5. По степени раскисления:

• спокойные СП – раскисленные Mn, Si, Al;

• полуспокойные ПС – промежуточные между СП и КП;

• кипящие КП – раскисленные Mn.

6. По способу выплавки:

• в мартеновских печах;

• в кислородных конверторах;

• в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

1.1. Влияние углерода

 

В лияние углерода на свойства сталей, в основном, определяется свойствами цементита (закон аддитивности) и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 1.

Рис. 1. Влияние содержания углерода на механические свойства стали.

Изменение соотношения между цементитом и ферритом составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости.

При увеличении содержания углерода до 1,2 % (рис. 1) возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1 % С повышает температуру порога хладноломкости на 20°С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Однако увеличение прочности происходит лишь до тех пор, пока содержание углерода не достигнет 0,8-1 %. После этого в структуре стали по границам зерен перлита появляется сетка хрупкого цементита, которая легко разрушается при нагрузках. Чтобы получить зернистый перлит, устранив сетку цементита, заэвтектоидные стали подвергают отжигу.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических, таких как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне- и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

1.2. Влияние легирующих элементов на свойства и структуру стали

хром (Х), никель (Н), молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), кобальт (К), марганец (Г), кремний (С), медь (Д)

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или технологических примесей Mn, S, P, O, H, N и другие, влияющие на ее свойства.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы.

1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор. Являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р, S), так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Сr и др.). Постоянные примеси могут присутствовать в виде твердых и газообразных фаз. Однако они не оказывают существенного влияния на положение критических точек диаграммы Fe - Fе₃С.

Кремний (С) - вводится для раскисления. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электро-магнитными свойствами (феррит – сильный ферромагнетик). Кремний присутствует в сталях и сплавах в твердом растворе a-Fe.

Кремний дегазируя сталь повышает плотность слитка, повышает предел текучести в твердом растворе. Кремний Si при содержании 0,8 % и больше значительно повышает твердость, упругость и одновременно снижает вязкость стали. Повышается . Увеличивает износостойкость и придает антифрикционные и упругие качества. Более 2 % - снижает пластичность, и как следствие снижает способность стали к вытяжке. Повышает прокаливаемость, но увеличивает температуры закалки, нормализации и отжига.

Сталь с содержанием кремния 0,8-1,2 % применяют при строительстве мостов и других сооружений, с содержанием кремния 1,5-2 % —для изготовления пружин и рессор, 1-4 % - трансформаторов и динамомашин. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Стали с высоким содержанием кремния используются для изготовления сердечников для электроприборов.

Марганец (Г) - вводят в сталь при раскислении для устранения вредного влияния закиси железа.

Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы, обеспечивает высокую вязкость сталей. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки. При содержании более 1,5 % сообщает склонность к отпускной хрупкости. При содержании более 13 % и выше придает стали аустенитную структуру, противоударную стойкость, высокую износостойкость. При нагреве способствует росту зерна.

Фосфор - при концентрации до 1,2 % растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость, при этом вызывает хладноломкость стали. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20-25^oС.

Фосфор в сталях и сплавах присутствует в твердом растворе a-Fe.

Фосфор – искажает кристаллическую решетку. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

При совместном действии С и Р (фосфора не более 1,2 %) вызывается фосфидная эвтектика, плавящаяся при Т менее 1100 ⁰С. Фосфор - вредная примесь стали. В присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

Содержание фосфора в стали 0,025-0,045 %. Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10-0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. Сера - нерастворима в железе, при взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988^oС. Наличие зерен хрупкой и легкоплавящейся эвтектики по границам зерен стали делает ее при температурах 800 ⁰С и выше (в районе температур красного каления) - красноломкой.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах.

В то же время, сера повышает обрабатываемость резанием. Вредное влияние серы нейтрализуют введением марганца, образующего с ней сульфид MnS. MnS при горячей обработке давлением деформируется и создает продолговатые линзы - строчки. Их присутствие стали, как и других включений, не допустимо для ответственных изделий. MnS стремятся перевести в шлак при плавке стали.

Содержание серы в сталях составляет 0,025-0,06 %.

Сера – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а_н и пластичность ( и ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Водород, азот, кислород - растворяются в стали.

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями: окислы (FeO, SiO₂, Al₂O₃) нитриды (Fe₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая анизотропию механических свойств, повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость.

При содержании кислорода более 0,03 % он вызывает старение стали, а более 0,1 % - красноломкость.

Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250°С.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Водород содержится в твердом растворе a-Fe или скапливается в порах и на дислокациях. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150-180 , лучше в вакууме 10^-2 – 10^-3 мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов:

1) Mn, Si, Cr, B;

2) Ni, Mo;

3) V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

Хром (Х). Основным легирующим элементом является хром. Если больше 12 %, то сталь – нержавеющая, повышает твердость, прочность, вязкость, износостойкость, повышает коррозионную стойкость, а также пластичность, но понижает теплопроводность. Увеличивает прокаливаемость.

Хром – сильно карбидообразующий элемент. Из-за образования карбидов коррозионная стойкость стали может уменьшаться.

Бор (Р). Увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладоломкости повышает износостойкость.

Титан (Т) повышает твердость, прочность, износостойкость, но снижает прокаливаемость стали. Улучшает свариваемость нержавеющих сталей, снижает ликвацию, вводят для измельчения

Молибден (М) повышает твердость, прочность, прокаливаемость, обрабатываемость резанием, жаропрочность, способствует образованию мелкозернистой структуры, улучшает свариваемость и механические свойства стали после цементации, уменьшает вязкость, снижает порог хладоломкости до –20…-120^oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий (Ф) измельчает зерно и повышает прочность и вязкость, повышает устойчивость к циклическим нагружениям и высоким температурам, твердость, уменьшает отпускную хрупкость.

Никель (Н) повышает прочность, твердость, вязкость при низких температурах, прокаливаемость и коррозионную стойкость стали и при этом незначительно снижает пластичность. От содержания никеля в стали зависят ее электросопротивление и коэффициент теплового расширения. Никель (Н) образует твердые растворы внутри легированных сталей, устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

Вольфрам (В) уменьшает отпускную хрупкость, повышает твёрдость, износостойкость, жаропрочность, понижает вязкость и способствует образованию мелкого зерна.

4. Случайные примеси – элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд из отдельных месторождений (сурьма, олово, мышьяк). Они в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность.