Влияние элементов на свойства стали.

Знакомство с элементами из стали

Марганец (Mn)

Марганец используется для раскисления ферромарганца в сталеплавильном производстве и остается в стали.Марганец может удалять FeO из стали, улучшать качество стали и снижать ее хрупкость.Марганец и вулканизация в сочетании образуют MnS, устраняют вредное воздействие серы и улучшают характеристики стали при горячей обработке.Содержание марганца в углеродистой стали обычно регулируется в пределах от 0,25 до 0,80%.Марганец может растворяться в феррите с образованием марганцевого феррита, играющего роль упрочняющего феррита.Марганец также может быть растворен в Fe3C для образования связующего сплава, что повышает прочность углеродистой стали.Марганец является полезным примесным элементом, и небольшое количество марганца не оказывает существенного влияния на характеристики стали.

Кремний (Si)

Кремний также добавляют в сталь в качестве раскислителя.Содержание кремния в углеродистой стали обычно контролируют в пределах 0,03-0,4%, и большая его часть растворяется в феррите, образуя феррит кремния, играющий роль упрочняющего феррита и повышающего прочность и твердость стали.Но пластичность и вязкость снизились.Отсутствие кремния не оказывает существенного влияния на свойства стали.

Сера (S)

Сера вносится в сталь рудой и топливом при производстве стали, сера нерастворима в железе, и существует форма различных FeS, FeS и Fe могут образовывать эвтектику с температурой плавления 985 ℃ и распределяются по границам зерен аустенита, когда сталь прокатывается и куется при температуре 1000-1200 ℃, расплавит эвтектический кристалл на границах зерен, сталь хрупкая, это явление называется термической хрупкостью, сера является вредной примесью, поэтому содержание углерода в стали должно строго контролироваться.Вредное влияние серы можно устранить, увеличив содержание Mn в стали.Поскольку марганец и сера могут образовывать MnS с температурой плавления 1620 ℃, MnS обладает определенной пластичностью при высоких температурах, поэтому можно избежать термической хрупкости стали.

Фосфор (Р)

Фосфор вводят в сталь из руды, где он полностью растворяется в феррите, повышая прочность и твердость феррита.Но при этом пластичность стали при комнатной температуре резко падает и становится хрупкой.Это явление называется хладноломкостью.Фосфор также является вредной примесью, и его содержание в стали необходимо строго контролировать.

Металлографическая структура из стали

Феррит: твердый раствор внедрения углерода в α-Fe называется ферритом.Его часто обозначают символом F (или α).Феррит имеет объемно-центрированную кубическую структуру, и его способность растворять углерод слаба из-за малого зазора.При 727 ℃ максимальное содержание растворенного углерода составляет 0,0218%.С понижением температуры содержание растворенного углерода постепенно уменьшается, и при комнатной температуре содержание растворенного углерода составляет всего 0,0008%.Феррит имеет низкую прочность, δσb составляет 180-280 МН/м2, HB около 80, но обладает хорошей пластичностью, δ составляет 50 %.

Аустенитный: Твердый раствор углерода, образующийся в гамма-Fe, называется его.Его часто обозначают символом A (или γ).Аустенит имеет гранецентрированную кубическую структуру решетки.Из-за большой эффективной щели в решетке его растворимость в углероде относительно высока.Максимальная растворимость углерода при 1148°С составляет 2,11%, которая постепенно уменьшается с понижением температуры и достигает 0,77% при 727°С.Механические свойства аустенита зависят от количества растворенного углерода и размера зерна.Как правило, твердость аустенита составляет 170-220 HBS, удлинение δ составляет 40-50%, а аустенит существует в диапазоне температур твердого тела выше 727 ℃.Аустенит склонен к пластическому формообразованию.

Цементит (цементит): соединение C и Fe (Fe3C), известное как цементит, содержание углерода 6,69%, температура плавления цементита 1227 ℃, его твердость очень высокая, около 800HB, пластическая и ударная вязкость почти нулевая, хрупкость велик, поэтому его нельзя использовать в качестве матричной фазы углеродистой стали, это основная упрочняющая фаза углеродистой стали.Цементит является метастабильной фазой.При определенных условиях он будет разлагаться и образовывать углерод без графита.

