Как химический состав сталей влияет на их механические свойства?

На сегодняшний день сталеплавильные заводы могут выплавлять сотни марок сталей. Есть четыре основных параметра для их классификации:

1. По назначению стали могут быть конструкционными, инструментальными или специальными. Первые используют для изготовления деталей машин или элементов строительных конструкций; инструментальные оптимальны для изготовления мерительного, режущего или штампового инструмента; специальные востребованы для получения жаропрочных, коррозионностойких и прочих изделий с особыми характеристиками.
2. По качеству различают стали обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Чем выше качество, тем меньше в стали вредных примесей, ухудшающих ее свойства.
3. По степени раскисления стали бывают кипящими, полуспокойными и спокойными. Такое деление тоже связано с количеством вредных примесей. В первую очередь – кислорода.
4. По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. У первых механические свойства напрямую зависят от количества содержащегося в них углерода, у вторых – от наличия и содержания легирующих элементов.

Характеристики сталей формируются в процессе их выплавки

Какие элементы могут входить в состав сталей

Элементы, которые входят в состав сталей, можно разбить на три группы:

1. К первой относятся основные элементы, которые обязательно присутствуют во всех сталях: железо и углерод.
2. Ко второй – примеси. Их в свою очередь можно разделить еще на три группы:

• Фосфор, сера, кремний и марганец по-разному влияют на свойства сталей, но всегда есть в небольших количествах, поэтому их относят к постоянным.
• Кислород, водород и азот тоже есть во всех сталях, но все они нежелательны и отрицательно влияют на свойства. Их относят к скрытым.
• Мышьяк, медь, цинк, свинец, олово и ряд других элементов встречаются не в каждой марке стали. Их присутствие – особенность месторождений, где добывают руду. Такие примеси считают случайными.

3. К третьей группе относят легирующие элементы: хром, ванадий, молибден, вольфрам и прочие. Их целенаправленно добавляют в стали для получения нужных свойств.

Как различные химические элементы влияют на свойства сталей

Химические элементы по-разному влияют на механические свойства сталей:

1. Основные элементы:

• Углерод (С) оказывает прямое влияние на способность стали сопротивляться деформации. При увеличении его содержания возрастают твердость, прочность и упругость, но одновременно снижаются свариваемость, обрабатываемость и вязкость.

2. Примеси:

• Фосфор (Р) оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость, обрабатываемость и прочность сталей, но ухудшает их вязкость, пластичность и повышает хрупкость при низких температурах.
• Сера (S) улучшает обрабатываемость сталей резанием, но повышает их хрупкость при высоких температурах, снижает коррозионную стойкость, пластичность, истираемость, свариваемость и сопротивление усталости.
• Кремний (Si) способствует повышению прочности, упругости, окалиностойкости, кислотостойкости, твердости и электросопротивления, но при содержании более 2 % делает их хрупкими при высоких температурах.
• Кислород (О₂) снижает вязкость и пластичность сталей.
• Марганец (Mn) считается полезной примесью: он нейтрализует вредное влияние на свойства сталей серы и кислорода. Кроме того, этот элемент повышает прочность, твердость, износоустойчивость и стойкость к ударным нагрузкам.
• Водород (Н₂) увеличивает хрупкость сталей.
• Азот (N₂) оказывает такое же вредное влияние на свойства сталей, как и кислород: снижает их вязкость и пластичность.
• Медь (Cu) улучшает пластичность и коррозионную стойкость.
• Свинец (Pb) улучшает обрабатываемость.
• Цинк (Zn) повышает коррозионную стойкость сталей.
• Олово (Sn) снижает пластичность и повышает хрупкость сталей.
• Мышьяк повышает коррозионную стойкость, но незначительно снижает их пластичность.

Прочность и долговечность зависят от механических свойств металлопроката, которые задаются химическим составом сталей

3. Легирующие элементы:

• Хром (Cr) увеличивает твердость, коррозионную стойкость, ударную вязкость, истираемость, жаростойкость, улучшает режущие свойства сталей, но одновременно ухудшает их теплопроводность и пластичность.
• Ванадий (V) способствует росту прочности и твердости, улучшению их свариваемости.
• Молибден (Мо) улучшает антикоррозионные свойства сталей, их прочность, твердость, устойчивость к ударным нагрузкам, упругость, окалиностойкость, но ухудшает свариваемость.
• Вольфрам (W) увеличивает твердость, сопротивление истираемости, антикоррозионные свойства, но, как и молибден или ванадий, ухудшает свариваемость.
• Ниобий (Nb) положительно влияет на коррозионную стойкость и кислотостойкость сталей.
• (Ti) увеличивает пластичность, прочность, антикоррозионные свойства сталей, улучшает их обрабатываемость.
• Никель (Ni) способствует увеличению упругости, прочности, коррозионной стойкости, улучшает ковкость сталей, но снижает их теплопроводность.
• Кобальт (Co) положительно влияет на показатели жаропрочности, их сопротивляемость ударным нагрузкам и магнитные свойства.
• Алюминий (Al) считается хорошим раскислителем. Он способствует повышению прочности, твердости, окалиностойкости и жаростойкости сталей.
• Церий (Се) положительно влияет на показатели пластичности и прочности.
• Неодим (Nd) уменьшает количество серы в сталях и снижает ее вредное влияние на свойства, уменьшает пористость, улучшает качество поверхности. Аналогичное влияние на характеристики сталей оказывают лантан (La) и цезий (Cs).

Заключение

Химические элементы могут ухудшать или улучшать отдельные характеристики сталей. Часть из них неизбежно оказывается в их составе, другие добавляют целенаправленно. От правильно подобранного баланса и зависят конечные свойства сталей.