Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей. Виды и назначение сталей

Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей

Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни. Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.

Общая информация

Сегодня многие марки стали широко применяются практически в любой сфере жизнедеятельности человека. Это во многом объясняется тем, что в этом сплаве оптимально сочетается целый комплекс механических, физико-химических и технологических свойств, которые не имеют какие-либо другие материалы. Процесс выплавки стали непрерывно совершенствуется и потому ее свойства и качество позволяют получить требуемые показатели работы получаемых в итоге механизмов, деталей и машин.

Классификация по назначению

Каждая сталь в зависимости от того, для чего она создана, в обязательном порядке может быть причислена в одну из следующих категорий:

Конструкционная.
Инструментальная.
Специального назначения с особыми свойствами.

Самый многочисленный класс – это конструкционные стали, разработанные для создания разнообразных строительных конструкций, приборов, машин. Конструкционные марки разделяются на улучшаемые, цементуемые, пружинно-рессорные, высокопрочные.

Инструментальные стали дифференцируют в зависимости от того, для какого инструмента они производятся: режущего, измерительного и т. д. Само собой, что влияние легирующих элементов на свойства стали этой группы также велико.

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
Жаропрочные.
Жаростойкие.
Электротехнические.

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

Углеродистые марки стали.
Легированные.

При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:

Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).

Что такое легированная сталь?

Под этим определением следует понимать стали, в которых содержатся, параллельно с постоянными примесями, еще и добавки, внедряемые в структуру сплава, с целью увеличения механических свойств полученного в конечном счете материла.

Несколько слов о качестве стали

Этот параметр данного сплава подразумевает под собой совокупность свойств, которые, в свою очередь, обуславливаются непосредственно процессом его производства. К подобным характеристикам, которым подчиняются и легированные инструментальные стали, относятся:

Химический состав.
Однородность структуры.
Технологичность.
Механические свойства.

Качество любой стали напрямую зависит от того, сколько содержится в ней кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Также не последнюю роль играет и метод получения стали. Самым точным с точки зрения попадния в требуемый диапазон примесей является сопособ выплавки стали в электропечах. хром ванадий

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.

Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Расшифровка

Содержание легирующих элементов в стали можно определить по ее маркировке. Каждая из таких вводимых в сплав составляющих имеет своё буквенное обозначение. Например:

Хром – Cr.
Ванадий –V.
Марганец –Mn.
Ниобий – Nb.
Вольфрам –W.
Титан – Ti.

Иногда в начале индекса марки стали стоят буквы. Каждая из них несет особый смысл. В частности, буква "Р" означает, что сталь является быстрорежущей, "Ш" сигнализирует, что сталь шарикоподшипниковая, "А" – автоматная, "Э" – электротехническая и т. д. Высококачественные стали имеют в своем цифро-буквенном обозначении в конце литеру "А", а особо качественные содержат в самом конце маркировки букву "Ш". низколегированная сталь марки

Воздействие легирующих элементов

В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.

Содержание хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.

Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе легирования стали для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.

Ванадий – это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.

Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.

Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %. углеродистые марки стали

Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.

Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.

Углеродистые марки стали, выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.

Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.

Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости.

Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.

Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.

Введение в стальной сплав циркония дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.

содержание хрома в стали

Случайные примеси

Крайне нежелательными элементами, которые очень негативно сказываются на качестве стали, являются мышьяк, олово, сурьма. Их появление в сплаве всегда приводит к тому, сталь становится очень хрупкой по границам своих зерен, что особенно заметно при смотке стальных лент и в процессе отжига низкоуглеродистых марок сталей.

Заключение

В наше время влияние легирующих элементов на свойства стали довольно хорошо изучено. Специалисты тщательно провели анализ воздействия каждой добавки в сплаве. Полученные теоретические знания позволяют металлургам уже на этапе оформления заказа сформировать принципиальную схему выплавки стали, определиться с технологией и количеством требуемых расходных материалов (руды, концентрата, окатышей, присадок и прочего). Наиболее часто сталеплавильщики использую хром, ванадий, кобальт и другие легирующие элементы, которые являются достаточно дорогостоящими.

