Какое влияние оказывает структура стали на ее механические свойства

Какое влияние оказывает структура стали на ее механические свойства thumbnail

Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.

Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe3C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.

Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.

Хром (Cr) повышает прочность, закаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание, но снижает вязкость и теплопроводность стали. Содержание большого количества хрома (в обычных сортах стали доходит до 2%, а в специальных – до 25%) делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.

Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.

Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.

Читайте также:  С помощью какого css свойства можно оформить границу элемента

Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.

Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σТ арматурной стали класса А500С.

В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «Ð¦Ð­Ð˜Ð˜Ð¡» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).

Спектрометр.jpg

Рис.1 – Испытание арматурного стержня для определения химического состава стали.

Разрывная.jpg

Рис.2 – Испытания арматурной стали на растяжение.

Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:

где υ – выборочный коэффициент вариации,

tα,k – коэффициент Стьюдента,

α=1-P – уровень значимости (Р – доверительная вероятность),

k = n-1 – число степеней свободы,

ΔМ – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (ΔМ = γ*δМ, где γ – генеральный коэффициент вариации, δМ – максимальная ошибка при оценке математического ожидания в долях среднеквадратического отклонения).

Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.

По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.

Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

Y = f (β, X) + ε,

где X=(X1, X2,…, Xm) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.

Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (<0,05%) и отсутствия четких показаний спектрометра.

Таким образом, нами получено следующее уравнение регрессии комплексного влияния химических элементов стали на ее предел текучести σТ:

В дальнейшем, для определения тесноты корреляционной связи между изучаемыми показателями были проведены дополнительные оценочные испытания – 9 параллельных испытаний арматурных стержней диаметрами Ø16, Ø18 и Ø20 (таблица 1).

т1.jpg

Расчетные значения предела текучести σТ (рис.3) тех же арматурных стержней были определены по разработанной многофакторной корреляционной модели.

г1.jpg

ВЫВОДЫ

1) Величина коэффициента корреляции R подтверждает возможность надёжного прогнозирования предела текучести σТ исходя изхимического состава арматурной стали класса А500С.

Читайте также:  Какой оксид марганца проявляет амфотерные свойства

2) Применение множественного регрессионного анализа позволит выявить также комплексное влияние химических элементов на другие механические свойства стали (временное сопротивление σВ, относительное удлинение δ5), что является задачей наших дальнейших исследований.

Начальник лаборатории Юсифов Р.Ю.

Ведущий инженер Михальцова Л.М.

Источник

Химический состав изменяет не только структуру, но и свойства стали. Влияние углерода на структуру сплава подробно рассмотрено при изложении диаграммы состояния системы Fe—С, однако следует отметить, что с увеличением содержания углерода повышается твердость, прочность, но снижается пластичность. На механические свойства стали также влияет форма и размер частиц ферри- тоцементитной смеси. Твердость и прочность тем выше, чем больше дисперсность частиц этой смеси. Если в стали содержится цементит зернистой формы, а не пластинчатый, то она имеет пластичность более высокую при одинаковой твердости. Содержание углерода оказывает влияние на технологические свойства; с увеличением содержания углерода в стали улучшается обработка резанием, повышается закаливаемость и чувствительность к старению, перегреву, охлаждению и одновременно ухудшается свариваемость. Большое влияние на свойства стали оказывают различные примеси, которые разделяют на постоянные или обычные, скрытые и случайные.

К постоянным примесям стали относятся Mn, Si, S и Р, а также газы (азот, водород, кислород), а к случайным — примеси, которые попадают с шихтовыми материалами (например, в рудах содержатся Си, As, Сг и др.). Иногда к стали специально добавляют серу и фосфор, так как они облегчают обработку резанием.

В общем случае сера, фосфор, кислород, водород и азот относятся к вредным примесям.

Сера ухудшает пластичность и вязкость и придает стали красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. Сера в железе не растворяется, а образует сернистое железо (FeS), которое с железом при 985 °С создает легкоплавкую эвтектику, располагающуюся в основном по границам зерен. При нагреве выше 985 °С эвтектика плавится, разобщая зерна стали. При горячей обработке такой стали давлением по границам зерен появляются трещины. Чем меньше в стали содержание серы, тем сталь качественнее.

