломкость возникает при очень малой концентрации S, критическая величина которой зависит от состава металла и условий деформации. Практикой металлургического производства установлено, что отношение концентраций марганца и серы, необходимое для получения высокой технологической пластичности металла, обеспечивающей горячую обработку давлением без возникновения красноломкости, равно 10—20 для стали с содержанием серы до 0,05%.

Однако радикальным средством уменьшения вредного влияния серы на свойства стали является понижение ее содержания.

Источник → список литературы.

Металлопрокат

Свойства стали определяются ее химическим составом. Содержащиеся в стали компоненты можно разделить на четыре группы: постоянные (обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).

К постоянным примесям относятся углерод, марганец, кремний, сера и фосфор.

Углерод

— неотъемлемая составляющая часть стали, оказывающая на ее свойства основное влияние. Его содержание в выпускаемых марках стали колеблется от 0,1 до 1,4 %. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

Марганец

относится к постоянным примесям, если его содержание составляет менее 1 %. При содержании более 1 % он является легирующим элементом.

Марганец является раскислителем стали. Он повышает ее прочность, износостойкость и прокаливаемость, снижает коробление при закалке, улучшает режущие свойства стали. Однако ударная вязкость при этом снижается. Сталь, содержащая 11—14 % марганца (сталь Гатфильда), отличается высокой износостойкостью, так как способна упрочняться при пластической деформации. Сталь, содержащая 10—12 % марганца, становится немагнитной.

Кремний

также является раскислителем стали и легирующим элементом, если его содержание превышает 0,8 %. Он увеличивает прочностные свойства стали, предел упругости, коррозионную и жаростойкость, однако снижает ее ударную вязкость.

Сера

ифосфор являются вредными примесями. Так, сера делает сталь «красноломкой», а фосфор, повышая твердость стали, снижает ее ударную вязкость и вызывает «хладноломкость», т. е. хрупкость при температурах ниже —50°C.

Скрытые примеси представляют собой кислород, азот

иводород, частично растворенные в стали и присутствующие в виде неметаллических включений (окислов, нитридов). Они являются вредными примесями, так как разрыхляют металл при горячей обработке, вызывают в нем надрывы (флокены).

Случайные примеси — это медь, цинк, свинец, хром, никель

и другие металлы, попадающие в сталь с шихтовыми материалами. В основном они ухудшают качество стали.

Специальные добавки (легирующие элементы) вводятся в сталь с целью придания ей тех или иных свойств. К ним относятся марганец, кремний, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, бор, ниобий, цирконий, селен, теллур, медь

и др.

Наиболее распространенным легирующим элементом является хром.

Он препятствует росту зерна при нагреве стали, улучшает механические и режущие свойства, повышает коррозионную стойкость, прокаливаемость, способствует лучшей работе на истирание. При содержании хрома свыше 10 % сталь становится нержавеющей, но одновременно теряет способность воспринимать закалку.

Никель

повышает прочность стали при сохранении высокой вязкости, препятствует росту зерна при нагреве, снижает коробление при закалке, увеличивает коррозионную стойкость и прокаливаемость. При содержании никеля 18—20 %-я сталь становится немагнитной, жаростойкой, жаропрочной и коррозионностойкой.

Молибден

измельчает зерно стали, значительно повышает ее прокаливаемость, стойкость против отпуска, вязкость при низких температурах, ковкость и абразивную стойкость, снижает склонность к отпускной хрупкости.

Вольфрам

повышает твердость и режущие свойства стали, прокаливаемость, прочность и вязкость. Стали с содержанием 9 и 18 % вольфрама известны как быстрорежущие.

Ванадий

создает мелкозернистую структуру стали, задерживает рост зерна при нагреве, повышает ударную вязкость, устойчивость против вибрационных нагрузок, прокаливаемость и стойкость против отпуска.

Бор

увеличивает прокаливаемость стали, повышает ее циклическую вязкость, способность гасить колебания высокой частоты, снижает склонность к необратимой отпускной хрупкости.

Ниобий

предотвращает межкристаллическую коррозию, улучшает сварочные свойства, повышает пластичность, прочность и ползучесть стали при высоких температурах.

Цирконий

повышает предел выносливости стали на воздухе и в коррозионных средах, улучшает ее прочностные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре ниже нуля, замедляет рост зерна, повышает прокаливаемость и свариваемость.

Медь

повышает коррозионную стойкость стали, аселен ителлур — механические свойства стали и особенно ее пластичность.

Анализ углерода, серы и фосфора: углерод в сталях, фосфор в сталях, сера в сталях

Сталь — наиболее распространенный сплав железа с углеродом, в который входит ряд неизбежных примесей (Мп, Si, S, Р, О, N, Н и др.). Все они оказывают влияние на свойства стали, поэтому химический анализ — обязательный элемент системы качества на предприятии.

Анализ на углерод. Углерод — основной компонент стали, который представлен в ней в разных формах, и определяет его марку и основные свойства.
Анализ на серу и фосфор. Сера и фосфор трудноудаляемые элементы, которые попадают при выплавке стали в основном из чугуна. Они считаются вредными примесями, так как ухудшают качество стали. Максимально допустимое содержание серы не более 0,06%, а фосфора — 0,05%. В ходе плавки металла стараются провести мероприятия по десульфурации и дефосфорации, чтобы снизить влияние этих элементов.

Примеси: постоянные, скрытые и случайные

Марганец, кремний, алюминий, серу и фосфор

относят кпостоянным примесям . Алюминий вместе с марганцем и кремнием применяется в качестве раскислителя и поэтому в малых количествах они всегда есть в раскисленных сталях. Руды железа, а также топливо и флюсы всегда содержат определенное количество фосфора и серы, которые остаются в чугуне, а затем переходят и всталь .

Азот

называютскрытой примесью – он поступает в сталь в основном из воздуха.

К случайным

Все примеси – постоянные, скрытые и случайные – в разной степени являются неизбежными из-за технологии производства стали. Так, спокойная сталь обычно содержит эти примеси в следующих пределах: 0,3-0,7 % марганца; 0,2-0,4 % кремния; 0,01-0,02 % алюминия; 0,01-0,05 % фосфора, 0,01-0,04 % серы, 0,-0,2 % меди. В этих количествах эти элементы рассматривают как примеси, а в бóльших количествах, которые вносят в стали намеренно, их уже считают легирующими элементами.

Влияние серы на свойства сталей

Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

ломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температурекрасного каления стали.

Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).