загрузка...

worldfb.ru

Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей

Общая информация

Классификация по назначению

Конструкционная.
Инструментальная.
Специального назначения с особыми свойствами.

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
Жаропрочные.
Жаростойкие.
Электротехнические.

Видео по теме

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

Углеродистые марки стали.
Легированные.

При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:

Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).

Что такое легированная сталь?

Несколько слов о качестве стали

Химический состав.
Однородность структуры.
Технологичность.
Механические свойства.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Расшифровка

Хром – Cr.
Ванадий –V.
Марганец –Mn.
Ниобий – Nb.
Вольфрам –W.
Титан – Ti.

Воздействие легирующих элементов

содержание хрома в стали

Случайные примеси

Заключение

Комментарии

Основные виды термической обработки стали и их назначение

Отжиг – нагрев стали выше линии А3 (рис. 4.5.1) доэвтектоидной или А1заэвтектоидной на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение вместе с печью. Весьма медленное охлаждение приводит сталь в равновесное состояние, снижает её твёрдость. Выполняется для исправления структуры или улучшения обрабатываемости резанием конструкционных и инструментальных сталей.

Нормализация – нагрев стали выше линии А3 (доэвтектоидной) или Аст (заэвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение – на спокойном воздухе. Более ускоренное охлаждение при нормализации несколько повышает прочность и твёрдость стали. Выполняется для исправления структуры или придания большей прочности и повышенной вязкости конструкционным и инструментальным сталям.

Закалка – нагрев стали выше линии А3 (доэвтектоидной) или А1 (заэвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее ускоренное охлаждение – в воде, масле или другом охладителе. Максимально повышается твёрдость и прочность конструкционных и инструментальных сталей.

Отпуск стали – это нагрев стали до температуры ниже линии А1 (рис. 4.5.1б), выдержка при этой температуре и последующее охлаждение на спокойном воздухе до комнатной температуры.

Процессы нагрева стали

Температура нагрева определяется положением критических точек А1 и А3на диаграмме «Железо – цементит» (рис. 4.5.1а). Для правильного выполнения термической обработки сталей температуры нагрева должны соответствовать указанным областям, в которых основное фазовое состояние – аустенит.

Если же по какой-либо причине температура нагрева окажется ниже линии А1, то исходная структура сохраняется и свойства сталей после охлаждения не изменяются.

а) б)

Рис. 4.5.1. Стальной участок диаграммы «Железо – цементит» (а) и температурные области нагрева сталей (б): 1 – доэвтектоидных при отжиге, нормализации, закалке; 2 – заэвтектоидных при закалке; 3 – заэвтектоидных при нормализации; 4 – при низком отпуске; 5 – при среднем отпуске; 6 – при высоком отпуске

В случае нагрева доэвтектоидных сталей выше А1, но ниже линии А3, не весь феррит превратится в аустенит. Присутствие в структуре нерастворенного феррита, имеющего низкую твердость, обуславливает пониженную твердость стали. Такая закалка считается неполной.

У заэвтектоидных сталей при закалке растворение цементита вторичного в аустените нежелательно из-за охрупчивания стали, поэтому нагрев выполняется выше линии А1, но ниже Аст.

Время выдержки в печи складывается из времени прогрева изделия до заданной температуры и длительности выдержки при температуре, необходимой для превращения исходной структуры в аустенит. Время нагрева зависит от типа нагревающего устройства, способа укладки изделий, температуры нагрева, формы, размеров изделия и от других факторов. Нормы времени нагрева изделий различной формы в лабораторных печах приведены в табл. 4.5.1.

