что влияет на прочность стали

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

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:

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:

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

Виды легированных сталей

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

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.

Источник

От чего зависит прочность стали

Для быстрого поиска марки стали и её предела прочности нажмите Ctrl+F.

Важно! Предел прочности той или иной марки стали может изменяться от типа термообработки и температуры. Если необходима точная информация о пределе прочности стали, то её можно узнать в сопроводительной документации к конкретному составу, марке или сплаву.

На этой странице представлена подробная таблица пределов прочности различных марок сталей. Таблица периодически пополняется новыми данными.

Для машиностроительных деталей, работающих в условиях, когда требуется обеспечить определенный уровень прочности (слабо- или средненагруженные детали) или прочности в сочетании с сопротивлением динамическим и циклическим нагрузкам (ответственные детали), применяют стали с различным уровнем статической прочности (табл. 14.3).

Управляющими факторами для создания необходимого уровня прочности являются:

• содержание вредных примесей;

• природа и количество легирующих элементов;

Технологическим свойством, определяющим применение сталей для производства деталей того или иного размера, является прокаливаемость, которая увеличивается при повышении содержания углерода и легирующих элементов.

В сталях систем Fe — C и Fe — С — Меi (где Mei — любой легирующий элемент) повышение прочности возможно при уменьшении вредных примесей, повышении содержания углерода и легирующих элементов, применении упрочняющей термической обработки (закалки с отпуском). В безуглеродистых сталях систем Fe — Ni — Mei и Fe — Cr — Ni — Меi высокого уровня прочности в сочетании с характеристиками надежности достигают при упрочняющей термообработке (закалка + старение).

Стали пониженной прочности (ов 1600 МПа) применяют в авиастроении для изготовления деталей шасси самолетов, тросов вертолетов, баллонов с горючим, крепежа; в ракетостроении — для корпусов ракет, в конструкциях пусковых установок; в судостроении для оболочек подводных аппаратов; в нефтегазовой промышленности — для буровых штанг, удерживающих инструмент при бурении глубоких скважин.

Основные требования к высокопрочным сталям состоят в обеспечении, наряду с необходимым уровнем прочности, достаточной пластичности, ударной вязкости и трещиностойкости. Таким комплексом свойств обладают стали, приведенные в табл. 14.6.

Среднеуглеродистые низколегированные низкоотпущенные стали, например 30ХГСН2А, 40ХГСНЗВА, 35ХГСА, 35Х2ФА, применяют в авиастроении для производства деталей шасси, болтов, баллонов; в ракетостроении — для корпусов двигателей.

Среднеуглеродистые низколегированные стали, упрочняемые термомеханической обработкой, используют для изготовления деталей простой формы, от которых требуется высокая прочность: буровые штанги в нефтяной и добывающей промышленности, рессоры мощных машин в общем машиностроении.

Мартенситно-стареющие (MC) стали, упрочняемые при старении безуглеродистого мартенсита, — особый класс высокопрочных материалов, превосходящих по конструкционной прочности и технологическим свойствам другие высокопрочные стали. МС-стали имеют специальное применение в авиационной, ракетной технике, в судостроении: из них изготовляют крупные детали несущих конструкций ракет, шасси и гидрокрылья самолетов, корпуса подводных лодок и батискафов.

Основной группой МС-сталей являются сплавы системы Fe — Ni (15. 19 % Ni), легированные кобальтом (4. 17 %), молибденом (3,3. 5,5 %), титаном (0,5. 1,9 %), а также алюминием (0,15. 0,30 %).

МС-стали сочетают высокую прочность с высоким уровнем характеристик надежности — критическим коэффициентом интенсивности напряжений (К1с) и критической температурой хрупкости t50 (на 70. 80 °C ниже, чем у среднеуглеродистых высокопрочных сталей). Механические свойства МС-сталей системы Fe — Ni — Co — Mo — Ti приведены ниже:

По сравнению с высокопрочными среднеуглеродистыми сталями МС-стали обладают рядом преимуществ:

• низкая критическая скорость закалки и возможность получения мартенсита при охлаждении на воздухе; отсутствие коробления и трещин при закалке;

• очень высокая прокаливаемость;

• высокая технологическая пластичность при холодной деформации;

• стабильность размеров при окончательной термообработке;

• хорошая свариваемость и возможность получения равнопрочных (с основным металлом) сварных швов.