Мартенсит: использование метода быстрого охлаждения, из-за степени переохлаждения атомы железа и углерода не могут быть рассеяны, аустенит может быть получен только за счет нерассеянного сдвига решетки, гранецентрированная кубическая решетка γ-Fe перетасована в Объемно-центрированная кубическая решетка α-Fe.Этот аустенит непосредственно превращается в насыщенный альфа-твердый раствор, содержащий углерод, называемый мартенситом.

Размер зерна аустенита и факторы, влияющие на него

Размер аустенитного зерна стали оказывает большое влияние на микроструктуру и свойства после охлаждения.Чем мельче размер зерна аустенита, тем мельче структура после охлаждения и тем лучше прочность, пластичность и ударная вязкость.Поэтому получение мелких аустенитных зерен путем термической обработки имеет большое значение для конечных характеристик и качества заготовки.

Чем выше температура аустенитизации, тем заметнее рост размера зерен стали.При определенной температуре, чем больше время выдержки, тем благоприятнее рост аустенитных зерен.

Тенденция к росту зерна увеличивается с увеличением содержания углерода в стали.Но когда цементит находится на границе аустенитного зерна, он будет препятствовать росту аустенитного зерна.

Кроме Mn, P и других элементов склонность к росту аустенитного зерна увеличивают другие элементы, образующие карбидные элементы (Ti, Nb, Zb и др.), образующие оксиды и нитриды (например, Al), когда они образуют соединения, распределенные в аустените. границы зерен, в разной степени будут препятствовать росту аустенитных зерен.

Элементами сплава, обычно добавляемыми в легированную сталь, являются Mn, Si, Cr, Mo, W, V, Ti, Nb, Ni, Al и так далее.Среди них Ni, Si, Al и другие элементы не могут образовывать соединения с углеродом.Такие элементы, как Nb, Ti, V, W, Mo, Cr и Mn, могут образовывать соединения с углеродом.Легирующие элементы существуют в различных формах в стали.Поэтому основная роль стали также различна.Главная роль имеет следующие аспекты:

1. Когда прочность стали увеличивается, элементы, которые не могут образовывать карбид, в основном растворяются в феррите с образованием ферритового сплава, и твердый раствор упрочняется.Карбидообразующие элементы образуют с углеродом карбид сплава, обладающий более высокой твердостью и большим дисперсионно-упрочняющим эффектом.Какой бы элемент ни добавлялся к стали, он увеличивает ее прочность.

   
   

2. Улучшение прокаливаемости в дополнение к Co, большинство легирующих элементов, добавляемых в сталь, замедляют распад переохлажденного аустенита, так что кривая C вправо, снижает критическую скорость охлаждения, улучшает прокаливаемость стали, (Ni, Cr, Co) это одно из основных назначений легирующих элементов, добавляемых в сталь.Но следует отметить, что этот эффект может быть достигнут только при растворении легирующих элементов в аустените.

   
   

3. Предотвращает рост аустенитного зерна, за исключением Mn, тенденция к росту аустенитного зерна сплава невелика, особенно карбид, образованный сильными карбидообразующими элементами (Ti, V, Zr, Nb и т. д.), может сильно предотвратить рост аустенитного зерна и, таким образом, играть Роль переработки зерна.

   
   

4. Повысить отпускную стабильность стали.Стойкость стали к процессу разупрочнения при отпуске называется отпускостойкостью.Многие легирующие элементы могут повышать и замедлять температуру выделения карбидов и распада остаточного аустенита в мартенсите.Поэтому по сравнению с углеродистой сталью легированная сталь имеет более высокую твердость и прочность при отпуске при той же температуре.Наоборот, при отпуске на одну и ту же твердость температура отпуска легированной стали высокая, поэтому снятие внутренних напряжений в ней более тщательное, а пластичность и ударная вязкость выше.Карбидообразующие элементы Cr, Mo, Nb и V оказывают сильное влияние на стабильность при отпуске.

