Общие сведения
Для получения стали используют чугун, который является сплавом железа и углерода. Содержание углерода в чугуне составляет от 2% до 6,67%. При выплавке стали доля углерода в составе снижается до 0,05%-2,14%.
Кроме того, для придания стали требуемых механических и эксплуатационных свойств в неё вводят определенные химические элементы — легирующие добавки (марганец, никель, хром, титан, ниобий, ванадий, медь, молибден и др.)
Однако некоторые легирующие добавки, повышая одни характеристики стали, могут, напротив, снижать другие. Например, марганец (Mn) повышает твердость и стойкость против ударных нагрузок, однако снижает стойкость к повышенным температурам.
Кроме того, сталь может содержать вредные примеси, например сера (S) или фосфор (P). Такие примеси ухудшают ее свойства, снижают пластичность, свариваемость и т. д.
Легирование может оказать влияние на следующие свойства проката:
- прочность;
- твердость;
- износостойкость;
- упругость;
- пластичность;
- кислотостойкость;
- жаростойкость;
- жаропрочность;
- хладостойкость.
Таким образом, в общем случае сталь имеет многокомпонентный состав и содержит железо, углерод, легирующие добавки и др:
Легирующие добавки и их свойства
Каждый элемент оказывает влияние на определенные свойства стали, при этом некоторые легирующие добавки могут иметь схожие свойства и даже усиливать влияние друг друга. В таблице ниже показано, какие химические элементы нормируются для сталей по ГОСТ 27772-2021 и какое влияние они оказывают на свойства стали:
Таблица 1 — Добавки к сталям и их влияние на свойства
|
Химический элемент |
Наименование |
Влияние на свойства стали |
|---|---|---|
|
Легирующие добавки |
||
|
Mn |
Марганец |
Увеличивает твердость, износостойкость, стойкость против ударных нагрузок, упругие свойства сталей, не снижает пластичности, повышает прокаливаемость, но стали чувствительны к перегреву. |
|
Si |
Кремний |
Увеличивает прочность и упругость стали, кислотостойкость и электропроводность. |
|
Cr |
Хром |
Повышает твердость, прочность, пластичность, сохраняется вязкость, возрастает коррозийная стойкость, жаростойкость. |
|
Ni |
Никель |
Повышает твердость, прочность, пластичность, вязкость, сопротивление удару, возрастает коррозиоонная стойкость, жаростойкость, электорсопротивление стали, уменьшается коэффициент теплового расширения. |
|
Cu |
Медь |
Повышает кислотостойкость, пластичность, электропроводность. |
|
Mo |
Молибден |
Повышает прочность, жаропрочность, упругость, кислотостойкость. |
|
V |
Ванадий |
Повышает твердость и прочность, жаропрочность. |
|
Nb |
Ниобий |
Повышает кислотостойкость, жаропрочность, износостойкость. |
|
Al |
Алюминий |
Повышает кислотостойкость, пластичность, электропроводность, окалиностойкость. |
|
Ti |
Титан |
Повышает прочность, кислотостойкость, измельчает и уплотняет зерно, повышает обрабатываемость стали и электропроводность. |
|
Zr |
Цирконий |
Позволяет получить сталь с необходимой зернистостью (измельчает зерно), повышает пластичность, устойчивость к коррозии. |
|
Вредные примеси |
||
|
S |
Сера |
Повышает склонность к хрупкому разрушению, снижает устойчивость к высоким температурам. |
|
P |
Фосфор |
Повышает склонность к хрупкому разрушению, снижает ударную вязкость и устойчивость к низким температурам. |
Невозможно бесконечно повышать долю легирующих добавок в составе стали. Улучшая одни свойства, они могут негативно влиять на другие. Так, например, увеличение общей доли легирующих элементов в составе снижает свариваемость материала. Для оценки содержания добавок в составе стали применяют такую величину как углеродный эквивалент.
Ограничение величины углеродного эквивалента во многих документах рассматривается как гарантия свариваемости. Разные нормативные документы вводят различные способы подсчета углеродного эквивалента и ограничения его величины в зависимости от класса (марки) стали.
Для примера рассмотрим, какие вводит требования СП 16.13330. В таблице В.3 приведены требования к химическому составу и углеродному эквиваленту для сталей различных диапазонов прочности.
Углеродный эквивалент предлагается вычислять по формуле:
Как видно из приведенной формулы, химические элементы имеют разную степень влияния на свариваемость стали.
Выводы
Применение легирующих элементов может значительно улучшить характеристики сталей. При этом один параметр стали может зависеть от содержания двух и более добавок. В этом случае эти добавки могут взаимно усиливать влияние друг друга.
Кроме легирующих добавок в стали могут содержаться вредные примеси (например P и S). Они могут повышать склонность к хрупкому разрушению, снижать стойкость к повышенным или пониженным температурам, отрицательно влиять на свариваемость.
Бесконечно наращивать долю легирующих добавок в составе невозможно — это может радикально снизить свариваемость стали. Чтобы предотвратить это, нормативными документами предусмотрено вычисление углеродного эквивалента (Сэ) — обобщенной характеристики, показывающей долю добавок в составе стали. Ограничение величины Сэ является гарантией свариваемости стали.
Все приведенные выше факторы и свойства необходимо учитывать при разработке новых составов сталей.
Список литературы
- Проектирование металлических конструкций. Часть 1: «Металлические конструкции. Материалы и основы проектирования». Учебник для ВУЗов / С. М. Тихонов, В. Н. Алехин, З. В. Беляева и др.; под общей. ред. А. Р. Туснина — М.: Издательство «Перо», 2023. — 468 c., ил.
- Чистая сталь. Гуляев А.П. М., «Металлургия», 1975. 184 с.
- СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*»
