12.2. Влияние химического состава металла
В машиностроении широко применяются углеродистые конструкционные(схема классификации приведена на рис. 2.1) илегированные стали.
Углеродистые конструкционные стали по составу и свойствам делятся на группы: обыкновенного качества, автоматные, качественные.
Стали обыкновенного качества различаются по степени раскисления; в состоянии поставки (ГОСТ 380-2005) нормируется только химический состав, механические свойства не нормируются. Применяются для изготовления неответственных деталей.
Стали автоматные (ГОСТ 1414-75) выпускаются с повышенным содержанием серы и фосфора. Это способствует получению гладкой и ровной поверхности при обработке заготовок на станках-автоматах и при изготовлении заготовок деталей методами ковки и штамповки, но острее проявляются красноломкость и хладноломкость, поэтому стали этой подгруппы применяются в основном для изготовления деталей крепежа и корпусных деталей неответственного назначения.
Стали качественные (ГОСТ 1050-88) широко применяются для изготовления деталей, работающих в условиях статических и циклических нагрузок, при наличии трения и износа. ГОСТ 1050-88 нормирует для них химический состав и механические свойства.
Инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) используются для изготовления различных мерительных и обрабатывающих инструментов с применением упрочнения методами термической обработки.
Прочность углеродистых сталей существенно зависит от содержания углерода и с его увеличением возрастает. Следовательно, уже по маркировке сталей 20 и 60 можно уверенно сказать, что прочность стали 60 значительно выше, чем стали 20. Специалисту область применения стали подсказывает её маркировка: Ст3, Ст5 – для изготовления гвоздей, кровельного железа, неответственных болтов и гаек, корпусных деталей; стали 55, 60 – для рессор, пружин; стали У10, У12 – для мерительного и обрабатывающего инструмента и т.д.
В легированных сталях(ГОСТ 4543-71) наряду с углеродомна прочность существенное влияние оказывают состав и количество вводимых легирующих элементов.Часть из них (W, М,V,Ti) способствуют образованию карбидов, приводящих к повышению твёрдости и прочности материала, другие повышают прокаливаемость при термической обработке (т.е. способствуют упрочнению металла до большей глубины), способствуют измельчению зерна структуры, повышают коррозионную стойкость и т.д.
В качестве легирующих элементов применяются хром(в маркировке стали обозначается буквой Х),никель(Н),молибден(М),вольфрам(В),ванадий(Ф),титан(Т) и др.; являются легирующими элементами такжемарганец (Г) икремний(С), присутствующие в стали не в обычном, а в повышенном количестве.
Легирование может производиться введением одного элемента в большом количестве (например, Р18 содержит вольфрама 18%) или комплексно, применением нескольких элементов в небольшом количестве (например, как в сталях инструментального назначения 5Х4СВ4МФ или 3Х2В8Ф).
Каждый легирующий элемент выполняет определённую роль (см. занятие 3).
Изменения свойств сталей в процессе легирования неоднозначны, не исчерпываются отдельным влиянием каждого элемента. Протекают и тонкие процессы, связанные с взаимным влиянием элементов друг на друга. Рассмотрим несколько примеров.
Одновременное увеличение содержания углерода и марганца повышает прочность
стали, но приводит к одновременному ухудшению её свариваемости.
Ванадий и титан (вместе) упрочняют сталь за счёт образования карбидов, нитридов и карбонитридов, а также за счёт измельчения зерна (чему способствует присутствие этих элементов).
Ниобий способствует измельчению зерна (в результате увеличиваются прочность и вязкость стали), но одновременно повышаются технологические характеристики стали за счёт улучшения качества поверхности листа.
Никель, хром и медь (совместно) повышают коррозионную стойкость, однако, одновременно ухудшают свариваемость.
Микролегирование ванадием, ниобием и титаном повышает прочность стали, что
позволяет снизить содержание углерода; в результате снижения содержания углерода улучшается свариваемость и повышаются пластические свойства стали.
