How chemical composition affects the properties of steel

Основные факторы качества стали

Ключом к пониманию влияния химического состава на металлургию и свойства сталей является признание того, что свойства сталей зависят от следующих факторов:

  • Microstructure
  • Размер зерна
  • Неметаллические включения
  • Выделения внутри зерен или по границам зерен
  • Присутствие поглощенных или растворенных газов.

Become: обыкновенные и легированные

Сталью является железо с содержанием углерода до 1,67 % по весу и других элементов, которые вводятся для обеспечения заданных механических свойств. Железо с содержанием углерода выше 1,67 % принимает форму чугуна. С повышением содержания углерода повышается уровень прочности, но снижается пластичность, а материал становиться более чувствительным к термической обработке.

Самой дешевой и простой формой стали является сталь обыкновенного качества, которая обычно идет на арматуру для армированного бетона, на стальные канаты, rods, sheets, полосы.

Однако у обыкновенных сталей при среднем и высоком содержании углерода возникают проблемы при их обработке и изготовлении из них деталей и изделий, особенно при сварке. Поэтому более разумно держать углерод на относительно низком уровне и добавлять в небольших количествах другие элементы. В комбинации в соответствующей термической обработкой добавка этих других элементов дает более высокую прочность при сохранении хорошей пластичности, вязкости разрушения и свариваемости. Другими эффектами являются повышенная прочность при высоких температурах и повышенная коррозионная стойкость.

Сохранение хорошей вязкости разрушения с повышением прочности является особенно важным для толстых сечений и для изделий, которые работают при низких температурах, когда ударная вязкость может быть проблемой. Прочность при повышенных температурах может быть важной в случае сосудов под давлением, труб в энергетике и химической промышленности.

Коррозионная стойкость является важной для любых конструкций, которые погружены в морскую воду.

Атмосферостойкие марки стали (weathering grades of steel) разрабатывают так, чтобы они образовывали плотный и крепкий поверхностный оксидный слой, который сдерживает коррозию при нормальной наружной атмосфере при частых сменах влажных и сухих условий.

Нержавеющие стали разработаны таким образом, чтобы они имели защитный оксидный поверхностный слой, который восстанавливается в случае, если поверхность по какой-либо причине повреждается. Поэтому эти стали не подвергаются коррозии в окислительной среде. Особенное применение они находят в химической промышленности.

Легирующие элементы в сталях

Alloy steels: немного марганца, chrome, молибдена, никеля и меди

Добавка в железо небольшого количества углерода повышает его прочность и восприимчивость к термическому упрочнению.(повышению твердости). Другими элементами, которые также влияют на прочность и твердость, хотя и в меньшей степени, являются марганец, chromium, molybdenum, никель и медь. Они влияют в основном на микроструктуру стали и обеспечивают достижение заданного уровня прочности при определенных условиях термической обработки и технологии изготовления и при сохранении очень низкого уровня содержания углерода. Измельчение зеренной структуры стали приводит одновременно к повышению предела текучести, повышенной вязкости разрушения и повышенной пластичности, что является важным направлением достижения повышенных свойства стали.

Термическая обработка и, special, скорость охлаждения являются ключевыми факторами достижения измельчения зерна. Однако очень полезным является присутствие одного или более элементов, которые способствуют измельчению зерна путем добавления источников зарождения новых зерен при охлаждении. Элементами, которые могут добавляться в небольших количествах до 0,050 %, являются ниобий, ванадий и алюминий.

Stainless steels: больше хрома, nickel and molybdenum

Главными элементами, которые могут добавляться для повышения прочности при повышенных температурах, а также для коррозионной стойкости, являются хром, nickel and molybdenum. Хром является особенно полезным для обеспечения коррозионной стойкости, так как он образует на стали поверхностный слой оксида хрома, который является основой защиты от коррозии нержавеющих сталей в окислительной среде. Когда хром и никель добавляются в значительных количествах – хрома от 12 % to 25 % и никеля до 20 %, то сталь становится различными марками нержавеющей стали.

Влияние химического состава на образование различных типов марок нержавеющей стали, которые зависят от комбинации содержания хрома и никеля показано на диаграмме рисунка 1. Тремя альтернативными типами нержавеющих сталей являются ферритные, аустенитные и мартенситные нержавеющие стали, которые имеют различные структуры атомной решетки и различную микроструктуру. Поэтому они могут проявлять существенное различные характеристики.

Неметаллические включения

Роль включений для качества стали

Присутствие неметаллических включений должно тщательно контролироваться, особенно для тех изделий, которые требуют высокого уровня механических свойств. Эти включения возникают как примеси из руды или лома в ходе выплавки стали, в результате нежелательного повторного окисления при рафинировании или из-за эрозии огнеупорных материалов. Поэтому должны предприниматься меры, чтобы держать эти включения на заданном минимальном уровне. Чистотой стали измеряется количеством и размерами включений в ней. Даже малые скопления включений могут приводить к проблемам в изделиях и деталях, которые подвергаются высоким напряжениям или усталостным нагрузкам.

Сера и фосфор

Самыми обычными примесями являются сера и фосфор, высокие уровни которых приводят к снижению вязкости разрушения и проблем с образованием трещин в сварных соединениях. Для свариваемых сталей уровни серы и фосфора должны быть не выше 0,050 %, а с учетом современной практики выплавки стали желательно, чтобы эти уровни были не выше 0,010 %. Однако сера и фосфор не всегда являются вредными для стали. В случаях, свариваемость и вязкость разрушения являются не столь важными, в сталь вносят добавки серы до 0,10 %, чтобы улучшать способность стали к механической обработке резанием на автоматических станках. Малые добавки фосфора добавляют в несвариваемые марки легированной стали, стойкой к атмосферным условиям.

Lead, сурьма и мышьяк

Другими элементами, которые могут образовывать включения и иногда оказывать значительное вредное влияние на стали, являются олово, сурьма и мышьяк. Они могут вызывать проблему, которая известна как отпускная хрупкость. Эти элементы мигрируют к границам зерен, если сталь выдерживают в температурном интервале от 500 to 600 ºС в течение любого промежутка времени. При нормальной температуре стали в этих условиях могут иметь очень низкую ударную вязкость с разрушением, которое происходит по межкристаллитному механизму. Особенно важно, чтобы эта группа примесных элементов была исключена в низколегированных сталях.

Растворенные газы: кислород и азот

Стали с высокими уровнями растворенных газов, особенно кислорода и азота, могут подвергаться охрупчиванию. Уровень растворенных газов может контролироваться путем добавок малых количеств раскисляющих элементов, such as aluminum, silicon or manganese. Эти элементы имеют высокое сродство особенно для кислорода и будут соединяться с газом, чтобы или всплывать из жидкой стали при высоких температурах, или оставаться в стали в виде неметаллических включений, некоторые из которых могут всплывать на поверхность жидкой стали и поглощаться сталелитейным шлаком.

Включения мягкие и твердые

Химический состав включений также очень важен. Некоторые включения являются пластичными и деформируются, когда сталь подвергается горячей деформационной обработке. Такие включения, как оксид алюминия, не деформируются вместе со сталью и их нужно избегать, eg, при изготовлении прутков или проволоки. Steel, в которой отсутствуют такие добавки, известна как кипящая сталь.

Раскисление и переплав

Алюминий также помогает контролировать уровень свободного азота, который также важно держать на низком уровне, чтобы избежать охрупчивания при деформационном старении. Удаление газов может также выполняться путем дегазации жидкой стали под вакуумом или путем переплавки такими методами как вакуумно-дуговой переплав или электрошлаковый переплав.