Влияние постоянных примесей на свойства стали

Азот – в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает её хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009%. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном и др. является легирующим элементом, способствую получению мелкозернистой структуры и улучшению механических свойств.

Фосфор – вредная примесь – повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладноломкость). Но при наличии алюминия может служить легирующим элементом, повышая коррозионную стойкость сталей (атмосферостойкие стали).

Сера – делает сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температурах 800–1000°С). Важно для сварных конструкций. Содержание серы и фосфора в стали ограничивается и должно составлять не более 0,03–0,05% в зависимости от марки стали.

Кислород действует подобно сере, но в большей степени, и повышает хрупкость стали.

Водород снижает сопротивление стали хрупкому разрушению, снижает временное сопротивление и ухудшает пластические свойства.

Модифицирование стали

Основные способы модифицирования структуры и свойств стали:

1. Легирование;

2. Термическая обработка;

3. Термомеханическая обработка (ТМО);

4. Химико-термическая обработка (ХТО).

Легирование

Кремний (С) 0,5…1,2 % – раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород, повышает её прочность, снижает пластичность, ухудшает при повышенном содержании свариваемость и коррозионную стойкость;

Марганец (Г) 0,8…1,8 % – повышает прочность, является хорошим раскислителем, соединяясь с серой снижает вредное влияние. При содержании марганца свыше 1,5% сталь становится хрупкой;

Медь (Д) – несколько повышает прочность стали и увеличивает её стойкость против коррозии. Избыточное содержание меди (свыше 0,7 %) способствует старению стали и повышает её хрупкость;

Хром (Х) 0,8…1,1 % и Никель (Н) 0,5…4,5% – повышают прочность стали без снижения пластичности и улучшают её коррозионную стойкость;

Ванадий (Ф) 0,1…0,3 % и Молибден (М) 0,15…0,4 % – увеличивают прочность почти без снижения пластичности и предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке;

Алюминий (Ю) – хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Примеры маркировки легированной стали:

1. 13Х11Н2В2МФ означает, что в стали:

- В среднем 0,13% углерода;

- 11% хрома;

- 2% никеля;

- 2% вольфрама;

- До 1% молибдена и ванадия.

2. Сталь конструкционная низколегированная 08Г2С означает, что в стали:

- В среднем 0,08% углерода;

- В среднем 2% марганца;

- До 1% кремния.

Термическая обработка

Отжиг – вид термической обработки, в результате которой металлы и сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной.

Отжиг применяется для разупрочнения металла для обеспечения хорошей обрабатываемости, исправления дефектов структуры, образующихся при горячей пластической деформации, литье и сварке, устранения остаточных напряжений, возникающих в процессе получения заготовок.

1. Гомогенизации подвергают слитки легированной стали и многих алюминиевых сплавов при 1100–1200°С в течение 20–50 ч (для алюминиевых слитков при температуре 420–520°С в течение 20–30 ч) для выравнивания химического состава.

2. Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа (повышение прочности и твердости при одновременном уменьшении пластичности) деформированного металла путем нагрева его свыше температуры порога рекристаллизации (0,4…0,57 T_пл), выдержки при этой температуре и охлаждении. Цель – понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла.

3. Отжиг для снятия остаточных напряжений осуществляют при 550…650°С в течение нескольких часов. Он предотвращает коробление сварных деталей после резания, правки и т.д.

4. Нормализация предусматривает нагрев сортового проката из до- и заэвтектоидной конструкционной стали до температуры на 40…50°С выше температуры образования аустенита, непродолжительную выдержку и охлаждение на воздухе. Она вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали, снимает внутренние напряжения, повышает пластичность и ударную вязкость.

Закалка – вид термической обработки, в результате которой в сплавах образуется неравновесная система.

Производят нагрев стали на 30…50°С выше точки образования аустенита, выдерживают до полной аустенизации стали, затем охлаждают её со скоростью, обеспечивающей переход аустенита в закалочные структуры.

В большинстве случаев целью закалки является получение максимальной твердости. Это обеспечивается формированием неравновесной структуры мартенсита, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали. При равной твердости структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные непосредственно в результате распада аустенита.

Скорость охлаждения стали 400…1400℃/с, что регулируется выбором закалочной среды - вода, масло, керосин, 10 %-ный водный раствор NaCl; NaOH; Na₂CO₃.

Перлитное превращение. Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Чем больше переохлаждение, тем тоньше ферритно-цементитная структура, т.е. меньше величина межпластинчатого расстояния (Δ), равного усредненной сумме толщин двух пластинок феррита и цементита, и выше твердость. При медленном охлаждении аустенит полностью превращается в перлит и получаются равновесные структуры стали (феррит+перлит, перлит, перлит+цементит).

При быстром охлаждении образуется мелкозернистая смесь цементита с ферритом – сорбит. При более быстром охлаждении стали образуется высокодисперсная смесь цементита с ферритом – троостит.

Таблица 4.9

Характеристика продуктов перлитного превращения

Структура	Перлит	Сорбит	Троостит
Δ, мкм	0,6…1,0	0,25…0,3	0,1…0,15
НВ, МПа	180…250	250…350	350…450

 

Мартенситное превращение. При резком охлаждении стали происходит перестройка кристаллической решетки γ-Fe в α-Fe, однако атомы углерода не успевают выделиться из образовавшейся решетки. Получается пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fe с искаженной кристаллической решеткой – мартенсит – наиболее неустойчивая, наиболее твердая и хрупкая структура. Мартенситное превращение происходит только в том случае, если охлаждение аустенита происходит со скоростью выше критической – при которой весь аустенит переохлаждается до температуры образования мартенсита, а диффузионные процессы становятся невозможными. Поэтому мартенситное превращение не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.

При последующем нагреве (отпуске) мартенситовая структура переходит в более устойчивые структуры – перлит, троостит и сорбит.

Отпуск – окончательная термическая обработка закалённых сталей, цель которого – повышение вязкости и пластичности, снижение твёрдости и закалочных напряжений. Температура нагрева при отпуске не должна превышать температуру первого фазового превращения.

Низкий отпуск – на отпущенный мартенсит (150…200℃) – для уменьшения остаточных закалочных напряжений.

Средний отпуск – на троостит (350…450℃) – когда необходимо получить сочетание высокой прочности, упругости и достаточной вязкости.

Высокий отпуск – на сорбит (450…650℃) – для повышения сопротивления стали динамическим нагрузкам.

Рис. 4.41. Закалочные структуры стали