Снижение содержания углерода улучшает структуру, повышает коррозионную стойкость и свариваемость стали (но: снижает прочность!).
Применением высокопрочных легированных сталей можно добиться уменьшения размероврабочего сечения деталей (при сохранении их надёжности и долговечности),снижения общих размеровимассы механизмов и машин,повышения их конкурентоспособностина рынке. Однако необходимо помнить, чтотонна легированной высокопрочной стали стоит в несколько(4-5) раз больше тонны конструкционной углеродистой стали,поэтому общей рекомендацией является следующая: качество не в ущерб цене!
Довольно распространёнными в машиностроении, и особенно в производстве труб нефтяного сортамента, являются малоуглеродистые легированные стали.Желательность применения именно малоуглеродистых легированных сталей помимо экономических соображений связана с несколькими обстоятельствами.
Во-первых, стремление повысить прочность стали за счёт увеличения содержания углерода всегда приводит к нежелательному снижению пластичности,сталь становится труднообрабатываемой и хрупкой. Легированием малоуглеродистой стали удаётся добиться повышения прочности при сохранении пластических свойств на хорошем уровне.
Во-вторых, малоуглеродистые легированные стали обладают хорошей свариваемостью, а сварка является довольно распространённым способом изготовления труб при сооружении трубопроводов, а также стальных конструкций (резервуаров и др.) различного назначения.Увеличение содержания углерода выше 0,20-0,25% существенно ухудшает свариваемость сталей.
Эти и некоторые другие специфические особенности малоуглеродистых легированных сталей делают их незаменимыми, например при производстве труб большого диаметра (530, 850, 1020, 1220 и 1440 мм) при сооружении магистральных трубопроводов.
При анализе зависимости свойств сталей от их состава важным фактором является содержание неметаллических включений, в частности –серыифосфора, а также азота, водорода и кислорода.
Известно, что сераифосфорв сталях являются нежелательными примесями: увеличение содержания серы приводит ккрасноломкости(появляются трещины при деформировании металла в нагретом состоянии); присутствие фосфора способствуетхладноломкости (появляются трещины при низких температурах) иповышению склонности к ликвации (неоднородность химического состава). Кроме того, при всех случаях нагружения конструктивных элементовнеметаллические включения, обычно располагающиеся по границам зёрен металла, либо являются местом зарождения трещин, либо трещины проходят через них, ускоряя своё развитие. Различными технологическими приёмами стараются до предельно возможного (0,003-0,005%) количества снизить содержание этих примесей и их влияние на свойства стали за счёт перевода в другую форму, например путём образования соединений с другими компонентами. Легкоплавкая эвтектикаFeS(Tпл=885оС), располагаясь по границам зёрен структуры, приводит к росту хрупкости и снижению прочности металла, способствует появлению красноломкости. При введении марганца в шихту при выплавке чугуна образуется соединениеMnS сTпл=1620оС, которое частично переходит в шлак и удаляется вместе с ним, снижая содержание серы в чугуне. Оставшаяся в стали часть соединенияMnSтакже положительно сказывается на её свойствах: зона красноломкости поднимается до более высоких температур, возрастает прочность. Однако присутствие марганца в количестве более 1% способствует росту зерна стали при операциях нагрева. Следовательно, увлекаться увеличением содержания марганца в стали не следует.
Исследованиями, проведёнными в последние годы [1], установлено, что важное значение имеет не только содержание,но иформанеметаллических включений. Так, значительно снижается их влияние, если в процессе выплавки ввести в расплав стали соликальцияилицерия(случайная форма включений с острыми углами изменяется на округлую, глобулеобразную), а при прокатке последовательно несколько раз изменить направление прокатки "вдоль" на "поперёк": длинные включения ломаются, а их концы притупляются (эти стали обозначаются буквой "У" – управляемой прокатки).