Фосфор вызывает хладноломкость, проявляющуюся в склонности образовывать трещины при комнатной температуре, и особенно при температурах ниже нуля. Одновременно фосфор ухудшает пластичность и вязкость. Фосфор растворяется в феррите и повышает прочность стали. Однако при содержании фосфора выше 0,1% хладноломкость стали резко усиливается. Фосфор имеет большую склонность к ликвации при кристаллизации стали. Это приводит к образованию отдельных участков, богатых фосфором, при общем содержании его в стали менее 0,1%. Высококачественные стали должны содержать не более 0,03% Р.

Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемое™ стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристаках стали. Кремний способствует также магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15—20% придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемое™, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, улучшает коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Читайте также:  Какие новые свойства характера журдена

Вольфрам уменьшает величину зерна, увеличивает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре.

Молибден действует, как и вольфрам, и также улучшает коррозионную стойкость.

Легирующие элементы в стали могут находиться в свободном состоянии. Эти случаи весьма редки. Например, свинец и медь встречаются в чистом виде в свинцовых и медистых сталях. Механические свойства таких сталей невысоки.

Легирующие элементы могут образовывать с железом химические соединения (интерметаллические соединения FeSi, Fe3W, FeCr) — твердые растворы замещения. Интерметаллические соединения часто играют роль упрочняющей фазы.

Легирующие элементы способны образовывать химические соединения с неметаллами (MnO, MnS, Si02, А1203 и др.).

Все легирующие элементы по отношению к углероду подразделяются на две группы: элементы, не образующие карбидов, и карбидообразующие. В периодической системе Д.И. Менделеева некарбидообразующие элементы стоят правее железа. К ним относятся, например, Ni, Si, Со, Си, А1 и некоторые другие.

Карбидообразующие элементы в периодической системе Менделеева расположены левее железа. К ним относятся Mn, Сг, W, Мо, V, Ti, Nb, Та и др. Менее устойчивые карбиды находятся в начале этого ряда. Если в сплаве несколько легирующих элементов, то сначала образуются карбиды с более активными из них (согласно вышеуказанному ряду). В стали, содержащей карбидообразующие элементы в большом количестве, образуются простые и сложные карбиды.

FIpocTbie карбиды имеют химическую формулу (Fe, М)2С, где М — легирующий элемент в стали.

Сложные карбиды (Cr,Fe)7C3; (Cr,Fe)23C6 и др. образуются на основе цементита путем замещения атомов основного металла легирующим элементом.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите или аустените, оказывают разное влияние на полиморфизм железа.

Одни легирующие элементы (аустенитообразующие) расширяют у-область, повышая точку А4 и понижая точку Ау

Другие легирующие элементы (ферритообразующие) сужают у- область и расширяют a-область. Они понижают точку А4 и повышают точку Ау

К элементам первой группы относятся Mn, Ni, С, N, Си, Cd, а к элементам второй группы — Zn, В, Be, Al, Si, V, Ti, Mo, W, Та, Nb, Cr.

Легирующие элементы, растворимые в феррите, изменяют его свойства, а следовательно, и свойства стали, так как феррит является основой многих структур стали.

Все легирующие элементы сдвигают точки Еи Sвлево.

Легирующие элементы, растворенные в аустените (за исключением кобальта), уменьшая критическую скорость закалки, увеличивают прокаливаемость и улучшают закаливаемость стали. Это позволяет получать высокие механические свойства в больших сечениях и применять при закалке в качестве охлаждающей среды масло или воздух, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

Легированные стали содержат три фазы: легированный феррит, легированный аустенит и легированный цементит (карбиды). Легированный феррит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в ос-железе. Свойства легированного феррита улучшаются по мере увеличения легирующих элементов. Легированный аустенит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в у-железе. Легированный аустенит увеличивает прочность стали не только при комнатных температурах, но и при повышенных, а также существенно изменяет коррозионные, магнитные и электрические свойства.

Легированным называют цементит, в котором часть атомов железа заменена атомами легирующего элемента.

Источник