Главный недостаток МС-сталей заключается в том, что они являются некоррозионно-стойкими.

К этой группе относят стали марок: Н18К9М5Т (ЭП637), Н18К12М5Т2 (ЭП809), Н16К4М5Т2Ю (ЭИ89) и др. Химические составы сталей регламентируются соответствующими техническими условиями. В скобках указывают номера сталей, которые присваивает завод-изготовитель.

Сталь – это универсальный и удобный в работе металл, который широко применяется для изготовления уголка 63х63, арматуры и других видов металлопроката. Изделия из этого материала используются в машиностроении, строительстве и других сферах. Широкое распространение стали обусловлено ее исключительными свойствами: механическими, физическими, технологическими и химическими.

Источник

Влияние химического состава на механические свойства стали

Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.

Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe₃C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.

Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.

Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.

Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.

Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.

Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.

Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σ_Т арматурной стали класса А500С.

В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).

Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:

где υ – выборочный коэффициент вариации,

t_α,k – коэффициент Стьюдента,

k = n-1 – число степеней свободы,

Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.

По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.

Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

где X=(X₁, X₂,…, X_m) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.

Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Источник

Что придает стали прочность

Сталь: классификация, особенности и описание разновидностей сплава

Сталь – самый известный в мире сплав железа. По сути, говоря о железных конструкциях и предметах, мы говорим об изделиях (или их производстве) из той или иной стали. 99% сплава относится к категории конструкционных сталей, так что практически не существует инструментов или оборудования, где он бы ни использовался.

В этой статье мы постараемся затронуть такие темы как классификация марок, цена стали, ее свойства и применение в строительстве.

Что такое сталь

Сталь – сплав железа и углерода. В обычных случаях доля углерода колеблется от 0,1 до 2,14 %. Но, учитывая, что в состав легированных сталей может входить множество дополнительных ингредиентов, сегодня под сталью подразумевают такой сплав, где доля железа составляет не менее 45%.

О том, что такое сталь, и как ее производят, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Главные привлекательные качества стали – высокая прочность при доступности сырья и относительно простом способе производства. Именно такая комбинация и ставит сплавы железа в позицию абсолютного лидера. На сегодня попросту не существует такой области народного хозяйства, где стали не занимали бы позицию конструкционного материала.

Соотношение с чугуном

Наиболее близок к стали по свойствам и составу чугун. Часть материала и производится из предельного чугуна. Однако на практике различия в характеристиках оказываются весьма заметными:

Далее рассмотрим достоинства и недостатки стали.

Преимущества и недостатки

Описывать плюсы и минусы материала довольно сложно. На практике мы имеем дело с продукцией из стали, причем из сплава самых разных марок, а, значит, и свойств. А одна из особенностей материала как раз и состоит в том, что метод изготовления изделии из него тоже влияет на его свойства. Качества сварной трубы не сравнить с характеристиками трубопровода из холоднокатаной стали.

В общем, можно говорить о следующих преимуществах стали:

К недостаткам можно отнести следующее:

Далее будет рассмотрена маркировка и классификация сталей по качеству, по назначению, а также по составу и иным характеристикам.

Разновидности металла

Подсчитать количество известных и используемых на сегодня сплавов – задача очень непростая. Классифицировать их не менее сложно: свойства материала зависят от состава, метода получения, характера добавок, способа обработки и так далее.

Чаще всего используются следующие классификации:

О нержавеющей стали поведает это видео:

Химический состав

Сплав, по сути своей – твердый раствор. Причем компонент в твердом основном материале растворяется по другим законам, чем в жидкости. Основой получения всех железных сплавов является способность железа к полиморфизму, то есть, формированию разных структурных фаз при разной температуре. Благодаря этому углерод и другие элементы, растворенные в железе при высокой температуре, не выпадают в осадок при понижении температуры, как это происходит с обычными жидкостями, а образуют совместную структуру.