Таблица 4.5.1

Нормы нагрева изделий

Температура нагрева, ºС	Форма изделия
круг	квадрат	пластина
Продолжительность нагрева, мин
на 1 мм диаметра	на 1 мм толщины	на 1 мм толщины
	2,0	3,0	4,0
	1,5	2,2	3,0
	1,0	1,5	2,0
	0,8	1,2	1,8
	0,4	0,6	1,6

Процессы охлаждения стали

Охлаждающая среда обеспечивает определённую скорость охлаждения и назначается исходя из требуемых структуры и свойств стали. Получаемую структуру можно определить при наложении векторов скоростей охлаждения на термокинетическую диаграмму распада аустенита (рис. 4.5.2). В зависимости от скорости охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным.

Рис. 4.5.2. Термокинетическая диаграмма распада аустенита эвтектоидной стали: заштрихованная область – область перлитного превращения; V1, V2, V3, V4, VКР – векторы скоростей охлаждения; МH – линия начала мартенситного превращения

Критерием превращения является критическая скорость закалки VКР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода. Для углеродистых и низколегированных сталей VКР = 250 ºС/с.

infopedia.su

Марки стали. Виды стали. Назначение сталей.

Классификация сталей

Сталь для отливок с особыми свойствами Сталь для отливок с особыми своиствами отличается высокими физико-механическими показателями, температуростойкостью и стойкостью к коррозии. Находит широкое применение в химической и нефтехимической промышленности, целлюлозно-бумажной отрасли, судостроении.

Сталь для отливок обыкновеннаяСталь для отливок обыкновенная применяется для изготовления высоконагруженных детали ответственного назначения, лито-сварных и комбинированных металлоконструкций, деталей, производимых предприятиями тяжелого и транспортного машиностроения.

Сталь сплав жаропрочныйК жаропрочным относятся сплавы на хромоникелевой и хромоникельмарганцевой основах. Наличие никеля даёт им хорошую свариваемость. Применяются в машиностроении, энергетике, нефтехимической, химической, авиационной промышленности.

Сталь жаропрочная высоколегированнаяИз этих сталей изготавливаются детали, предназначенные для длительной работы в условиях температур до 600°C - детали теплообменников, реакторов, установок сверхвысокого давления. Стали имеют повышенное содержании никеля, хрома и молибдена.

Сталь жаропрочная низколегированнаяНизколегированная жаропрочная сталь используется для деталей, работающих при температуре режимах до 600°C. В ее состав входят хромовые и молибденовые добавки. Сталь имеет повышенную износостойкость. Некоторые марки устойчивы к окислению.

Сталь жаропрочная релаксационностойкаяМатериал с повышенным содержанием углерода. Имеет низкую ползучесть и упругую кристаллическую решётку. Основное применение - крепёжные элементы, работающие при температуре до 500°C. Некоторые марки применяют для изготовления валов, роторов, шестерёнок.

Сталь инструментальная углеродистаяНаиболее дешёвая сталь. Обладает хорошей твёрдостью. Из недостатков: низкая теплостойкость и малая износостойкость. Основное применение - малоттветственные инструменты: ручные инструменты для деревообработки, свёрла, напильники.

Сталь инструментальная легированнаяЛегированные стали способны выдерживать высокие температуры, практически не изменяя своей формы. Подразделяются на 2 группы. Первая применяется для изготовления бритвенных лезвий и хирургического инструмента, вторая - для плашек, метчиков, фрез, протяжек, разверток и штампового инструмента.

Сталь инструментальная штамповаяСтали данного вида применяют для ответственные детали прессового и штампового инструмента, инструмента высокоскоростной машинной штамповки и т.д. Основными свойствами инструментальных штамповых сталей являются: повышенная твёрдость, износостойкость, вязкость.

Сталь инструментальная быстрорежущаяОсновное применение инструментальных быстрорежущих сталей - изготовление металлорежущего инструмента, предназначенного для резания с высокими скоростями. Также их применяют в производстве подшипников качения, игл топливной аппаратуры и т. д.

