Влияние различных компонентов стали на ее свойства и свариваемость. Часть 1

Углерод (У) повышает предел текучести и временное сопротивление стали, однако уменьшает пластичность и свариваемость стали. Поэтому в сварных конструкциях применяются только низкоуглеродистые стали: (углерода до 0,25%).

Кремний (С) раскисляет сталь, поэтому его количество возрастает от кипящей к спокойной стали. Он, как и углерод, но в меньшей степени, увеличивает предел текучести и временное сопротивление, но несколько ухудшает свариваемость, стойкость против коррозии и сильно снижает ударную вязкость. Вредное влияние кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца.

Марганец (Г) увеличивает предел текучести и временное сопротивление стали, незначительно снижая ее пластические свойства и мало влияя на свариваемость.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное (более 1,0%) содержание меди способствует старению стали (старение - см. ниже).

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

Азот (А) в несвязанном состоянии увеличивает хрупкость стали, особенно при низких температурах, и способствует ее старению. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном и ниобием азот, образуя нитриды, становится легирующим элементом, улучшающим структуру и механические свойства. Азота в металле шва содержится до 0,1 %.

Никель (Н), хром (X), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т), бор (Р) являются легирующими компонентами, улучшающими те или иные механические свойства стали, а никель, кроме того, всегда улучшает и свариваемость сталей.

Однако в сталях еще имеются неизбежные примеси, которые отрицательно влияют на механические и конструкционные характеристики.

Фосфор резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, а также делает ее хладоломкой (хрупкой при отрицательных температурах). Допускается в сталях не более 0,08%.

Сера несколько уменьшает прочностные характеристики стали и, главное, делает ее красноломкой, хрупкой и склонной к образованию трещин при температуре 800-1100ºС, что влечет за собой появление сварочных трещин. Допускается в сталях 0,02- 0,06%, в некоторых до 0,01%.

Кислород, водород и азот, которые могут попасть в расплавленный металл из воздуха и остаться там, ухудшают структуру и свариваемость стали и способствуют увеличению ее хрупкости. В сталях кислорода допускается не более 0,20%. В металле шва кислорода, как правило, не более 0,05%, водорода - 3-20 см³/100 г.

В зависимости от степени раскисления различают спокойную (СП), полуспокойную (ПС) и кипящую (К) стали. Остывание спокойной стали при разливе ее в изложницы происходит спокойно, без бурного выделения содержащихся в ней газов и образования газовых пузырей, приводящих впоследствии к внутренним порокам и расслоению металла при прокате. Спокойная сталь имеет лучшую структуру и однородное строение. Эти показатели в полуспокойной и кипящей сталях соответственно ниже, поэтому для ответственных конструкций с большими усилиями, а также при знакопеременных и вибрационных рабочих нагрузках в узлах применяют спокойную сталь, а в менее ответственных - полуспокойную и даже кипящую.

По своей структуре низкоуглеродистая сталь является однородным кристаллическим телом, состоящим из зерен (кристаллов) феррита, занимающих почти весь объем стали, а также перлитовых и цементитовых включений между зернами феррита и по его граням.

Влияние различных компонентов стали на ее свойства и свариваемость. Часть 2

Феррит представляет собой кристаллы чистого железа, он мягок и пластичен, предел его текучести равен примерно 10 кг/мм², а предел прочности - 25-30 кг/мм², относительное удлинение очень высокое - около 50%. Феррит очень магнитен при температуре до 768ºС.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe3C (карбид железа). Цементит очень тверд, прочен и упруг. Его предел прочности - 80-100 кг/мм², а удлинение всего 1%. При температуре более 210ºС цементит немагнитен. Цементит неустойчив, особенно при высоких температурах в высокоуглеродистых сталях, в низкоуглеродистых - устойчив, считается самостоятельным компонентом.

Перлит (от французского - жемчуг) является смесью цементита с ферритом, образующимся по границам зерен феррита. Механические характеристики перлита занимают среднее положение: предел прочности - 60-80 кг/мм², удлинение - 5-20%.

Вкрапления и прослойки перлита, обволакивая зерна феррита, создают как бы жесткую и упругую "сетку" вокруг мягкого и пластичного феррита. Такое строение стали объясняет ее работу под нагрузкой и ее пластические свойства.

Структура низколегированных и среднелегированных сталей похожа на структуру низкоуглеродистой стали. Прочностные свойства низкоуглеродистых сталей повышаются благодаря введению различных легирующих элементов, которые входят в твердый раствор с ферритом стали и этим его упрочняют. Некоторые легирующие добавки, кроме того, образуют различные карбиды и дополнительно упрочняют сетку прослоек между зернами феррита.

Для металла шва и участка перегрева зоны термического влияния (ЗТВ) углеродистых и низколегированных сталей характерна так называемая видманштеттова структура, т. е. структура феррито-перлитовая с игольчатой формой феррита. Такая же структура наблюдается при сильном перегреве стали и крупнозернистости - в литых изделиях и изделиях, сильно перегретых в процессе горячей обработки.

Старение металлов - это изменение свойств металлов вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре (естественное старение) и более интенсивно при повышенной температуре или после холодной деформации (искусственное старение), например чеканка. Чаще всего под термином "старение металлов" подразумевают изменение свойств сплавов в результате распадения перемещенных твердых растворов - так называемое дисперсионное твердение.

Способность ряда сплавов к старению позволяет получить материал с очень высокими физическими характеристиками - твердостью, прочностью.