Как легирующие элементы влияют на свойства стали: Как примеси и легирующие элементы влияют на свойства сталей

alexxlab | 09.01.2023 | 0 | Разное

Как примеси и легирующие элементы влияют на свойства сталей

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:

• К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
• К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
• К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

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:

• Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
• Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
• Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
• Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
• Азот (N₂) и кислород (O
  2) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
• Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

• Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
• Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
• Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
• Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
• Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
• Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
• Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
• Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
• Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
• Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
• Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
• Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
• Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
• Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

1. Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
2. При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
3. Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

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.

У нас вы найдете широкий ассортимент металлопроката по доступным ценам. Требуется консультация? Напишите на почту [email protected] или позвоните – наши менеджеры ответят на все вопросы.

Легирующие элементы. Легирующие элементы стали. Влияние легирующих элементов. Назначение легирующих элементов. Хромансиль.

Легирующие элементы – химические элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных свойств. Улучшают механические, физические и химические свойства основного материала.

Маркировка сталей. Маркировка углеродистых сталей. Маркировка легированных сталей. Маркировка инструментальных сталей.
Легированные стали. Классификация легированных сталей. Классификация легированных сталей по микроструктуре. Маркировка легированных сталей.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей — (0…-100)^oС.

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.
Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.

Дополнительные легирующие элементы:

• Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 ^oС.
• Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)^oС.
• Титан (см. Титан и его сплавы) (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
• Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости до –20…-120^oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
• Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
• Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.
  Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Усталостная прочность. Предел выносливости. Живучесть материалов.
Ударная вязкость. Определение ударной вязкости. Испытания на ударную вязкость.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в Fe_α происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo₂C, WC, VC, TiC, TaC, W₂C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

Влияние легирующих элементов на сталь

Определение: Любой металлический элемент, добавляемый в процессе производства стали с целью повышения коррозионной стойкости, твердости или прочности.

Углерод является основным упрочняющим элементом стали и оказывает большое влияние на свойства стали. Твердость и прочность на растяжение увеличиваются по мере увеличения содержания углерода примерно до 0,85% С. Пластичность и свариваемость снижаются с увеличением содержания углерода.

Марганец обычно положительно влияет на качество поверхности, особенно в ресульфурированных сталях. Марганец способствует прочности и твердости, но меньше, чем углерод. Увеличение прочности зависит от содержания углерода. Увеличение содержания марганца снижает пластичность и свариваемость, но в меньшей степени, чем углерод. Марганец оказывает значительное влияние на прокаливаемость стали.

Кремний является одним из основных раскислителей, используемых в сталеплавильном производстве. Кремний менее эффективен, чем марганец, в повышении прочности и твердости после прокатки. В низкоуглеродистых сталях кремний обычно ухудшает качество поверхности.

Хром обычно добавляют для повышения коррозионной стойкости и стойкости к окислению, повышения прокаливаемости или повышения жаропрочности. В качестве упрочняющего элемента хром часто используется с упрочняющим элементом, таким как никель, для получения превосходных механических свойств. При более высоких температурах хром способствует повышению прочности. Хром является сильным карбидообразователем.

Никель — упрочнитель феррита. Никель не образует карбидов в стали. Он остается в растворе в феррите, упрочняя и делая ферритную фазу более жесткой. Никель повышает прокаливаемость и ударную вязкость сталей.

Алюминий широко используется в качестве раскислителя. Алюминий может контролировать рост аустенитных зерен в повторно нагретых сталях, поэтому его добавляют для контроля размера зерна. Алюминий является наиболее эффективным сплавом для контроля роста зерна перед закалкой. Титан, цирконий и ванадий также являются ценными ингибиторами роста зерен, но их карбиды трудно растворяются в аустените.

Ниобий (Columbium) повышает предел текучести и, в меньшей степени, предел прочности углеродистой стали. Добавление небольшого количества ниобия может значительно увеличить предел текучести сталей. Ниобий также может оказывать умеренное упрочняющее действие при осаждении. Его основной вклад заключается в образовании выделений выше температуры превращения и в замедлении рекристаллизации аустенита, что способствует формированию мелкозернистой микроструктуры с повышенной прочностью и ударной вязкостью.

Молибден повышает прокаливаемость стали. Молибден может вызывать вторичное упрочнение при отпуске закаленных сталей. Повышает сопротивление ползучести низколегированных сталей при повышенных температурах.

Ванадий увеличивает предел текучести и предел прочности углеродистой стали. Добавление небольшого количества ванадия может значительно повысить прочность сталей. Ванадий является одним из основных факторов дисперсионного упрочнения микролегированных сталей. При правильном контроле термомеханической обработки размер зерна феррита уменьшается, и соответственно повышается ударная вязкость. Температура ударного перехода также увеличивается при добавлении ванадия.

Титан используется для замедления роста зерна и, таким образом, повышения прочности. Титан также используется для улучшения характеристик включения. Титан делает включения сульфидов шаровидными, а не удлиненными, что повышает прочность и пластичность при поперечном изгибе.

Фосфор повышает прочность и твердость, снижает пластичность и ударную вязкость стали. I Сера снижает пластичность и ударную вязкость надреза, особенно в поперечном направлении. Свариваемость снижается с увеличением содержания серы. Сера встречается преимущественно в виде сульфидных включений. Уровень серы обычно поддерживается на низком уровне. Единственным исключением являются легкообрабатываемые стали, в которые для улучшения обрабатываемости добавляется сера.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей?

Опубликовано 12.06.2018 12.06.2018

Алюминий, хром, марганец, молибден. Какова роль легирующих элементов в свойствах стали? Когда и почему они используются?

---

Алюминий и хром. Почему они используются?

АЛЮМИНИЙ

При изготовлении стали алюминий (Al) используется как

• a раскислитель (или флюс)
• a очищающий агент

из металлического зерна. Для всех этих мелкозернистых сталей.

ХРОМ

Хром (Cr), с другой стороны, играет очень важную роль в обработке стали. Это, по сути, повышает:

• прокаливаемость
• сопротивление и твердость (после термообработки)
• стабильность отпуска
• износостойкость .

Кроме того, этот легирующий элемент способен

• улучшить сочетание ударной вязкости и сопротивления
• уменьшить чувствительность к перегреву .

Что определяет хром? В частности определяет

• устойчивость к коррозии и горячему окислению
• высокотемпературная механическая стойкость (псевдоним сопротивление ползучести).

Обратите внимание на медь.

После разговора об алюминии и хроме мы хотим сосредоточиться на меди (Cu). Последний переходит по первичному состоянию (добыча полезных ископаемых) к очищенному . Его получают путем переработки как сырья, так и полученного при переработке лома. Вместе со сталью способствует образованию трещин. Медь при горячей обработке локализуется на поверхности и особенно вредна. Зачем в сталь добавляют медь? В КОРТЕНОВСКАЯ сталь (низколегированный материал), например, медь повышает стойкость к атмосферному окислению.

Марганец для конструкционных сталей.

Последний легирующий элемент, который мы обсудим сегодня, это марганец (Mn), который всегда присутствует в железных рудах. Как работает этот элемент? Как и алюминий, он может действовать как флюс ( или раскисляющий ). Кроме того, он также действует как десульфуризатор . Высокий процент этого элемента может увеличить скорость деформационного упрочнения (например, марганцевых сталей).