Сталь инструментальная валковаяИз инструментальных валковых сталей изготавливают валки холодной и горячей прокатки. Материал обладает такими свойствами, как высокая твердость поверхностного слоя, высокое сопротивление износу, достаточная вязкость, хорошая прокаливаемость и полируемость. Обладают высокой свариваемостью и хорошей стойкостью к коррозии.

Сталь конструкционная легированнаяЛегированные конструкционные стали имеют высокую прочность при достаточной пластичности, малую чувствительность к концентраторам напряжения, высокий предел выносливости и хорошую прокаливаемость. Применяют для средненагруженных деталей: зубчатых колес, валов, рычагов, ответственных болтов и гаек.

Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкцийОсновное назначение низколегированных конструкционных сталей - изготовление штампованных изделий и металлических сварных конструкций, армирование железобетонных конструкций. Некоторые виды применяют в судо-, вагоно- и мостостроении.

Сталь конструкционная повышенной обрабатываемостиЭти стали иногда называют автоматными. Их отличительное свойство - хорошая обрабатываемость резанием. Широко применяются в автомобилестроении для таких деталей, как сателлиты дифференциала, скользящие муфты синхронизатора, ступицы, шестерни и коробки перемены передач автомобиля.

Сталь конструкционная подшипниковаяНазначение конструкционных подшипниковых сталей ясно определяется их названием. Из них изготавливают кольца, шарики, ролики и кольца подшипников. Материал обладает высокой твёрдостью. Широко применяется во всех механизмах.

Сталь конструкционная рессорно-пружиннаяИз конструкционных рессорно-пружинных сталей мзготавливают упругие элементы: ружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости, и детали, работающие без ударных нагрузок.

Сталь конструкционная углеродистая качественнаяБлагодаря низкому содержанию легирующих элементов конструкционные углеродистые качественные стали относятся к одним из наиболее дешёвых. Их свойства определятся в основном содержанием углерода. Хорошо обрабатываются резанием. Из них изготавливают прокладки, шайбы, фланцы.

Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качестваНаиболее широко используются в строительстве стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества. Это наиболее дешёвая стали. Технологичны, обладают свойствами для массового применения. Из них изготавливают фасонный и листовой прокат, несущие и ненесущие элементы сварных и несварных конструкций.

Сталь конструкционная криогеннаяКриогенные стали применяют в сварных конструкциях, машинах и оборудовании для получения, хранения и транспортирования сжиженных газов с температурой кипения от -80 до -269 °С. Не следует путать криогенные стали и стали северного исполнения (до -70 °С).

Сталь конструкционная высокопрочная высоколегированнаяЭти стали обладают целым набором механических свойств: высокой прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, хрупкому и усталостному разрушению, отличаются хладо- и теплостойкостью, коррозионной стойкостью и размерной стабильностью.

Сталь коррозионно-стойкая (нержавеющая) жаропрочнаяСталь коррозионно-стойкая (нержавеющая) жаропрочная имеет шировкое промышленное применение. Изготавливаются детали и сварные нержавеющие металлоконструкции; изделия, работающие в окислительных средах и атмосферных условиях; холоднокатаный лист и лента повышенной прочности.

Сталь коррозионно-стойкая (нержавеющая) обыкновеннаяШироко применяется в химической промышленности; применяется для изготовления холоднокатаного листа и ленты повышенной прочности для различных деталей и конструкций, свариваемых точечной сваркой, а также для изготовления труб; для изготовления предметов домашнего обихода, оборудования пищевой и легкой промышленности.

Сплав коррозионно-стойкий (нержавеющий)Коррозионно-стойкие нержавеющие сплавы применяют для изготовления сварных конструкций, работающих в соляной, серной, уксусной и фосфорной кислота при повышенных температурах.

xn--80agxmaficjea0j.xn--p1ai