По своему составы стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые

Углеродистые – главным, то есть, определяющим свойства легирующим компонентом является углерод. Различают 3 вида:

Это деление связано с теми преобразованиями, которые происходят в сплавах. До содержания углерода в 0,8 % сплав сохраняет доэвтектоидную структуру, то есть, имеет ферритно-перлитную структуру. При увеличении доли углерода структура меняется на эвтектоидную и заэвтектоидную, что соответствует перлиту и цементиту. Соотношение фаз во много определяет прочностные характеристики.

Пользователь сталкивается не столько с мало- или высокоуглеродистой сталью, сколько с составом определенной марки. Марка определяется соотношением нескольких критериев, а не только содержанием углерода.

Различают по назначению 3 группы:

Легированные

Легированными называют стали, в которые специально вводят дополнительные ингредиенты для придания составу других качеств. Классификация производится по суммарному объему всех легирующих добавок – не примесей марганца или фосфора.

Легирование значительно усложняет структуру твердого раствора, что приводит к возникновению сложнейшей классификации по структурному составу. Маркируются марки по составу: обязательно указывается доля углерода. А затем по уменьшению указывают доли легирующих добавок. Если доля примеси менее 1% вещество не указывается.

В качестве добавок применяют как неметаллы, так и металлы.

Фазовый и структурный состав

Получение стали – процесс непростой и неоднозначный. Особенность его состоит в том, что при плавке сплав проходит через фазовые превращения, которые и обуславливают сочетание прочности и упругости.

Легирование углеродом происходит в 2 этапа. На первой стадии при нагреве до 725 С железо соединяется с углеродом, образуя карбид, то есть, химическое соединение, называемое цементитом. При нормальной температуре сталь включает смесь цементита и феррита. При повышении температуры выше 725 С цементит растворяется в железе, формирую другую фазу – аустенит.

С этой особенностью связана классификация сплава по структурному составу в нормализованном виде:

В отожженном состоянии выделяют такие структурные классы:

В чем смысл подобного деления? Дело в том, что легирующие добавки оказывают разное воздействие на разные структуры стали. Так, растворение в феррите легирующих элементов приводит к увеличению временного сопротивления, за исключением марганца и кремния, которые сплав упрочняют. При легировании аустенита понижается предел текучести при относительно высокой прочности. В результате материал легко и быстро упрочняется при деформации – наклепывании.

Классификация по раскислителю

При плавке металлов частой проблемой является растворенный в них газ – кислород, азот, водород, чтобы удалить его прибегают к раскислению. В зависимости от полноты процесса различают 3 вида:

Классификация по назначению

Довольно условное разделение сталей по сферам применения стали.

Содержание примесей

Сталь может включать полезные примеси, то есть, легирующие элементы, и вредные. По содержанию вредных и различают 4 группы:

Далее рассмотрим технологии и процесс производства стали, его этапы и виды.

Производство сплава

Процесс изготовления сплава сводится к переработке чугуна, при которой отжигаются лишние примеси и вводятся легирующие элементы. Используются при этом несколько методов.

На этом процесс изготовления стали не заканчивается. В тех случаях, когда необходимо получить максимально прочный материал, прибегают к дополнительной обработке.

Термический метод

К термическим способам относится:

Термомеханический способ

Термомеханические методы сочетают механическое и термическое воздействие:

Термохимическая обработка

Термохимическая обработка представляется собой нагрев сплавов и выдержку их в определенных химических средах. К наиболее известным методам относят:

Стоимость материала

Сталь – самый востребованный и самый распространенный металлический сплав в мире. Говоря о роли железа в народном хозяйстве, имеют в виду именно разнообразные стальные сплавы.

О том, как плавится сталь, смотрите в видео ниже:

Источник