   
   

5. Вторичная закалка, когда содержание W, Mo, Cr, V выше, в диапазоне температур отпуска 500-600 ℃, твердость не снижается, а увеличивается явление, известное как вторичная закалка отпуском.Этому есть две причины: во-первых, при отпуске при этой температуре из мартенсита будут выделяться мелкодисперсные дисперсные специальные карбиды, такие как Mo2C, W2C, VC, играющие роль дисперсионного упрочнения;Во-вторых, при отпуске при этой температуре в остаточном аустените выделяется часть карбида, что снижает содержание углерода и повышает температуру точки Ms, так что остаточный аустенит может превратиться в мартенсит (вторичная закалка) при более высокой температуре в процессе Процесс охлаждения для повышения твердости стали.

   
   

6. Отпускная хрупкость возникает при отпуске легированной стали в определенном интервале температур после закалки, что называется отпускной хрупкостью.Снижение вязкости при 350-400°С называют отпускной хрупкостью первого типа.Эта хрупкость возникает независимо от углеродистой стали или легированной стали и не зависит от скорости охлаждения.Этот вид отпускной хрупкости не может быть устранен после производства, также известный как необратимая отпускная хрупкость.Чтобы избежать появления такой отпускной хрупкости, отпуск обычно не проводят в этом температурном диапазоне.

   
   

Снижение ударной вязкости, возникающее при медленном охлаждении после отпуска на 500-600°С, называется отпускной хрупкостью II типа (высокотемпературная отпускная хрупкость).Наиболее склонны к такой отпускной хрупкости легированные стали, содержащие Cr, Mn и Ni.Такого рода отпускной хрупкости не будет, если он быстро охлаждается после отпуска;Если при медленном охлаждении после отпуска возникла хрупкость, при повторном нагреве до температуры отпуска и быстром охлаждении отпускная хрупкость может быть полностью устранена, поэтому ее также называют обратимой отпускной хрупкостью.

Жаропрочная сталь

Жаростойкость стали включает стойкость к высокотемпературному окислению и жаропрочность.

Под устойчивостью металла к окислению обычно понимают образование плотной оксидной пленки после быстрого окисления при высоких температурах, покрывающей поверхность металла, так что сталь не будет продолжать окисляться.Окисленная поверхность углеродистой стали при высоких температурах образует рыхлый пористый FeO, который легко отслаивается, а атомы кислорода продолжают диффундировать через FeO, так что сталь продолжает окисляться.Легирующие элементы, такие как Cr, Si и Al, добавляются в сталь, так что, когда сталь находится в контакте с кислородом при высокой температуре, на поверхности образуются плотные пленки окисления, такие как Cr2O3, SiO2 и Al2O3 с высокими температурами плавления. , что затрудняет продолжение процесса окисления стали в высокотемпературном газе.

Жаропрочность (термическая прочность) стали – это сопротивление ползучести при высоких температурах.Для повышения термической прочности стали в сталь обычно добавляют Cr, Mo, V, Ni и другие легирующие элементы, которые могут растворяться в матрице для упрочнения твердого раствора и повышения температуры рекристаллизации, тем самым повышая жаропрочность. прочность стали.Добавление Nb, V, Ti и других легирующих элементов также может образовывать карбиды с высокой твердостью и хорошей термической стабильностью, которые распределяются по матрице и играют роль в дисперсионном упрочнении.Кроме того, аустенитная структура имеет лучшее сопротивление ползучести, чем феррит, и лучший размер зерна, чем мелкозернистый.Конечно, он не может быть слишком грубым, что скажется на прочности.

Мартенситная жаропрочная сталь

Cr и Si были добавлены для улучшения стойкости к окислению при высоких температурах.Добавление Мо может укрепить матрицу и избежать хрупкости при отпуске.Добавление V может образовывать дисперсный карбид и улучшать жаропрочность.Добавление W может выделить стабильный карбид и значительно повысить температуру рекристаллизации.Рабочая температура такой стали не превышает 700℃.

Аустенитная жаропрочная сталь

Аустенитная жаропрочная сталь имеет высокое содержание Cr, что позволяет улучшить ее жаропрочность и стойкость к окислению.Содержание никеля также велико и может образовывать стабильную аустенитную структуру.Жаростойкость этого типа стали лучше, чем у мартенситной жаропрочной стали, а холодная деформация и характеристики сварки очень хорошие, как правило, при температуре 600-700 ℃.